基于FLAC3D的滑帶土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)反演分析

程 偉 王 芳 張繼周

（1、寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021 2、寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院，寧夏 銀川 750001）

滑坡滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的取值合理與否對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定性是至關(guān)重要的[1]。因此，滑帶土的合理取值與否，對(duì)于滑坡的設(shè)計(jì)和治理有著非常重要的意義[2]。在巖土工程中，選取合理的巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)正確分析滑坡穩(wěn)定性和治理至關(guān)重要，盡管在這一方面國內(nèi)外專家和學(xué)者做了大量研究，但是影響選取滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的因素十分復(fù)雜并沒有得到滿意的結(jié)果。因此要根據(jù)實(shí)際工程情況采取不同的方法選取滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)就十分有必要了[3]。目前，選取滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的方法主要有實(shí)驗(yàn)法、工程類比法以及反演分析[4]這三種方法。其中工程類比法就是以實(shí)驗(yàn)法為基礎(chǔ)，結(jié)合和參考附近地區(qū)類似巖土體相關(guān)的抗剪強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)[5]。由于有的工程試驗(yàn)資料有限，因此工程類比法存在著不足。不足之處在于：（1）較少的實(shí)驗(yàn)組數(shù)導(dǎo)致最終取值并不能完全反應(yīng)實(shí)際的抗剪強(qiáng)度；（2）滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)之間相關(guān)的關(guān)系并未能反應(yīng)出來；（3）由于滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的不確定性和區(qū)域不同的時(shí)候可能不相同等性質(zhì)，決定了在運(yùn)用該方法的時(shí)候會(huì)存在人為因素，導(dǎo)致最終取值不太準(zhǔn)確[1]。對(duì)于實(shí)驗(yàn)法而言，由于受到實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)方法的限制，仍不能全面地模擬滑坡的實(shí)際滑動(dòng)過程，所得抗剪強(qiáng)度參數(shù)不能確切地反映滑動(dòng)帶的實(shí)際情況。因此，反演法就作為確定滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)一種行之有效的方法,它是在已經(jīng)知道滑坡安全系數(shù)和滑坡滑面形狀的基礎(chǔ)上，假設(shè)滑坡在處于極限平衡狀態(tài)下來反算滑坡滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，由于反算法良好的綜合性的特點(diǎn)，可以將外部沒有考慮到的因素考慮到具體的反算當(dāng)中去，使得滑坡穩(wěn)定性分析結(jié)果和實(shí)際更加吻合[6]。為此，本文在工程地質(zhì)勘察報(bào)告提供的滑坡計(jì)算參數(shù)的基礎(chǔ)上利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件反演該滑坡（已滑塌)滑帶土抗剪強(qiáng)度（C和φ），為后面滑坡穩(wěn)定性分析和治理提供滑坡滑帶土計(jì)算參數(shù)參考值。

1 基于FLAC3 D的滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)反演分析

1.1 計(jì)算原理

1975年興科維奇在滑坡穩(wěn)定性中首次使用了強(qiáng)度折減法，受制于當(dāng)時(shí)的計(jì)算條件，這種方法應(yīng)用較少。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，強(qiáng)度折減法逐漸成為了滑坡穩(wěn)定性分析中的主流計(jì)算方法[7]。強(qiáng)度折減法定義為：在外荷載相同的情況下，滑坡體即將發(fā)生破壞時(shí)剪切強(qiáng)度與實(shí)際情況下滑坡抗剪強(qiáng)度的比值定義為抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)Fs[7]。臨界狀態(tài)時(shí)的黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ為:

其中，Ctrial為折減后的粘聚力；φtrial為折減后的內(nèi)摩擦角；Fs為折減系數(shù)。

1.2 建立模型

為了利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件反演出滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，所有滑坡均選擇開挖后的滑坡作為數(shù)值模擬的模型來反演滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)。利用FLAC3D自帶建模軟件EXTRUSION依據(jù)工程地質(zhì)剖面圖建立了二號(hào)現(xiàn)狀滑坡的三維模型。如圖1所示。模型的左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，X方向?yàn)槠麦w主滑方向，Z方向?yàn)槠麦w高度，Y方向?yàn)槠麦w寬度。二號(hào)現(xiàn)狀滑坡開挖后的三維數(shù)值模型圖模型水平方向長130m，寬5m，高57m，共2952個(gè)節(jié)點(diǎn)，1420個(gè)單元格。設(shè)置邊界條件：模型底面、前后面、左右面全部約束，頂面自由。對(duì)滑坡地層模型進(jìn)行賦值，其中：1組為滑體黃土；2組為滑體泥巖；3組為滑帶泥巖；4組為滑床黃土；5組滑床泥巖。

