基于綜合分析法的滑坡穩(wěn)定性研究與治理效果評價*

羅春雷，陳銳林，夏祥忠，胡 迪，張 超，鄧小波

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105)

基于綜合分析法的滑坡穩(wěn)定性研究與治理效果評價*

羅春雷，陳銳林，夏祥忠，胡 迪，張 超，鄧小波

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105)

不平衡推力法是滑坡穩(wěn)定性分析中應(yīng)用最為廣泛的一種極限分析法，其計算簡潔并且能夠為治理工程提供滑坡推力設(shè)計值，但需人為確定坡體的滑動面，使其在相鄰滑塊傾角變化較大時計算結(jié)果偏大.鑒于此，基于綜合分析方法以某滑坡實例為研究對象做了詳細(xì)計算分析，結(jié)果表明：應(yīng)用ABAQUS模擬計算得到的邊坡塑性區(qū)形態(tài)與現(xiàn)場實測滑動面相近，滑動面位置基本處于邊坡的強風(fēng)化巖與中風(fēng)化巖交界面；不平衡推力法所得安全系數(shù)(Fs=1.183)與數(shù)值分析所得結(jié)果(Fs=1.02)較為接近.提出了預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁+錨桿框格梁的滑坡治理方案，有效的阻斷滑坡塑性區(qū)的發(fā)展和控制坡體變形，處治后邊坡自重工況下Fs=1.76，處于穩(wěn)定狀態(tài).

折線型滑面；不平衡推力法；有限元強度折減法；穩(wěn)定性系數(shù)

折線滑動是邊坡一種基本的滑移失穩(wěn)形式，其滑面分布形態(tài)更接近于工程實際滑坡形態(tài).對于此類滑坡穩(wěn)定性的準(zhǔn)確分析，能夠更好地為現(xiàn)場邊坡穩(wěn)定性分析和治理提供有力的技術(shù)支持[1-2].不平衡推力法是一種簡單實用的滑坡穩(wěn)定性分析方法，適用于任意形狀的滑動面，不需要經(jīng)過復(fù)雜的迭代計算而給出能夠滿足一般工程需要的穩(wěn)定系數(shù)值.但是不平衡推力法難以準(zhǔn)確地判定潛在滑動面的位置.學(xué)者們進(jìn)行了大量理論分析和計算，研究了不平衡推力法計算結(jié)果偏大的原因，提出相鄰滑塊滑面傾角變化不得大于10°的使用條件[4-7]；文獻(xiàn)[8]提出一種改進(jìn)法，其計算的收斂速度更快，結(jié)果精度更高，為滑坡穩(wěn)定性分析提供了新的思路.文獻(xiàn)[9]基于抗滑穩(wěn)定矢量和原理，推導(dǎo)了新的滑坡推力計算公式，很好地解決了計算精度受各滑塊滑動面傾角變化大小的影響.隨著計算機的使用及普及，許多大型數(shù)值分析軟件相繼出現(xiàn)，有限元法作為數(shù)值分析方法中最為成熟的一種方法，因其在計算前不需要假定邊坡的潛在滑動面、能直觀看到巖土體應(yīng)力應(yīng)變情況等優(yōu)點，在巖土工程中得到了廣泛的使用[10].因而，如果能將基于極限平衡理論的不平衡推力法與有限元法兩者的優(yōu)點相結(jié)合，綜合分析考慮，可為后續(xù)的滑坡治理工程的開展提供更合理的理論依據(jù)和設(shè)計參數(shù).

1 工程概況

1.1 工程簡介

滑坡位于湖南某河谷、丘陵地區(qū)，滑坡由前后2個單體滑坡(北部Ⅰ號滑坡體和南部Ⅱ號滑坡體)組成.北部Ⅰ號滑坡體，已滑動，體積17.29×104m3；南部Ⅱ號滑坡體，正在發(fā)展變形中，體積8.46×104m3，總體積25.75×104m3，為中型牽引式滑坡.根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》(DZT0219-2006)，該滑坡的防治工程級別為Ⅰ級.此次，本文后續(xù)滑坡穩(wěn)定性研究以Ⅱ號滑坡體為研究對象，Ⅰ號滑坡體不作考慮(滑坡平面簡圖見圖1).

