綜合系統理論評價滑坡穩定性研究

謝廷勇，張紫峰，白艷萍

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綜合系統理論評價滑坡穩定性研究

謝廷勇1,2，張紫峰1，白艷萍2

（1.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司，桂林 541004；2.桂林理工大學地球科學學院，桂林541000）

滑坡穩定性的分析評價是一較為復雜的系統工程問題，涉及工程地質學、巖體力學、計算科學等多學科交匯。在系統分析滑坡體的地質條件和環境背景的基礎上，采用綜合、系統理論分析評價方法對龍勝某二級公路2號滑坡進行研究；通過使用剩余推力計算和有限單元（ANSYS）法等，進行系統分析、綜合評價和穩定性評價，并對其進行加固處理后監測，滑坡穩定性較好，反映該方法是成功有效的。

滑坡；穩定性；剩余推力法；系統理論

隨著我國公路建設的發展，線路兩側出現許多高陡的自然邊坡和工程邊坡，尤其在山區或丘陵地區，時常涉及滑坡問題。滑坡穩定性的分析評價是一復雜的系統工程問題，它涉及工程地質學、巖體力學和計算科學（及方法）等多種學科交匯問題，是一個綜合研究程度較高的問題。

龍勝某二級公路經過龍勝滑石礦，由于滑石礦在公路下方修建新選廠，在公路下方開挖形成高陡邊坡，由于山體坡度較陡，地形、地貌復雜，降水充沛，地質構造發育，風化作用等內外地質作用強烈，滑坡、崩塌地質災害較發育，發育一系列滑坡構成滑坡群，現狀調查共有五處，其中2號滑坡距已治理的滑坡北西側100m左右，該滑坡發生于2008年1月份左右，出現了鄉鎮公路路面開裂和上邊坡滑塌跡象，但未出現整體滑移，目前處于蠕滑狀態（圖1）。

1 2號滑坡成因機制分析

1.1 地質條件

滑坡發育與所在地段巖土體分布及工程性質有關，邊坡頂部為堅硬的中風化細碧巖為主，中部、底部山坡巖體表層多為坡積、殘積土層覆蓋，坡殘積土巖性主要為含粘土碎石，透水性相對較好，致使雨季時坡殘積土體與強風化細碧巖接觸面局部飽水。土體受水浸泡后重量增加，抗剪強度降低，在坡殘積土層與強風化層接觸面易形成滑動面，產生滑坡。坡殘積土層與強風化層接觸面為軟弱面，遇到連續集中降雨、大強度降雨入滲到下部泥巖頂面時受阻，順分界面運移，滑帶土軟化，強度降低。加之后期人類活動作用改變了斜坡原有的應力狀態，促使坡體發生變形，在長時間的變形積累下，應力進一步集中，最終產生滑動。各滑坡中前部變形均較強烈，其力學機理均為牽引式滑動。

1.2 地形條件

滑坡區地形上總體為上陡下緩，自然坡度25o～45o，局部在45o以上，新選廠的建設，開挖坡腳，致使上述結構面露于人工邊坡上，由于人工邊坡大部分尚未采取防護措施，或設計有擋土墻，但施工進度緩，使巖土體長期暴露受風化影響而強度迅速降低，在暴雨或其它突變因素誘發下，易產生滑坡。

1.3 降雨條件

滑坡區屬亞熱帶氣候，四周環山，氣候濕潤，植被發育，樹木茂盛，雨量充沛。據龍勝縣氣象資料，歷年年最大降雨量2 032.6mm，年平均降雨量1 546.2mm，雨季月平均降雨量273.9mm，日最大降雨量317mm，小時最大降雨量57.3mm，每年雨季集中在4~8月份，且大部分以暴雨或強降雨形式出現，延續時間長，大量雨水滲入山坡，造成地表土體重量增大和下伏含水層地下水位升高，泡軟軟弱結構面，使軟弱結構面力學強度降低，使山體易于沿軟弱結構面產生滑坡。

