基于現場監測數據的某滑坡穩定性有限元分析

韓彪 李凱

摘要：基于某滑坡現場監測數據，文章采用FLAC3D數值分析軟件對該滑坡穩定性進行數值模擬，分析了天然工況下滑坡所處狀況，確定了滑坡穩定系數。計算結果表明：反演分析得到的計算參數具有實際應用意義，監測資料揭示的滑面與數值分析滑面基本吻合，滑坡穩定系數計算值為1.05，數值模擬值為1.02，均顯示滑坡處于欠穩定狀態;暴雨工況下，穩定系數為0.96，滑坡由欠穩定狀況轉變為不穩定狀態。

關鍵詞：監測數據;反演分析;數值模擬;穩定性

0 引言

修建高速公路不可避免地要開挖原有地貌，在山體原有平衡被打破后，公路沿線形成大量的臨空面，在不良地質條件（如軟弱夾層、斷層發育）和外在影響因素（如工程開挖、降雨等）的作用下極易形成滑坡災害。無論滑坡出現在公路沿線還是居民區，一旦發生將嚴重影響人類生命財產安全。因此，對滑坡穩定性的研究分析一直是工程地質界的熱門話題，而對滑坡治理技術的研究則具有更加重要的現實意義。

在滑坡工程領域，計算機數值分析是一種重要的研究和輔助手段，常使用的方法有有限單元法（FEM）、離散單元法（DEM）、邊界單元法（BEM）、拉格朗日單元法以及塊體理論等[1-6]。滑坡穩定性數值分析方法以有限元法為代表。有限元法能夠適用于各種工況，滿足較高的精度要求。FLAC3D在巖土工程領域使用最早也是最廣泛的。例如，2003年，張雪東等分析某滑坡在天然和蓄水的兩種工況下利用FLAC3D進行模擬，指出兩種狀態下不平衡力曲線的不同[7]。2006年，孫書勤等利用FLAC3D對天臺鄉基巖順層滑坡進行三維數值模擬，天然狀況下滑坡是穩定的，但是遇到暴雨時會誘發牽引式滑坡[8]。2007年，高圣益等對萬州安樂寺滑坡在各種工況下進行流固耦合模擬，得到塑性區和剪應變增量圖并對其進行評價，為以后滑坡的分析提供量化依據[9]。張志沛等[10-11]利用數值模擬對比分析了有限元法和極限平衡法的異同，并指出滑坡變形破壞與降雨存在一定的滯后現象。2013年，張建勛對新巖滑坡穩定性數值分析搜索到兩個危險滑動面的位置，同時也對位移突變帶、塑性區圖和剪切應變量分布圖進行了分析，為工程的勘察設計提供了參考[12]。基于現場監測數據的某滑坡穩定性有限元分析/韓 彪，李 凱[=JP2]1 工程概況

1.1 工程背景

某滑坡位置所處里程段范圍內路線主要以路塹形式通過，該段路塹開挖最高形成6級邊坡，高度為57.5 m，其余處路塹邊坡為2～5級。2017-11-27開挖至第4級邊坡時，坡面出現多條縱向裂縫，2018-01-13開挖至第3級邊坡時，距塹頂約30 m的后緣出現大范圍的弧形錯臺，第3級邊坡坡面有明顯剪出跡象。前緣反壓之后，通過監測發現2018-01-25之后邊坡變形速率明顯減緩并逐漸趨于穩定，塹頂的變形量得到控制。

1.2 監測剖面及監測數據分析

本文采用反演法分析滑坡穩定性，所用監測孔ZK2、ZK3、ZK4位于4-4剖面，監測孔ZK6、ZK7、ZK8位于3-3剖面，3-3剖面和4-4剖面布置如圖1所示（由于篇幅有限僅給出4-4剖面監測數據，3-3剖面數據不做展示）。

3-3剖面監測數據揭示出該剖面處滑坡中部和后緣處于蠕動變形階段，累計變形量較小，變形范圍為±10 mm。滑坡前緣累計監測變形持續增加，最大監測位移出現在3.5 m深處，為30 mm，前緣先于后緣變形，說明該滑坡為牽引式滑坡。

