復雜不良地質條件下邊坡三維穩定性分析方法

作者簡介：陳 攀（1994—），碩士，工程師，主要從事邊坡穩定性分析研究工作。

摘要：文章結合西北地區銀西高鐵線路穿越的一處邊坡工程，采用fish語言編寫的強度折減法，模擬高鐵線路穿越黃土滑坡地層時復雜地質條件下的邊坡穩定性。分析表明，隨著強度參數的逐漸降低，有不止一個滑動方向的邊坡較陡側率先發生滑動，隨著粘聚力的不斷降低，較緩側也逐漸發生塑性滑移。研究可為選擇合理的黃土邊坡抗滑加固措施提供理論依據。

關鍵詞：滑坡；三維分析方法；強度參數

中圖分類號：U416.1+4A110353

0 引言

我國黃土廣泛分布在西北、華北和東北地區，尤其集中分布在被稱為中央黃土高原的陜西、甘肅、山西及寧夏等省區^［1］。但黃土地區的滑坡地質災害和邊坡失穩事故卻占全國類似災害的近1/3^［2-3］。銀西高速鐵路東起陜西省西安市，向西北方向延伸至寧夏回族自治區銀川市，全長約600 km，時速350 km，全程被黃土層覆蓋^［4］。

邊坡滑坡是一種常見的地質災害，具有極大的危害性，尤其是在黃土地區修建機場，高邊坡更容易發生滑坡現象，因此如何預測、防范滑坡現象的發生至關重要^［5］。目前，主要通過計算安全系數來評價邊坡的穩定性，但實際的自然邊坡基本上呈三維形態分布，因此二維的邊坡滑動分析只是一種近似的分析方法^［6］。大多數滑坡體的三維效應非常顯著，采用二維分析會產生較大的誤差，不能真實反映滑坡體的滑動狀態，若一個斜坡存在幾個不同的滑動方向，如果只用二維分析則不夠全面。近年來，基于強度折減法的快速拉格朗日分析法逐漸在工程中得到應用^［7-8］，為解決這一問題提供了新的途徑。本文采用fish語言編寫的強度折減法，模擬高鐵線路穿越黃土滑坡地層時復雜地質條件下的邊坡穩定性，以期為選擇合理的黃土邊坡抗滑加固措施提供理論依據，并為黃土地區的基礎建設提供指導依據。

1 滑坡的成因分析

1.1 滑坡概況

本文計算的邊坡位于甘肅省慶陽市寧縣早勝鎮，屬于典型的黃土梁塬溝壑區，溝壑縱橫、沖溝侵蝕強烈。該區域地面高程為995～1 250 m，相對高差約為255 m，北高南低，溝梁相間，沖溝下切較深，多呈“V”字形，兩岸邊坡高陡，局部發育滑坡、錯落、溜坍和黃土陷穴等不良地質現象。高鐵線路以填方

形式穿過滑坡側緣，滑坡主軸方向為N，主軸長125 m，寬約125 m，厚約8～10 m，滑坡體土質為黏質黃土。

1.2 滑坡及沖溝形成的原因

寧縣地處我國最大的黃土塬區——董志塬南緣，區域年降水量為546.5 mm，且主要集中在7～9月，占年降水量的58.5%，單次降雨連續時間長達11 d。由于長時間的降水，導致水流沿著低洼的陡坡逐漸形成地表徑流，徑流自山梁頂部沿著坡面流入溝底的過程中，水流逐漸滲進坡體內部，水沿著坡內黃土裂隙下滲，導致坡內形成軟弱結構面。受降水浸濕影響，坡體內部沿著某一滑面土的結構性逐漸衰減，抗剪強度降低，在下滑力的作用下自山梁頂部發生一次滑動。滑坡發生后，滑體向兩側形成破碎帶，水流對兩側破碎圍巖產生沖刷，經過長期侵蝕作用，逐漸形成小型溝壑。遇到降雨，雨水繼續對溝頭沖刷、下切，側向侵蝕，最終形成比較大的沖溝。

在第一次滑動面形成后，坡體內部形成滑動剪切破碎帶，位于滑動帶土的強度降低，結構性逐漸衰減，顆粒間的膠結作用減弱，粘聚力下降。在一段時間內，滑坡體重新形成新的平衡，但滑帶土的強度逐漸恢復，始終小于未滑動土體的強度。由于第一次滑動也會導致坡體產生裂縫，雨水沿著裂縫灌入到坡體內部，使得邊坡產生了二次滑動。