1.4 人類工程活動

人類對坡體的改造結果使得局部坡度變大、斜坡底部臨空、坡體結構松動，地下水的作用增強，進一步惡化滑坡的穩定性。

2 極限平衡法滑坡穩定性評價

2.1 極限平衡法滑坡穩定性評價計算模型

極限平衡法是滑坡穩定性分析的主要方法，也是當前國內外應用最為廣泛的較成熟的穩定性分析方法。極限平衡法也是一種定量分析方法，主要方法有：瑞典法、Bishop法、Jaubu法、Sarma法和不平衡推力法等等。其中不平衡推力法是我國技術人創造的一種滑坡穩定性分析方法，也稱為傳遞系數法或者剩余推力法，該法計算簡單，并且能夠為滑坡治理提供設計推力，因此在水利、鐵路、交通等部門得到了廣泛的應用，在國家規范和行業規范中都將其列為推薦方法使用。

剩余下滑力按以下公式進行計算：

式中：-第i條塊剩余下滑力（KN/m）；-第安全系數，取1.15；-傳遞系數，

；

式中：θi-第i條塊所在滑動面的傾角（°）；-第i條塊土的內摩擦角（°）；Ci—第i條塊土的內聚力（KPa）；Li-第i條塊滑動面長度；

計算模型根據穩定性計算模型，滑動帶抗剪強度參數和滑體容重參數的選取按表1按雨季計算，計算結果見下表2。

表1 2號滑坡滑動帶土抗剪強度和滑體容重參數取值

表2 2號滑坡剖面穩定系數和剩余下滑力計算結果表

2.2 極限平衡法滑坡穩定性評價

2號滑體除上部有少量表層路面和填土外，主要由稍密～中密狀含粘土角礫組成，其膠結程度較差，透水性好，若遇長時間持續降雨，易于滲入地下，并在強風化基巖面匯集，同時由于滑床由強風化細碧巖組成，接觸面土體遇水易軟化，力學性質亦較低，透水性較弱，為相對隔水層，有利于地下水在其頂面滯留而軟化土層形成軟弱帶，其頂面處于飽水狀態，抗剪強度明顯降低，主要表現在C、值的降低，形成—軟弱帶，即滑帶，坡體易沿該帶產生滑移。

2號滑坡目前（旱季）整體穩定系數處于1.05～1.15之間，處于基本穩定狀態，（雨季）整體安全系數處于1.00～1.05之間，處于欠穩定狀態，在計算中各條塊滑面均采用滑帶土的抗剪強度參數，因此實際穩定性要比計算值相對要高，所以不存在從滑坡體中上部剪出的可能性。

2.3 極限平衡法滑坡穩定性評價結果

在天然條件下，由于地質條件和各種影響因素沒有多大改變，2號滑坡體處于欠穩定狀態，在暴雨（工況Ⅱ）的情況下，2號滑坡穩定性差，將產生整體滑移。

表3 各土層材料計算參數

3 有限單元法（ANSYS）計算分析

3.1 有限單元法（ANSYS）及其計算參數

有限元法相比于極限平衡法考慮了介質的特征，相對真實地反應了邊坡的受力狀態。所謂有限元強度折減法，就是在理想彈塑性有限元計算中，將邊坡巖土體抗剪切強度參數逐漸降低，知道其達到破壞狀態為止，同時得到邊坡的強度儲備安全系數Fs，于是有：

有限元強度折減法不需要對滑動面形狀和位置做假定，也無需進行條分，通過強度折減使邊坡達到穩定狀態時，非線性有限元靜力計算將不收斂，此時的折減系數就是穩定安全系數。

土體破壞的標志是滑體出現沒有限制的塑性變形，此時滑移面上的應變或者位移出現突變，因此，這種突變可作為邊坡破壞的標志，此外有限元靜力計算會同時出現不收斂。所以本章采用ANSYS有限元計算是否收斂或者滑面上節點塑性應變和位移突變作為邊坡失穩的判斷依據。