由圖2～4可知：4-4剖面處滑坡活動明顯較為劇烈，剖面前緣處于穩定狀態，后緣12.5 m深處出現最大80 mm的垂直路線方向位移，且剖面中部一直處于變形擠壓階段，累計變形量仍有增長趨勢。監測數據確定滑坡后緣經一次大的變形后，下滑趨勢逐漸減弱。

結合兩斷面監測數據可知：4-4剖面滑坡活動較為劇烈，滑面深度為9.0～12.5 m，滑坡性質屬牽引式滑坡。由監測數據推斷出的滑面位置如圖5所示。

2 數值模擬

2.1模型建立

計算模型選取滑坡4-4剖面，采用ANSYS軟件生成FLAC3D識別的模型單元文件和節點文件。為精確計算，對研究滑坡滑動帶進行網格細分，模型長285 m，寬30 m，高度為140 m。邊界條件為下部固定約束，左右兩側法向約束，上部為自由邊界。所建模型如圖6所示。

2.2 參數選取

結合原位試驗數據以及位移監測數據，獲得模型巖土體參數，如表1所示。

2.3 計算結果分析

數值模擬位移計算值與監測位移結果對比如表2所示。

對比4-4剖面滑帶處實際監測位移與數值模擬計算值，ZK2處實際監測位移值為20 mm，數值計算值為27 mm;ZK3處實際監測值為8 mm，數值計算值為22 mm;ZK4處實際監測值為32 mm，數值計算值為37 mm。其中ZK3處計算值誤差較大，為14 mm，但并未影響滑坡整體趨勢。數值計算得到的穩定系數為1.02，勘查資料給出的該滑坡天然工況下穩定系數為1.05。由《滑坡防治工程勘察規范》（DZT0218-2006）判斷滑坡處于欠穩定狀態。

數值計算結果與實際監測值基本吻合，即數值計算結果可反映邊坡實際情況。

2.4 天然工況模擬結果分析

通過數值模擬，得到該滑坡天然工況下穩定性相關結果，如圖7所示。

圖7為天然工況下滑坡穩定性分析結果圖，計算所得滑坡穩定系數為1.02，滑坡處于欠穩定狀況，分析X方向位移云圖（即垂直路線方向），滑帶處位移量與三個監測孔處位移量大致吻合，但位移云圖并未顯示出明顯的滑帶位置，說明天然工況下滑坡變形并不劇烈，符合滑面尚處于欠穩定狀態的實際狀況。

由剪應變增量圖可以看出：研究滑坡以監測孔ZK2所處的滑坡中部為分界，最大剪應變增量分布并不連續，自滑坡前緣至后緣呈現出先降低后增大的變化規律（整體剪應變增量最大值并未貫穿整個坡體）。剪應變增量最大值分布于滑坡前緣，說明該區域變形速度最大，坡體易沿此區域發生破壞，由模擬結果判斷坡體存在三種破壞形式：（1）滑體前-中-后三個區域滑帶出現連通之后發生整體滑動;（2）前部滑體以ZK2處塹頂為滑坡后壁，形成次級滑坡;（3）上部滑坡整體從ZK3監測孔上部平臺剪出，形成上部滑坡。并未貫通整個坡體的最大剪應變增量分布表明，坡體在該工況下尚未發生整體下滑，對應滑坡處于欠穩定狀態。

塑性區模擬結果可知：滑坡前、后部下部滑帶為正在發生剪切部分，上部滑體多為過去剪切部分。滑坡后緣為過去發生剪切滑體，該部分位于正在發生剪切變形的滑帶上，有向下滑動的先決條件。受后緣滑體擠壓，中部滑體可分為上下兩層，其中下層部分（長約90 m）為過去剪切-過去張拉帶，其將正在剪切-正在張拉帶分隔為前后兩段，上部為正在發生剪切變形的坡體，占據了滑體1/4體積，說明中部滑體正在發生剪切變形的部分逐步上移，中部滑帶部分不再發生剪切破壞，由剪切帶向抗滑帶演變。

