不同雨量條件下滑坡穩(wěn)定性數(shù)值研究

王 灝，任弘宇

(青海九〇六工程勘察設(shè)計(jì)院，青海 西寧 810001)

滑坡是土體、或者巖石等物體在坡面發(fā)生沿斜坡向下運(yùn)動(dòng)的一種常見現(xiàn)象[1]，在自然界中非常普遍。我國地貌多種多樣、地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，加之不同地方氣候條件原因非常容易出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，加強(qiáng)對(duì)其研究意義重大。

國內(nèi)外學(xué)者很早就開始對(duì)滑坡展開研究。瑞典學(xué)者彼得森在20世紀(jì)出提出了圓弧滑動(dòng)法為邊坡穩(wěn)定研究提供了基礎(chǔ)[2]。Janbu提出了普通條分法，該方法的適用范圍更廣，學(xué)者對(duì)其應(yīng)用也越來越多[3]。Sarma將界面材料的破壞準(zhǔn)則考慮在內(nèi)提出了非垂直條分法，該方法在一定成度上方便了對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究[4]。我國著名學(xué)者陳祖煜對(duì)傳統(tǒng)極限平衡條分法進(jìn)行了更加深入的研究和分析，證明了該方法的正確性[5]。楊偉[6]對(duì)實(shí)際工程滑坡進(jìn)行了分析，徐鎮(zhèn)南[7]使用BISHOP算法對(duì)大型水利工程滑坡穩(wěn)定計(jì)算評(píng)價(jià)。李振[8]、李大鑫[9]、吳珺華[10]等人分別對(duì)滑坡剪切變化進(jìn)行了分析研究。鄭洪[11]、湯羅圣[12]、劉光華[13]等人均使用大型數(shù)值計(jì)算軟件FLAC3D對(duì)在不同情況下滑坡的抗剪切強(qiáng)度參數(shù)和內(nèi)摩擦角等穩(wěn)定參數(shù)進(jìn)行研究，認(rèn)為該軟件可以很好的進(jìn)行滑坡穩(wěn)定數(shù)值研究，能夠滿足研究需求。李楊[14]、趙普[15]、韓東海[16]等人分別使用Fluent和GeoStudio等軟件對(duì)滑坡進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值研究。不同雨量條件下，滑坡內(nèi)土體承受的作用力會(huì)發(fā)生變化，加強(qiáng)對(duì)其研究意義重大。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工程使用大型有限元計(jì)算軟件FLAC3D對(duì)不同雨量作用下滑坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為實(shí)際情況提供參考。

1 工程概況

本研究滑坡處于盆地和平原交接過渡帶，地貌比較復(fù)雜。山坡整體坡度為30°左右，整個(gè)山坡不同破段坡度大致范圍為23°～35°?；聟^(qū)的巖性比較復(fù)雜，有第四系地層(主要覆蓋層為碎石土、粉質(zhì)黏土)、寒武系八村群地層、寒武系、加理東期地層等組成。該區(qū)域的地下水主要是基巖裂隙水和孔隙水，每年地下水的水量變化幅度較大，滲透性較好。

2 模型建立

FLAC3D軟件是由美國Itasca公司開發(fā)的有限元軟件，該軟件由于其強(qiáng)大的計(jì)算能力、專業(yè)性等優(yōu)勢在巖土領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是強(qiáng)度折減法在巖土滑坡研究中應(yīng)用非常廣泛，強(qiáng)度折減法對(duì)應(yīng)的控制方程見式(1)—(2)。通過增加滑坡內(nèi)的折減系數(shù)，最終破壞情況下的折減系數(shù)，即安全系數(shù)。

cF=c/Ftrial

(1)

φF=arctan(tanφ/Ftrial)

(2)

式中，c—粘聚力；cF—折減后粘聚力；φ—內(nèi)摩擦角；φF—折減后內(nèi)摩擦角；Ftrial—折減系數(shù)。

本文根據(jù)工程實(shí)際情況確定計(jì)算需要的材料參數(shù)，見表1。不同情況下，滑坡體的穩(wěn)定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。利用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，對(duì)天然狀態(tài)下和暴雨?duì)顟B(tài)下的滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。數(shù)值模型長度為300m，高度根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，厚度為10m。為了更加準(zhǔn)確的進(jìn)行數(shù)值模擬，網(wǎng)格劃分為六面體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為76306個(gè)，對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為49638個(gè)，建立好的數(shù)值模型如圖1所示。

表1 材料參數(shù)

表2 穩(wěn)定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

圖1 有限元模型

從滑坡上側(cè)到下側(cè)為X軸正方向，垂直向上為Z軸正方向，根據(jù)右手定則確定Y軸正方向。本文分別對(duì)正常狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)下滑坡體的應(yīng)力、位移和剪切增量等穩(wěn)定特性進(jìn)行分析。

3 結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

分別對(duì)天然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)下滑坡體的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖2—3所示。