圖1 滑坡的三維數(shù)值模型圖

1.3 計(jì)算參數(shù)的選取

模型采用摩爾-庫倫模型（mohr），在模擬計(jì)算分析時(shí)，需要4個(gè)參數(shù)：內(nèi)摩擦角（friction）、粘聚力（cohesion）、剪切模量（shear）、體積模量（bulk）[8]。其中體積模量K和剪切模量G可以通過彈性模量E和泊松比μ來轉(zhuǎn)換計(jì)算，計(jì)算公式如下所示：

基于工程地質(zhì)勘查報(bào)告提供的滑坡各土層參數(shù)的基礎(chǔ)上，確定了滑坡分別在天然狀態(tài)、飽和狀態(tài)下的相關(guān)工程地質(zhì)參數(shù)，確定了滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)（內(nèi)摩擦角φ和粘聚力C）反演取值范圍?；履Ｐ退玫膮?shù)如表1。

表1 滑坡材料參數(shù)

1.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告，在天然工況下選取φ=8°～12°，對(duì)C從7kPa開始取值，每次增量為2kPa,取到14kPa。在暴雨工況下，取φ=6°～11°，對(duì)C從3kPa開始取值，每次增量為2 kPa，取到11 kPa。

根據(jù)FLAC3D模擬出滑帶土在天然狀態(tài)下C、φ值不同組合下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)以及飽和狀態(tài)下C、φ值不同組合下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)，結(jié)果如表2、3所示，然后由表得出C、φ值不同時(shí)下滑坡的穩(wěn)定系數(shù)曲線，即為φ-Fs、C-Fs曲線和天然狀態(tài)下穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.01 和暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù)Fs=0.98 的C-φ關(guān)系曲線如圖2所示。

表2 滑帶土天然狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度參數(shù)反演分析表

表3 滑帶土飽和狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度參數(shù)反演分析表

圖2 抗剪強(qiáng)度關(guān)系

1.5 敏感性分析

如圖2所示C-φ曲線上都是Fs等于1.01 和0.98 時(shí)C、φ值的不同組合，結(jié)合工程地質(zhì)勘查報(bào)告所提供的數(shù)據(jù)，在工程地質(zhì)勘察報(bào)告提供數(shù)據(jù)的區(qū)間內(nèi)先確定敏感性較低的一個(gè)值，然后得到另外一個(gè)值。

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分別固定C、φ值其中一個(gè)值，調(diào)整另外一個(gè)值求得滑坡安全系數(shù)，如表4所示，由表4分析出滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)滑坡穩(wěn)定性的敏感性，分析可得出每當(dāng)粘聚力C降低1kpa，相應(yīng)的滑坡安全系數(shù)將減小0.02；當(dāng)內(nèi)摩擦角φ每降低1°，滑坡安全系數(shù)將減小0.09。由此可得：粘聚力相對(duì)于內(nèi)摩擦角對(duì)滑坡穩(wěn)定性敏感性低。

表4 敏感性分析表

1.6 計(jì)算結(jié)果

由敏感性分析可知：粘聚力對(duì)滑坡穩(wěn)定性敏感性較內(nèi)摩擦角（φ）低，因此，根據(jù)工程勘察報(bào)告，先取敏感性較低的粘聚力C,然后根據(jù)反演值確定內(nèi)摩擦角φ。最終反演參數(shù)如表5所示，參考圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬滑移面與實(shí)際滑面位置基本一致，證明了在不同c、φ值組合下，滑坡數(shù)值模擬反演效果的合理性。

表5 滑帶土參數(shù)反演值

圖3 天然狀態(tài)剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖4 飽和狀態(tài)剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D

2 結(jié)論

在工程地質(zhì)勘查報(bào)告的基礎(chǔ)上，確定二號(hào)現(xiàn)狀滑坡（已滑塌）滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)（C和φ）的取值范圍以及其他土層相關(guān)計(jì)算參數(shù)，利用FLAC3D分別反演出滑帶土在自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的計(jì)算參數(shù)（C、φ），計(jì)算可得：在天然狀態(tài)下反演結(jié)果：C=10，φ=11，在飽和狀態(tài)下反演結(jié)果：C=6,φ=10。把反演出的數(shù)據(jù)帶入模型中得到的反演滑面和實(shí)際滑面基本一致，反映了參數(shù)反演的合理性。