圖1 滑坡平面簡圖

1.2 水文與工程地質(zhì)條件

(1)地形地貌

滑坡區(qū)屬淺變質(zhì)巖中低山地貌，山體呈東西走向，地勢整體南高北低，海拔高程300～1100 m，溝谷較發(fā)育，且多呈“V”型谷，山坡陡峻，坡角一般20°～40°，局部地段可達(dá)50°左右.

(2)地層巖性

滑坡區(qū)分布出露地層有第四系殘坡積層(Qel+dl)、上元古界板溪群五強溪組(Pt3bnw).殘坡積層分布于斜坡表面，主要為成分粉質(zhì)黏土；下伏基巖為上元古界板溪群五強溪組，板狀構(gòu)造，表層風(fēng)化強烈，巖質(zhì)軟，下部為中風(fēng)化，巖質(zhì)較硬.巖土強度參數(shù)如表1所示.

表1 巖土強度參數(shù)

(3)滑面特征

根據(jù)現(xiàn)場勘查結(jié)果，初步判斷潛在滑動面為強風(fēng)化巖與中風(fēng)化巖的交界面，滑動面主要受巖土界面的起伏而變化，大致呈折線形，滑帶土層厚約為0.3 m.

(4)水文

2 滑坡形成機制分析

依據(jù)滑坡規(guī)模、地形地貌以及滑坡受力情況，綜合判定Ⅱ號滑坡變形破壞模式為中型牽引式順層滑坡.滑坡形成機理：(1)滑坡區(qū)域位于溝谷岸坡，順層坡，坡度約20～40°，且坡腳由于人類工程活動形成了臨空面，為滑坡發(fā)育提供了地形條件；(2)下伏粉質(zhì)粘土夾碎石，基巖表層風(fēng)化強烈，結(jié)構(gòu)面破碎，是滑坡形成的物質(zhì)基礎(chǔ)；(3)巖土體的結(jié)構(gòu)松散，地表水、大氣降水等極易從滲入坡體內(nèi)部，是滑坡形成的誘因.

3 滑坡失穩(wěn)有限元模擬

采用ABAQUS大型有限元軟件對折線滑動模式下的堆積層滑坡破壞模式及塑性區(qū)的分布進(jìn)行數(shù)值研究，有基本假定如下：(1)模型滿足平面應(yīng)變條件；(2)各土層為均質(zhì)土，并符合Mohr-Coulomb準(zhǔn)則；(3)不考慮地下水的作用.

通過設(shè)置場變量FV1(FV1=0.5～2.0)，實現(xiàn)在ABAQUS中對邊坡巖土抗減參數(shù)折減，根據(jù)強度折減安全系數(shù)的定義，可知：

ci=c/FV1

(1)

φi=arctan(tanφ/FV1)

不同時段塑性區(qū)分布圖(詳見塑性區(qū)分布圖2～4)表明，一開始是在邊坡頂部分出現(xiàn)屈服，隨t的不斷增大逐漸向下發(fā)展、延伸，當(dāng)t=1.35時，塑性區(qū)基本貫通，此時Fs=1.02，其中邊坡坡腳是變形值最大的部位，塑性變形達(dá)到5 mm.

自重狀態(tài)下邊坡的塑性應(yīng)變區(qū)域(可近似視為滑裂面)可基本視為沿著巖土界面的貫通平面，塑性區(qū)的分布狀態(tài)和形狀與現(xiàn)場勘查測定的滑動面(現(xiàn)場實測滑動面如圖5所示)基本一致，說明采用有限元強度折減法的邊坡失穩(wěn)模擬結(jié)果以及用于確定滑動面分布情況是可行的，符合工程實際情況.