圖2 不同雨量狀態(tài)下第一主應(yīng)力云圖

根據(jù)圖2可知，不管是在天然狀態(tài)下還是暴雨?duì)顟B(tài)下滑坡體的第一主應(yīng)力分布基本保持一致。應(yīng)力以垂直向上為正方向，因此在云圖中紅色表示應(yīng)力值較小，藍(lán)色的應(yīng)力值較大?？梢钥闯鲈谛逼卤砻鎽?yīng)力云圖為紅色，表示該處的應(yīng)力較小。沿著滑坡體在表面應(yīng)力較小，隨著垂向深度的增加，第一主應(yīng)力逐漸增大，但是在滑坡滑動(dòng)面出現(xiàn)局部的應(yīng)力值較小。不同雨量狀態(tài)下應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在左下角位置處，天然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)下第一主應(yīng)力最大值分別為3.18×106、3.25×106Pa；第一主應(yīng)力最小值分別為8.61×103、7.81×103Pa。第一主應(yīng)力最大值增加了0.07×106Pa，增加幅度為2.2%；第一主應(yīng)力最小值減小了0.8×103Pa，減小的幅度為9.29%。

圖3 不同雨量狀態(tài)下第三主應(yīng)力云圖

根據(jù)圖3可知，滑坡體的第三主應(yīng)力分布于第一主應(yīng)力分布類似，同樣是表面應(yīng)力值較小，越靠近下側(cè)壓力值越大，最大值同樣出現(xiàn)在左下角位置處。天然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)下第三主應(yīng)力最大值分別為4.57×105、4.65×105Pa；第三主應(yīng)力最小值分別為4.07、0.04Pa。第三主應(yīng)力最大值增加了0.08×105Pa，增加幅度為1.75%；第三主應(yīng)力最小值減小了4.03Pa，減小的幅度為99%。這主要是因?yàn)樵诒┯昵闆r下，土體內(nèi)達(dá)到飽和狀態(tài)，對(duì)靠近下側(cè)的土體產(chǎn)生的壓力增加；在表面土體出現(xiàn)滑動(dòng)，導(dǎo)致某位置的土體較小，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值也出現(xiàn)明顯的減小。

3.2 位移分析

分別對(duì)天然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)下滑坡體的X向位移和總位移進(jìn)行分析，如圖4—5所示。

圖4 不同雨量下X方向位移云圖

根據(jù)圖4可知，滑坡體內(nèi)的位移主要體現(xiàn)在X方向，其他方向位移較小，因此對(duì)X方向的位移進(jìn)行分析。滑坡在X方向的位移主要出現(xiàn)在斜坡表面中間及靠上側(cè)，靠近下面的位移很小，在最底部位移幾乎為零。天然狀態(tài)下和暴雨?duì)顟B(tài)下滑坡X方向位移最大值分別為10.13、73.37cm，位移增加63.24cm，增加幅度為624.28%。

由于總位移主要是在X方向上，因此總位移的分布與X方向的分布規(guī)律基本一致?？偽灰谱畲笾抵饕霈F(xiàn)在滑坡表面中間位置，天然狀態(tài)下和暴雨?duì)顟B(tài)下滑坡總位移最大值分別為10.73、76.97cm，位移增加66.24cm，增加幅度為617.33%。

3.3 剪切應(yīng)變?cè)隽糠治?/h3>

分別對(duì)天然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)下滑坡體的剪切應(yīng)變?cè)隽窟M(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6 不同雨量下滑坡剪切應(yīng)變?cè)隽糠植荚茍D

根據(jù)圖6可知，天然狀態(tài)下和暴雨?duì)顟B(tài)下的滑坡剪切變量增量分布基本一致。主要出現(xiàn)在滑坡中間靠近上側(cè)部分，且滑坡剪切增量并不是平行于表面。天然狀態(tài)下和暴雨?duì)顟B(tài)下滑坡剪切增量最大值分別為3.07、3.03Pa。同時(shí)經(jīng)過大量的折減計(jì)算得出天然狀態(tài)下和暴雨?duì)顟B(tài)下滑坡的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.02、0.97。根據(jù)表2可知，在天然情況下邊坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨情況下滑坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，均需要加強(qiáng)防護(hù)。

4 結(jié)論

本文使用FLAC3D有限元軟件對(duì)天然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)下滑坡的應(yīng)力變化、位移和剪切應(yīng)變?cè)隽窟M(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

(1)天然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)下滑坡的應(yīng)力在垂向上越靠近底部應(yīng)力越大，第一主應(yīng)力最大值分別為3.18×106、3.25×106Pa；第三主應(yīng)力最大值分別為4.57×105、4.65×105Pa。

(2)天然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)下滑坡的位移主要出現(xiàn)在滑坡中間位置附近，X方向位移和總位移很接近。兩種情況下，總位移最大值分別為10.73、76.97cm。

(3)天然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)下滑坡的剪切應(yīng)變?cè)隽恐饕霈F(xiàn)在滑坡中間位置靠上部分，兩種狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.02、0.97，均需要加固措施。