基于強(qiáng)度折減法與極限平衡法對(duì)滑坡穩(wěn)定性的綜合評(píng)價(jià)

陳思嬌

摘要：本文以某滑坡為例分別采用強(qiáng)度折減法和極限平衡法對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析比較，討論兩種方法的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)，為今后滑坡穩(wěn)定性分析方法的選擇提供依據(jù)。

Abstract： This paper takes a landslide as an example with strength subtraction and limit equilibrium method for landslide stability analysis and comparison， to discuss the applicability of the two methods and advantages and disadvantages， and provide evidence for the selection of landslide stability analysis method for the future.

關(guān)鍵詞：滑坡；穩(wěn)定性分析； 強(qiáng)度折減法；極限平衡分析法

Key word： landslide；stability analysis；Strength Reduction Method；Limit Equilibrium Analysis Method

中圖分類號(hào)：P642.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）33-0224-03

0 引言

目前計(jì)算滑坡穩(wěn)定性分析中定量計(jì)算的常用方法有極限平衡法、強(qiáng)度折減法、極限分析法。極限平衡法是基于剛體理論，假定滑動(dòng)面后，將滑動(dòng)土體豎向劃分為若干不變形的剛體土條，引入各土條間力，建立和求解力平衡方程。極限平衡法計(jì)算簡(jiǎn)單明了，能快速得到滑坡穩(wěn)定性系數(shù)，在工程中應(yīng)用最為廣泛。但該方法無(wú)法反應(yīng)滑坡的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。有限元強(qiáng)度折減法是以彈塑性理論為基礎(chǔ)，考慮了滑坡的各項(xiàng)實(shí)際材料參數(shù)和邊界條件，計(jì)算結(jié)果能直觀反映出滑坡的變形位移和破壞過(guò)程，更接近于工程實(shí)際情況。但目前學(xué)術(shù)界對(duì)滑坡失穩(wěn)判據(jù)也沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)與定論。本文以某工程中的滑坡為例，分別采用了極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算穩(wěn)定性，并對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 滑坡基本特征

滑坡體長(zhǎng)400m，寬80～200m，平面上呈舌狀。地形坡度中后部為10～15°，前緣為公路開(kāi)挖形成的12m高50°陡坡。該滑坡為覆蓋層滑坡，滑體在中、前部較厚，為10～25m，后部較薄3～10m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及勘探成果揭示，滑體按物質(zhì)組成不同可以分為兩層：上層2～8m為粉質(zhì)黏土夾少量塊碎石，其中粉質(zhì)黏土約占80%，塊碎石主要為粉砂質(zhì)泥巖，約占20%；下層物質(zhì)主要為塊碎石土夾少量孤石，以粗粒物質(zhì)為主，粉質(zhì)黏土含量較少?；禄矠榉凵百|(zhì)泥巖基巖，巖層產(chǎn)狀為260°∠16°，滑床頂板坡度與巖層面傾角基本一致。鉆孔揭示沿基覆界面存在明顯滑帶，物質(zhì)主要為含礫粉質(zhì)黏土，帶寬0.1～0.5m。

調(diào)查分析后推斷該滑坡是由于前緣阻滑段人工開(kāi)挖后在持續(xù)降雨作用下失穩(wěn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)成果，巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1。

2 基于強(qiáng)度折減法的穩(wěn)定性分析

2.1 計(jì)算模型與破壞標(biāo)準(zhǔn)

計(jì)算剖面選擇滑坡的主剖面，使用Geostudio軟件中的sigma有限元分析模塊，計(jì)算模型中分層與滑坡物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成一致，從上至下分別為粉質(zhì)黏土層、碎石土層、滑帶土和基巖。

采用Geostudio軟件分別計(jì)算斜坡在天然和暴雨工況下的穩(wěn)定性。

工況一：天然狀態(tài)。天然狀態(tài)下的荷載主要為巖土體自重。

工況二：天然狀態(tài)+暴雨?duì)顟B(tài)。除了天然狀態(tài)下的巖土體自重，還涉及降雨導(dǎo)致巖土體自重增加以及巖土體強(qiáng)度下降的狀況。換而言之，工況二必須基于巖土體飽和狀態(tài)下的容重及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行分析和運(yùn)算。

本次計(jì)算強(qiáng)度折減破壞的判據(jù)為塑性區(qū)域貫通巖土體：首先針對(duì)未折減時(shí)的塑性區(qū)域進(jìn)行分析運(yùn)算，然后對(duì)滑帶土c、Φ折減，隨時(shí)關(guān)注塑性區(qū)域的變化趨勢(shì)。當(dāng)折減到塑性區(qū)域正好在滑坡體中貫通時(shí)，所得到的折減系數(shù)就是穩(wěn)定性系數(shù)。采用數(shù)學(xué)運(yùn)算分析方法分別對(duì)天然狀態(tài)下和暴雨?duì)顟B(tài)下巖土體坡體的穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行分析運(yùn)算。

