基于不平衡推力法和強度折減法的滑坡穩定性研究

劉新華， 張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

中國國土面積的69.1%由山區組成，在山區修建公路或者鐵路時，往往會遭遇危及人民生命財產安全的滑坡災害[1-2]。在施工過程中，由于開挖深路塹極易擾動滑坡體，因此目前大多采用開挖隧道的方式來通過滑坡地段。施工的擾動對滑坡有很大的影響，因此關于隧道對滑坡影響規律的研究是必要的。

目前已有一定的研究基礎：郭松[3]以柴家坡隧道為例，研究了隧道及滑坡的變形機理及相互作用，并提出了相應整治措施。王國欣等[4]綜合地質條件、施工情況和監控量測結果，認為滑坡的產生主要和地質、水文及人為因素有關。周德培、張魯新等[5-6]綜合東榮河蠕動性滑坡的現場勘測、滑坡檢測和室內試驗結果，研究了滑坡成因和隧道變形機理及特征，并輔以模型試驗進行驗證其準確性，為該類型滑坡體的隧道病害防治措施提供了理論依據。毛堅強等[7]以某一建于滑坡中的隧道為例，將滑動面視為接觸邊界，應用接觸問題的有限元算法研究滑坡隧道的受力變形特征。陶志平等[8]通過室內模型試驗研究了滑坡與隧道的相互作用機理和隧道變形規律，為滑坡隧道變形問題提供了依據。陳守義[9]對滑坡地段開展了室內地質力學模型試驗，研究了坡體-隧道的相互作用機理和變形特征。吳紅剛等[10]將隧道-滑坡體體系依據隧道與滑動面的相對空間位置分類為平行、正交、斜交3種，并研究了不同體系受力變形模式。

可見，針對滑坡產生、發展、防治措施，當下國內外學者作了大量研究，但大多主要考慮隧道力學響應，而針對隧道施工對坡體穩定性影響的研究卻不多。因此本文基于不平衡推力法和有限元強度折減法深入研究不同位置的隧道開挖擾動對滑坡的影響規律，給類似工程提供了參考。

1 工程背景

該滑坡為川藏鐵路沿線上的深層牽引式巖質古滑坡，坡體幾何參數見表1。

表1 滑坡體幾何參數

其平面圖和3D實體效果見圖1。

圖1 滑坡平面圖和三維實體效果圖

2 不平衡推力法分析滑坡穩定性

由于該滑坡各點傾角相差較小，滑坡面可近似當做折線形滑坡面，針對折線形條件下的滑坡穩定性分析，本次采用不平衡推力法，也稱為傳遞系數法或剩余推力法,其假定條件為：計算時單個土條寬度取作1 m，土條間的條間合力平行于上一塊土條的底面。

2.1 滑塊劃分及計算結果

以滑面和地表坡度的變化為依據，將坡體分為26個滑塊，塊細分圖和計算結果如圖2、表2所示。

表2 滑塊細分計算結果

圖2 滑動主軸斷面細分滑塊

其中，S為面積(m2)，φ為傾角(°)，L為長度(m)，Ri為抗力(kN/m)，Ti為滑力(kN/m)，Ri-Ti為合力(kN/m)，Ri/L、Ti/L、(Ri-Ti/)L分別為均布抗力、均布滑力和均布合力(kN/m2)。

2.2 結果分析

2～8號滑塊抗力較大，視為抗力主要提供區域，其中6號滑塊的均布抗力最大，為944.06 kPa。4～9號滑塊滑力較大，視為滑力主要提供區域，其中7號滑塊的均布滑力最大，為723.93 kPa。

可以由計算結果劃分滑動段和抗滑段，其中 1～7號和8～11號區域分別主抗滑段和主滑段； 12～22號和23～26號區域分別為抗滑段和滑動段。在上述4個區域中的控制點分別為2、8、14、23號滑塊，因此數值模擬時取隧道位置分別位與這4個滑塊下，滑動帶與隧道拱頂間的距離取為1.5倍隧道洞徑(1.5D)。

3 有限元強度折減法分析滑坡穩定性

3.1 模型參數

基于上述研究，此次數值模擬考慮隧道位置位于2、8、14、23滑塊下的4種情況，滑塊底部到隧道的距離為1.5D，圍巖取V級圍巖。模型網格參見圖3～圖6，滑坡體與基巖之間有一滑動帶。

圖3 隧道位于2號區域下1.5D位置

圖4 隧道位于8號區域下1.5D位置

圖5 隧道位于14號區域下1.5D位置

結合地勘資料和JTG D70-2004《公路隧道設計規范》，模型參數見表3～表5。

表3 圍巖計算力學參數

表4 初期支護計算力學參數

表5 滑坡體帶計算力學參數

3.2 計算結果

塑性區是判斷滑坡滑動破壞的主要依據之一，所以需要對滑體的塑性狀態進行評價分析。圖7、圖8反映滑坡的穩定性狀態，其中左圖為各工況下(隧道處于不同位置)，隧道開挖后的狀態，右圖為各工況下抗剪系數折減達到失穩臨界狀態，根據以下模擬結果，對兩時刻的滑體塑性狀態變化規律進行分析。

圖7 Ⅴ級基巖中擾動位于不同位置時的等效塑性應力云圖

圖8 Ⅴ級基巖中擾動位于不同位置時的等效塑性區云圖

3.2.1 等效塑性應力分析

滑體危險區域可由等效塑性應力圖反映，可與不平衡推力法分析得出的滑體各區段特征進行比較。根據不平衡推力法分析中的結論，主抗滑段為1～7號區域； 主滑段為8～11號區域；12～22號區域和23～26號分別為抗滑段和滑動段。由有限元計算云圖可以看出等效塑性應力范圍位于上述4個區域的交匯處，并且最大數值位于抗滑段和主滑段之間。對比可知不平衡推力法與采用數值模擬計算結果一致。

3.2.2 等效塑性應變區分析

對于滑體塑性應變區，Ⅴ級基巖的情況下，隧道開挖后滑體塑性應變區范圍和量值按從大到小排序依次為8號、23號、2號、14號滑塊區域。表明在8號區域下修建隧道時，最為危險，在14號區域下修建隧道，較為安全。

坡體前緣最先進入不穩定狀態，對整體穩定性的影響最大，為主要危險區域。可通過對前緣區域施作擋土墻等加固措施提高坡體穩定性。

4 結論

基于不平衡推力法和有限元強度折減法2種方法的計算和模擬，對比分析得到結論，可為類似工程提供參考：

(1)極限平衡法和數值模擬對于抗滑段和滑動段的計算結果是一致的，這在一定程度上驗證了數值模擬的合理性。

(2) 從滑體塑性應變情況可以得出，在8號區域下修建隧道時是最為危險的，而在14號區域下修建隧道較為安全。

(3) 滑坡體前緣為主要危險區域，其變形過大會導致整體失穩，對前緣區域加固可有效提高坡體穩定性。