3.2 邊坡穩定性有限元法（ANSYS）計算分析評價

對剖面5-5’分析：邊坡水平方向位移隨強度折減系數Fs的增加而減小，當Fs=1.2至Fs=1.24段時邊坡水平方向位移的減少程度放緩，表明當Fs>1.24時，邊坡內積蓄的能量因2號邊坡的滑動而釋放。邊坡塑性變形隨著強度折減系數Fs的增加而逐漸增大，當Fs=1.25時由于下部塑性變形增大使2號滑坡的上部不能保持原有狀態而失穩，造成滑坡的產生。分析得出：5-5’剖面的邊坡安全系數應為1.24。剖面5-5’不同折減系數影響得到表4；在此表上得到圖2和圖3。

表4 5-5’剖面不同折減系數對邊坡的變形

對剖面6-6’分析：邊坡水平方向位移隨強度折減系數Fs的增加而減小，當Fs=1.08至Fs=1.09段時邊坡水平方向位移的減少程度放緩，表明當Fs>1.09時，邊坡內積蓄的能量因2號邊坡的滑動而釋放。邊坡塑性變形隨著強度折減系數Fs的增加而逐漸增大，到了一定值時保持值不變，當Fs=1.1時由于下部塑性變形增大使2號滑坡的上部不能保持原有狀態而失穩，造成滑坡的產生。分析得出：6-6’剖面的邊坡安全系數應為1.09。剖面6-6’不同折減系數影響得到表5；在此表上得到圖4和圖5。

表5 6-6’剖面不同折減系數對邊坡的變形

對5-5’剖面和6-6’剖面得出結論：隨著折減系數的增加，水平正方向位移最大值越來越小，并且塑性變形最大值越來越大，2號滑坡存在穩定性失穩。

4 極限平衡法與有限元法（ANSYS）的比較

從剩余推力法與有限元法（ANSYS）計算得出的結果的比較，見表6：天然狀態下，坡體由于受重力的影響有向前和向外的微小位移，坡體的位移量從頂部至坡腳逐漸減小。在天然狀態下，坡體向趨于穩定性的方向發展，并且保持一種平衡狀態，整體失穩的可能性不大；在降雨狀態下，坡體由于降雨影響使坡體重力增加，打破了某種平衡狀態，由于原先的平衡被打破需要重現建立新的的平衡，但是這種平衡在降雨的條件下一直沒有建立，故導致了坡體的失穩。

表6 不同計算方法得出的結果

5 結論

1）建立了2號滑坡定量分析的極限平衡法中的不平衡推力法和有限元法（ANSYS）中的有限元強度折減法。通過在材料力學性質的試驗確定各巖土層的物理特性，建立起地質模型，確定本構模型的選取，確定了2號滑坡在天然狀態處于暫時穩定狀態，在暴雨狀態時整體處于不穩定狀態。

2）采用不平衡推力法和有限元強度折減法兩種方法對滑坡穩定性進行系統的地質評價，其結論都是2號滑坡在天然狀態處于暫時穩定狀態，在暴雨狀態時整體處于不穩定狀態，結論一致，兩種不同力學理論方法的相互補充驗證，克服了兩只方法在力學處理上的不足，可較好反映滑坡變形破壞的實際規律。

3）滑坡是一個很復雜的變化動態體系，要多種定量方法并舉、相互校核來提高評價分析的準確度。通過工程實例證明，綜合系統分析是滑坡穩定性評價的重要或較佳方法。它對類似滑坡穩定性評價具有借鑒意義。

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Study of Landslide Stability Evaluation System Theory

XIE Ting-yong1,2ZHANG Zi-feng1BAI Yan-ping2

(1-China Nonferrous metals Guilin Geology for Mining Co. Ltd., Guilin, Guangxi 541004; 2- College of Earth Science, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 54100)

This assesses stability of No.2 landslide of the Longsheng Highway based on the geological condition and environmental background and by the use of residual thrust and finite element (ANSYS) methods. The monitoring of the reinforced landslide indicates this evaluation method is successful and effective.

landslide; stability; comprehensive assessment; residual thrust method

P642.22

A

1006-0995（2015）01-0104-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.01.023

2013-10-18

謝廷勇(1977-），男，漢族，廣西桂林市人，碩士，高級工程師，主要從事巖土、地質災害勘查治理等工作