2 地質模型的建立與模擬方法

2.1 地質模型

本文根據實際地形圖建立三維地質模型，1∶1還原滑坡全貌，計算原場地的滑坡穩定。建模采用Rhinoceros 5與Kubrix自動剖分軟件，生成FLAC 3D軟件能識別的*.FLAC 3D文件，然后再讀入到FLAC 3D快速有限差分軟件中。根據已知地形剖面圖和土層分布情況，建立三維地質模型。模型尺寸大小為250 m×440 m，網格均采用三角形網格，如下頁圖1所示。共剖分51 852個節點，273 025個三角形單元。土性參數根據地質勘查報告給出，如下頁表1所示。

2.2 邊坡穩定性模擬方法

邊坡穩定性求解采用fish語言編寫的強度折減法。強度折減法的基本原理是將材料的強度參數c和tanφ值同時除以一個折減系數Fs，得到一組新的c’和φ’值，然后將其作為新的材料參數進行計算。通過不斷增加折減系數Fs，反復計算直至達到臨界破壞，此時得到的折減系數即為安全系數。

計算邊界兩端設置水平向約束，底部設置豎向約束，坡面自由。計算分為兩步進行：（1）計算在重力作用下，彈性狀態下的應力和變形作為初始狀態；（2）將位移場和速度場清零，計算滑動面在塑性狀態下的變形和發展過程。

3 滑坡穩定性分析

根據現有資料分析，3^#隧道滑坡目前基本處于穩定狀態，沒有明顯滑動跡象，但由于在已有的古滑坡和二次滑動的基礎上，滑動剪切帶中的土體抗剪強度降低，結構性減弱，后期還有滑動的可能性，所以進行參數折減計算，為滑坡演變做好準備是必要的。根據地質調查結論，3^#滑坡地形復雜，滑動方向不唯一，存在兩個滑動方向，三維效應明顯。

滑坡三維穩定分析評價采用強度折減法的概念，通過逐漸降低土體抗剪強度參數，使得滑動面塑性區逐漸擴展。當滑動面塑性區自坡底向坡頂逐漸貫通時，滑坡體處于極限穩定狀態，此時的安全系數為1，相應的強度參數即為極限平衡狀態時的強度參數。計算模型采用理想彈塑性本構模型。

3.1 主滑方向滑坡穩定性分析

圖2和圖3分別展示了在粘聚力為16.8 kPa的情況下，內摩擦角分別為25°、22°、19°、16°時滑坡主滑方向的剪應變云圖和位移云圖。從圖2～3可以看出，隨著粘聚力的逐漸降低，塑性區逐漸發展，最終沿著滑床貫通至地表。

3.2 沖溝一側滑坡穩定性分析

圖4展示了由于侵蝕和下切，造成沖溝一側發育成陡坡，隨著粘聚力的減小，塑性區逐漸擴大。由圖4可知，當粘聚力為16.3 kPa、內摩擦角為25°時，塑性區已經貫通至地表，滑體沿著沖溝一側發生塑性滑移；當內摩擦角為19°時，右側斜坡也發生了相對塑性滑移。

3.3 滑坡三維整體穩定性分析

由前文分析可知，當內摩擦角較大時，由于沖溝一側侵蝕較嚴重，山大溝深，形成的斜坡較陡，會先發生滑動;隨著內摩擦角的逐漸減小，沿y方向的滑坡塑性區逐漸擴展，坡體逐漸發生塑性滑移。這一結果表明，滑坡計算的三維模型兼顧了兩個滑動方向，能夠反映滑坡體的真實滑動狀態。

4 結語

在滑坡穩定性評價與防治工程設計中，滑坡體的穩定性至關重要。本文采用降低強度參數的方法，計算了滑坡在三維極限平衡分析中的塑性區的真實發展狀態，克服了二維計算只能計算單一滑動方向的缺陷。根據分析得出以下結論：

（1）通過滑坡塑性區的發展分析，可知采用FLAC 3D程序中fish語言編寫的強度折減法分析邊坡的穩定性是可行的。

（2）隨著強度參數逐漸降低，有不止一個滑動方向的滑坡較陡側率先發生滑動，隨著粘聚力的降低，較緩側也逐漸發生塑性滑移。

（3）穩定的滑坡體受到降雨或者施工擾動導致抗剪強度參數降低，可能引起滑坡的發生。

參考文獻

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