黃土地區(qū)滑坡穩(wěn)定性有限元分析

李國圣

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 概述

滑坡是指斜坡上的土體或者巖體在一定條件下變形、破裂、向坡下運(yùn)動的自然物理地質(zhì)現(xiàn)象。滑坡雖是山體斜坡的一種自然或者人為變形現(xiàn)象，但當(dāng)其威脅到人類的生存或者工程的建設(shè)時，就成為了一種災(zāi)害。它能夠中斷交通，堵塞河道，摧毀廠礦，掩埋村鎮(zhèn)，造成人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

組成滑體的巖土在我國不同地區(qū)有著不同的分布規(guī)律，而且產(chǎn)生滑坡的原因，滑坡外貌特征，滑坡運(yùn)動特點也不盡相同，整治方法也有一定的差異。據(jù)此將滑坡分成六大類:黏性土滑坡、黃土滑坡、堆填土滑坡、堆積土滑坡、破碎巖石滑坡及巖石滑坡。黃土滑坡的滑體物質(zhì)主要由第四紀(jì)各種成因的黃土及黃土類土組成，本文涉及的滑坡地處山西呂梁黃土地區(qū)，為典型的黃土類型滑坡。

2 工程概況

本工程為山西呂梁地區(qū)柳林縣境內(nèi)一鐵路工程，該滑坡位于某大橋橋臺與隧道進(jìn)口處(如圖1)，該處地層從上至下依次為:晚更新世(Q3)新黃土，中更新世(Q2)老黃土，三疊系下統(tǒng)和尚溝組(T1h)泥質(zhì)砂巖、泥巖互層。

圖1 滑坡照片

經(jīng)過對該處現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)繪和分析發(fā)現(xiàn)，該處為一黃土土質(zhì)滑坡，滑坡產(chǎn)生的機(jī)理如下:

①該處地層上部以新黃土為主，下伏較薄的老黃土，新黃土中粉粒含量較高，黏粒含量較少，結(jié)構(gòu)較疏松，受環(huán)境侵蝕作用強(qiáng)烈，穩(wěn)定性較差，滑動面易切穿該地層。

②黃土具大孔隙結(jié)構(gòu)及垂直節(jié)理，有利于表水下滲，特別是多雨季節(jié)表水下滲較嚴(yán)重。該處黃土的下伏地層為泥巖與泥質(zhì)砂巖互層，當(dāng)表水下滲至此層時，由于泥巖相對隔水，水易于將土石界面處黃土浸潤軟化，力學(xué)性能急劇下降，從而形成貫通的滑動面。

③該坡體前緣為一河溝，由于泥巖與泥質(zhì)砂巖之間差異風(fēng)化，導(dǎo)致滑體前緣下伏基巖風(fēng)化崩解嚴(yán)重，坡體前緣臨空面發(fā)育加速，從而為滑坡的進(jìn)一步發(fā)展提供了有利的條件。

3 滑坡的有限元分析

經(jīng)過現(xiàn)場的工程地質(zhì)測繪，該處滑坡平面位置如圖2所示。

圖2 滑坡平面位置

有限元分析的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散成按一定方式，通過一定的力學(xué)準(zhǔn)則連接在一起的單元組合體，可以求解復(fù)雜的模型。其基本求解過程為:建立模型，劃分網(wǎng)格，求解模型及利用后處理器查看計算結(jié)果。下面以該滑坡一個主軸剖面為基礎(chǔ)，建立ANSYS模型進(jìn)行求解分析。由于水對滑坡的影響較大，自然狀態(tài)及飽水狀態(tài)下的穩(wěn)定性可能有較大的不同，現(xiàn)分別分析自然狀態(tài)及飽水狀態(tài)下滑坡的穩(wěn)定性，滑帶土的力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 滑帶土的物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)上述條件建立有限元模型，在求解之后對其結(jié)果進(jìn)行分析，可得滑坡在自然狀態(tài)及飽水狀態(tài)下的安全系數(shù)云圖(如圖3、圖4所示)。

圖3 自然狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)云圖

圖4 飽水狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)云圖

由圖3、圖4可知，在自然狀態(tài)及飽水狀態(tài)下，邊坡在各處的安全系數(shù)不盡相同，在b處邊坡的安全系數(shù)較高，均在1.0以上，坡體的此部分相對穩(wěn)定。在滑坡的前緣處，由于該處臨空，安全系數(shù)較小，處于臨界狀態(tài)，在自然狀態(tài)下相對穩(wěn)定，在飽水狀態(tài)下可能會發(fā)生塑性流動。在坡體的a處，該處為滑坡體的后緣，可以看出，該處在自然及飽水狀態(tài)下安全系數(shù)均較小，部分區(qū)域已發(fā)生塑性流動。綜合分析可知，滑坡體的各處受力狀態(tài)差別較大，部分區(qū)域發(fā)生了塑性變形，由于塑性區(qū)域并未貫通，滑坡體整體表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)。飽水時滑體整體的安全系數(shù)小于自然狀態(tài)，且塑性區(qū)會有進(jìn)一步貫通的趨勢。

4 結(jié)論

(1)介紹了常見滑坡的類型，通過對工區(qū)邊坡的工程地質(zhì)條件分析，得出了該滑坡的形成機(jī)理，從而在直觀上判定了該處滑坡的存在。

(2)運(yùn)用有限元的方法對該處滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得出了該處滑坡在自然及飽水狀態(tài)下的穩(wěn)定狀態(tài)及塑性區(qū)分布圖。對兩種工況下的安全系數(shù)云圖進(jìn)行分析，認(rèn)為該處滑坡在飽水狀態(tài)下安全系數(shù)較小，塑性區(qū)域較大，有進(jìn)一步貫通的趨勢。由于該工程為鐵路初測階段，后將線路進(jìn)行了調(diào)整，躲開了該處滑坡。

(3)通過上述的有限元分析可得出，運(yùn)用ANSYS有限元分析來判定滑坡的穩(wěn)定性，不必事先假定滑動面。而是通過計算滑坡體內(nèi)部各處的應(yīng)力狀態(tài)，之后通過ansys后處理器，分析坡體各處的受力狀態(tài)，進(jìn)而得出坡體塑性區(qū)具體的分布狀況，為坡體的治理提供較科學(xué)的指導(dǎo)。

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