由分析結果可知：天然工況下研究滑坡有三種破壞形式，即整體下滑、上部剪出下滑和次級前緣滑坡下滑。塑性區顯示雖然整體下滑趨勢并不明顯，但滑坡中部抗滑段滑體受到明顯擠壓，滑坡穩定系數為1.02，滑坡處于欠穩定狀態。

2.5 暴雨工況結果分析

該滑坡滑面由泥質粉砂巖與泥巖交界處的軟弱帶組成，滑床部分為風化程度較低的泥質粉砂巖，經暴雨浸濕后滑帶強度降低，依據實際情況對泥巖和含礫粉質黏土參數做出調整。暴雨工況下滑坡數值計算結果如圖8所示。

通過暴雨工況下的計算結果可知，垂直路線方向位移最大值出現在坡體前緣，整個坡體被滑帶貫穿，滑體內部整體位移變化趨勢呈現出前緣變形大于后緣變形的情況，前緣位移增長速率大于后緣增長速率。滑帶處平均位移量為4～5 cm，相比天然工況下坡體前緣監測孔ZK4位移處（變形量為26 mm），其量值增長了一倍。說明受雨水的影響，滑帶處變形量顯著上升，滑坡整體位移變形由天然工況的前緣大-中部小-后緣大轉變為前緣最大-中部小-后緣最小的變化規律。位移量與位移分布規律的變化均顯示滑帶連續，滑坡由不穩定狀態向欠穩定狀態過度。

對比圖8（c）與圖7（c），由于滑帶土受雨水影響，滑體內正在剪切-過去剪切部位向下延伸至滑帶區域處，與滑床相接，逐漸取代了原有的過去發生剪切-過去發生張拉部位，原本占滑帶部位約90 m的過去剪切-過去張拉段縮減為20 m。相比之下正在剪切-過去剪切和正在剪切-過去剪切-過去張拉兩部分總共占據了整個坡體的3/5，且從滑坡中部向兩端不斷延伸。

受降雨影響，滑坡前緣位移值增長了一倍，原本并不連貫的滑帶發生連貫，最易發生剪切破壞的區域已貫穿整個坡體。整個坡體有3/5處于正在剪切變形階段，該部分集中分布于滑帶中部，仍不斷向滑坡前緣延伸，表明坡體中部應力環境已經由天然工況下的擠壓剪切階段逐步過渡到純剪切階段，即實際中由蠕滑階段向劇滑階段過渡。經計算滑坡穩定系數為0.96，相比天然工況穩定系數降低5.8%，由欠穩定狀況轉變為不穩定狀態。

3 結語

本文借助FLAC3D軟件，反演分析并對比滑坡天然工況與數值模擬的結果，得到了暴雨工況下滑坡所處的狀況，通過分析垂直路線方向位移云圖、最大剪應變增量云圖和塑性區分布，得到各工況下位移變化規律和剪應變增量變化規律，并計算不同工況下穩定系數。通過上述研究工作，可以得到以下結論：

（1）通過分析監測資料，4-4剖面后緣經過一次大的變形后，滑坡中部處于擠壓變形階段。監測數據揭露出的滑面位置分布于泥巖與粉質泥砂巖交界的軟弱夾層處，該軟弱夾層強度低，浸水易軟化，滑體極易沿著該交界面發生滑動，確定出滑面深度為9.0～12.5 m。

（2）天然工況下，滑體內部滑帶并未貫穿整個滑體，滑坡穩定系數為1.02，存在三種破壞形式：①滑帶貫通后，滑體整體滑動;②前部滑體以ZK2處塹頂為滑坡后壁，形成次級滑坡;③上部滑坡整體從ZK2監測孔上部平臺剪出，形成上部滑坡。

（3）暴雨工況下，穩定系數為0.96，相比天然工況穩定系數降低5.8%，滑坡由欠穩定狀況轉變為不穩定狀態。監測數據與數值計算值對比結果顯示，滑坡模型的建立是成功的，模擬計算得到的結果可以反映出滑坡所處的實際狀況。

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