圖2 t=1.29塑性區(qū)分布

圖4 t=1.35塑性區(qū)分布

圖3 t=1.32塑性區(qū)分布

圖5 實際滑動面

4 穩(wěn)定性計算

采用不平衡推力法計算滑坡穩(wěn)定性時，首要步驟是依據(jù)邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)確定巖土體抗剪強度指標(biāo)的取值：當(dāng)邊坡已經(jīng)完全失穩(wěn)形成滑坡時取殘余抗剪強度cc、φc，也就是滑帶土的抗剪強度，對于正在變形發(fā)展尚未滑動的邊坡則取其峰值強度c、φ.

應(yīng)用得到的滑動面確定不平衡推力法計算模型，為保證治理工程具有足夠的安全儲備，計算時取殘余抗減強度指標(biāo).采用的簡化不平衡推力法計算公式如下：

(2)

Pi=KTi-Ri+Pi-1ψi-1

(3)

式中：ψi——傳遞系數(shù)，ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi；Pi——條塊i的滑坡推力設(shè)計值；Pi-1——條塊i-1傳遞給條塊i的剩余下滑力數(shù)值；Ti——條塊i的下滑力：Ri——條塊i的抗滑力：

4.1 計算工況選取

滑坡治理根據(jù)其危害對象程度及潛在經(jīng)濟損失，確定本滑坡防治工程等級為Ⅰ級，根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0219-2006)第5.4章節(jié)相關(guān)規(guī)定，確定滑坡穩(wěn)定性計算工況、荷載組合及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表2.

表2 穩(wěn)定性計算工況組合

4.2 計算模型選取

選取主滑剖面E-E'作為穩(wěn)定性的計算模型，滑動面的位置根據(jù)勘察資料以及下文有限元強度折減法計算所得塑性區(qū)綜合確定(主滑剖面E-E'簡圖如圖6所示).

圖6 穩(wěn)定性計算模型簡圖

4.3 穩(wěn)定性計算結(jié)果

上述穩(wěn)定性計算結(jié)果表明(見表3、表4)，工況Ⅰ下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；工況Ⅱ下坡體處于臨界狀態(tài)，安全系數(shù)Fs=1.034.

表3 穩(wěn)定性計算結(jié)果(1)

表4 穩(wěn)定性計算結(jié)果(2)

5 滑坡治理方案與效果評價

5.1 滑坡治理方案

抗滑樁位置是根據(jù)場地的地質(zhì)條件，滑體厚度，后緣滑坡穩(wěn)定性，是否會發(fā)生越頂破壞及整個工程造價綜合考慮的，而滑坡抗滑樁設(shè)計推力取值依據(jù)擬設(shè)計抗滑樁條塊所在位置的滑坡推力取值，抗滑樁設(shè)計推力取值見表5.

表5 抗滑樁設(shè)計推力取值

根據(jù)計算和模擬結(jié)果制定了預(yù)應(yīng)力錨索+方形抗滑樁+錨桿框格梁滑坡防治工程的處治方案，治理方案布置如下(如圖7所示).

Ⅱ號滑坡前緣采用錨桿框格梁治理，框格梁為非嵌入式，錨桿間距3.0×3.0 m，長12 m，錨固段長5 m，采用1φ28鋼筋，框格梁采用C30砼澆筑，截面尺寸400×300 mm.

Ⅱ號滑坡坡體設(shè)置1排抗滑樁，樁長16 m，其中嵌入中風(fēng)化板巖以下8 m，樁身尺寸為2.0×3.0 m，樁間距4.0 m，樁身采用C30砼澆筑；設(shè)2排錨索，第一排錨索采用6Фs21.6鋼絞線，間距5.0 m，采用，錨孔孔徑150 mm，傾角15°，錨固段長度6.5 m，總長度16.0 m；第二排錨索采用5Фs21.6鋼絞線，錨孔孔徑150 mm，傾角15°，錨固段長度5.0 m，總長度13.5 m.