2.2 計(jì)算過(guò)程分析

從圖1所示天然裝填下巖土體的塑性分布情況來(lái)看，在強(qiáng)度折減前，斜坡中部的基覆界面和開(kāi)挖坡腳部位是斜坡塑性分布區(qū)，但該區(qū)域并不是貫通的塑性帶，斜坡相對(duì)穩(wěn)定。強(qiáng)度折減Fs=1.12后，中部逐漸發(fā)展成塑性區(qū)域，并擴(kuò)展至中部坡表時(shí)斜坡下部塑性區(qū)域并未貫通坡腳。繼續(xù)強(qiáng)度折減，塑性區(qū)域沿滑帶逐漸貫通至坡腳，中部塑性區(qū)域也不斷擴(kuò)大。當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到Fs=1.24時(shí)，塑性區(qū)域從坡腳貫通至斜坡中部坡表（圖2）。此時(shí)折減系數(shù)Fs=1.24即滑坡穩(wěn)定性系數(shù)。從塑性區(qū)域出現(xiàn)的先后情況來(lái)看，滑坡最可能的失穩(wěn)方式為中部堆積體向坡腳推移式破壞。

采用飽和容重及飽和強(qiáng)度參數(shù)對(duì)巖土體進(jìn)行暴雨工況下有限元分析。由圖3可見(jiàn)，暴雨工況下斜坡在未折減時(shí)，塑性區(qū)域已經(jīng)從坡腳貫通至中部坡表，坡腳和堆積體中部出現(xiàn)大范圍塑性區(qū)域?？梢?jiàn)暴雨工況下斜坡已處于不穩(wěn)定狀態(tài)。再進(jìn)行增大參數(shù)的計(jì)算，當(dāng)折減至Fs=0.98時(shí)，巖土體塑性區(qū)域減小至剛好貫通的臨界狀態(tài)（圖4），這時(shí)的折減系數(shù)Fs=0.98即穩(wěn)定性系數(shù)。

2.3 強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果分析

斜坡失穩(wěn)破壞判據(jù)為塑性區(qū)域的貫通，通過(guò)基于變形理論的有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算得到滑坡的穩(wěn)定性。從塑性區(qū)域貫通圖可以看出滑坡最可能出現(xiàn)的失穩(wěn)方式為中部堆積體向坡腳推移式破壞。計(jì)算結(jié)果表明天然工況下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.24，顯然滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；而在暴雨工況下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.98，此時(shí)滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3 基于極限平衡法穩(wěn)定性分析endprint

3.1 模型建立

基于傳統(tǒng)的極限平衡法分析滑坡堆積體的穩(wěn)定性狀態(tài)。用Geostudio軟件中slope/w模塊，以滑坡主剖面作為計(jì)算剖面，分別采用Morgenstern-Price、Janbu、Bishop、瑞典條分法來(lái)分析滑坡在天然工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性。

滑坡計(jì)算參數(shù)沿用表1中的參數(shù)。由強(qiáng)度折減法的計(jì)算結(jié)果可知，在堆積體中部最先出現(xiàn)塑形變形，滑坡可能從中部失穩(wěn)，而許多現(xiàn)實(shí)狀況下滑坡基本都是從中部開(kāi)始。鑒于此，要分析極限平衡法的穩(wěn)定性，采用兩種方法進(jìn)行計(jì)算：一是指定滑坡沿滑帶為整體滑面；另一種是指定剪出口位置搜索滑面的方法，計(jì)算出滑坡整體滑動(dòng)面及局部最危險(xiǎn)滑動(dòng)面下的穩(wěn)定性系數(shù)。

3.2 極限平衡法計(jì)算結(jié)果分析

基于上文所述的計(jì)算模型，針對(duì)“天然狀態(tài)”和“天然狀態(tài)+暴雨?duì)顟B(tài)”下巖土體的穩(wěn)定性分別進(jìn)行分析計(jì)算，得到表2所示的運(yùn)算結(jié)果。

通過(guò)表2可知：天然狀態(tài)下的主剖面基本穩(wěn)定，但是在“天然狀態(tài)+暴雨?duì)顟B(tài)”下，滑坡局部不穩(wěn)定，并且整體上處于欠穩(wěn)定至不穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法與極限平衡法對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，從基于變形理論和基于剛體強(qiáng)度理論兩個(gè)角度綜合評(píng)價(jià)了滑坡穩(wěn)定性。強(qiáng)度折減法計(jì)算便于分析滑坡的變形破壞特征和滑面形成機(jī)理，而極限平衡法計(jì)算經(jīng)過(guò)了大量工程實(shí)踐，其計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)可信可靠，能驗(yàn)證強(qiáng)度折減法失穩(wěn)判據(jù)的選擇和計(jì)算的結(jié)果是否合理。結(jié)合兩種方法各自的優(yōu)勢(shì)，使綜合分析的成果更豐富、準(zhǔn)確，為滑坡穩(wěn)定性分析與計(jì)算提供了新的思路。

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