圖7 Ⅱ號滑坡支護(hù)結(jié)構(gòu)簡圖

5.2 加固效果評價

建立支護(hù)結(jié)構(gòu)作用下的邊坡三維數(shù)值模型(模型參數(shù)取值詳見表6)，分析其坡體變形情況.

表6 支護(hù)參數(shù)取值

圖8表明，邊坡在治理后塑性區(qū)的分布較治理前有著明顯改變，因為抗滑樁的存在阻斷了塑性區(qū)的發(fā)展，其不再是沿著坡體巖土界面延伸直至貫通坡腳，而是樁前上部坡體在達(dá)到一定變形值后，土體沿著抗滑樁墻面向上滑動，當(dāng)塑性區(qū)沿樁身向上貫通，對應(yīng)安全系數(shù)Fs=1.76，說明邊坡在自重狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)，符合設(shè)計要求；設(shè)置的預(yù)應(yīng)力錨桿框格梁，使得坡腳處的塑性變形值大幅減小，坡體變形主要集中在上部，加固效果顯著.

圖8 治理前后塑性區(qū)分布對比

6 結(jié)語

(1)應(yīng)用ABAQUS大型有限元分析軟件模擬了Ⅱ號滑坡在自重工況下的整個失穩(wěn)過程，計算得到的塑性區(qū)形態(tài)與現(xiàn)場實測滑動面相近，滑動面位置基本處于邊坡的強風(fēng)化巖與中風(fēng)化巖交界面，并以此建立了后續(xù)不平衡推力法的計算模型.工況Ⅰ時邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；工況Ⅱ下邊坡處于為臨界狀態(tài)，安全系數(shù)Fs=1.034；不平衡推力計算結(jié)果與數(shù)值分析所得安全系數(shù)(Fs=1.02)接近.

(2)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁+錨桿框格梁的滑坡治理方案，有效的阻斷滑坡塑性區(qū)的發(fā)展和控制坡體變形，處治后的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，自重工況下Fs=1.76，滿足規(guī)范要求，可為類似工程提供參考.

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LandslideStabilityandEvaluationofTreatmentEffectBasedonComprehensiveAnalysisMethod

LUO Chun-lei, CHEN Rui-lin, XIA Xiang-zhong, HU Di, ZHANG Chao, DENG Xiao-bo

(College of Civil Engineering&Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

Unbalanced thrust method is the most widely used limit analysis method in landslide stability analysis. Its calculation is simple and can provide landslide thrust design value for the control project, but it is necessary to determine the sliding surface of the slope. When the inclination of the block is large, the calculation result is too large. In this paper, a large number of calculation and analysis are carried out based on the comprehensive analysis method. The results show that the plasticity of the slope is similar to that of the measured sliding surface by ABAQUS simulation. The sliding surface is basically at the strong wind metamorphic rocks and metamorphic rock interface; The safety factor (Fs=1.183) of the unbalanced thrust method is close to the result obtained by numerical analysis(Fs=1.02). This paper puts forward the landslide control scheme of prestressed anchor cable anti-slide pile and anchor box girder beam, which can effectively block the development of landslide plastic zone and control the deformation of slope body, and the slope is in steady state,Fs=1.76.

folded sliding surface; imbalance thrust force method; strength reduction FEM

2017-06-06

教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20104301120004)；教育部科學(xué)技術(shù)重點項目(211127)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年項目(10B105)；第49批中國博士后科學(xué)研究基金(20110491260).

羅春雷(1992-)，男，碩士研究生.研究方向：結(jié)構(gòu)工程.通信作者：陳銳林(1971-)，男，副教授，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和車橋耦合振動、風(fēng)車橋系統(tǒng)動力學(xué).

TU43

A

1671-119X(2017)04-0071-06