基于GEO-SLOPE軟件對滑坡的穩(wěn)定性分析

校小娥

(北京城建勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

地震滑坡是地質(zhì)災(zāi)害中的次生災(zāi)害。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，所誘發(fā)的滑坡、崩塌、泥石流等次生災(zāi)害非常嚴(yán)重，比地震直接造成的危害程度要大得多。在對八浪溝滑坡進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，運(yùn)用GEO-SLOPE模擬軟件的SLOPE/W模塊，采用擬靜力法與動(dòng)力有限元相結(jié)合的方法，以地震加速度作為反映地震荷載的主要因素，基于有限元理論，開展了地震作用下滑坡的動(dòng)力學(xué)分析，分析滑坡穩(wěn)定性。用QUAKE/W模塊分析軟件進(jìn)行求解，研究地震力和滑坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系，對地震動(dòng)荷載作用下滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析;評價(jià)滑坡的穩(wěn)定性現(xiàn)狀。應(yīng)用二維數(shù)值模擬軟件對地震滑坡體進(jìn)行數(shù)值模擬，輸入不同加速度峰值，分析地震動(dòng)荷載作用下的剪應(yīng)變增量和位移分布特征。從穩(wěn)定性、變形特征及應(yīng)力場三方面分析了滑坡的穩(wěn)定性。

1 滑坡形態(tài)特征

通過本次勘查，八浪溝滑坡長約1 000 m，寬約560 m，厚23～55 m，為規(guī)模巨大的巖質(zhì)順層老滑坡?；麦w主要物質(zhì)為巖體順層滑動(dòng)而形成的黃褐、褐灰色，中密、潮濕的塊石土，表層有少量的褐黃色、黃灰色的粉質(zhì)黏土?；w厚度在縱橫方向變化大，但滑坡物質(zhì)組成一致。據(jù)鉆探和探井揭露，滑床為三疊系中統(tǒng)(T2a)砂巖夾板巖、灰?guī)r。

2 計(jì)算模型及參數(shù)的選取

1)網(wǎng)格劃分:簡化后的計(jì)算模型如圖1(a)所示。根據(jù)該軟件特點(diǎn)，潛在滑面也需人為確定其后緣拉裂邊界及前緣剪出口位置，圖中箭頭所示的就是可能潛在滑動(dòng)面形成時(shí)，后緣拉裂部位及其剪出口位置。在有限元計(jì)算中，為了真實(shí)模擬幾何狀態(tài)，使網(wǎng)格劃分密度滿足計(jì)算的精度要求并節(jié)約計(jì)算時(shí)間，通常對單元網(wǎng)格按6節(jié)點(diǎn)三角形二次單元進(jìn)行劃分。

2)邊界條件:由于所取數(shù)值模型受周邊巖體的約束，故模型采用位移約束邊界。底部和左邊界約束X、Y兩個(gè)方向的位移，右邊界只約束Y方向的位移，坡面無約束，為自由平面。其中X方向朝坡面臨空方向?yàn)檎方向與重力方向相反為正。

3)屈服準(zhǔn)則:采用理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。

圖1 八浪溝滑坡

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 最危險(xiǎn)潛在滑面穩(wěn)定性分析

滑坡體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，共分為3層，4個(gè)區(qū)域。天然狀態(tài)下最危險(xiǎn)滑面發(fā)生在坡腳地形轉(zhuǎn)折端處(見圖1(b))，滑面底界處于塊石土及黏土層中。根據(jù)Morgenstern-Price(摩根斯坦)、Janbu(簡布)和 Bishop(畢肖普)三種不同方法得出最危險(xiǎn)滑面的穩(wěn)定系數(shù)(或安全系數(shù))分別為 1.280、1.255和1.285，即天然邊坡處于較高的穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 地震荷載下的滑坡穩(wěn)定性及應(yīng)力、應(yīng)變分析

1)擬靜力法分析地震動(dòng)荷載下模型的建立及最危險(xiǎn)潛在滑面相應(yīng)的安全系數(shù)，見圖2。

2)動(dòng)力有限元法分析地震動(dòng)荷載下的安全系數(shù)時(shí)程曲線，見圖3。

3)動(dòng)荷載作用下穩(wěn)定性結(jié)果分析如表1。

圖2 地震動(dòng)荷載作用后最危險(xiǎn)潛在滑面及相應(yīng)安全系數(shù)

圖3 地震動(dòng)荷載作用后安全系數(shù)時(shí)程曲線

表1 八浪溝滑坡安全系數(shù)

由于地震動(dòng)的綜合作用極其復(fù)雜，本文的計(jì)算過程中對地震動(dòng)影響邊坡穩(wěn)定性的作用采取了比較簡化的方式，可能會(huì)使分析結(jié)果與實(shí)際地震作用下這些邊坡的穩(wěn)定性及其失穩(wěn)過程有所差異。

由表1可以看出，隨著地震動(dòng)峰值加速度的增大邊坡穩(wěn)定性逐漸降低。較小地震動(dòng)作用下，當(dāng)加速度峰值為0.10 g的地震動(dòng)荷載作用后，擬靜力法得出安全系數(shù)在1.125～1.132之間，動(dòng)力有限元法分析結(jié)果其最低安全系數(shù)在1.093左右。邊坡的安全系數(shù)雖有所降低，此時(shí)邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)?shù)卣饎?dòng)強(qiáng)度稍大時(shí)，滑坡在加速度峰值為0.15 g的地震動(dòng)荷載作用后，邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)一步削弱，滑坡安全系數(shù)降低為1.095～1.101之間左右。動(dòng)力有限元法分析結(jié)果其最低安全系數(shù)在1.022左右，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)加速度峰值為0.2 g時(shí)，擬靜力法得出安全系數(shù)在0.932～0.939之間，動(dòng)力有限元法得到滑坡的最低安全系數(shù)降至0.865。這表明地震動(dòng)荷載作用下邊坡的穩(wěn)定性將大幅度減弱，邊坡可能會(huì)失穩(wěn)，因此在邊坡設(shè)計(jì)中必須考慮地震作用的影響。滑坡在大震作用下，加速度峰值為0.4 g時(shí)，擬靜力法分析結(jié)果其安全系數(shù)在0.759～0.766之間，動(dòng)力有限元法分析其最低安全系數(shù)平均值為0.657，邊坡已經(jīng)失穩(wěn)。

4 結(jié)論

地震動(dòng)荷載作用下的位移、應(yīng)力和剪應(yīng)變增量分布特征經(jīng)分析，從理論上很好地解釋了邊坡從靜態(tài)進(jìn)入動(dòng)態(tài)所發(fā)生的巨大變化。充分說明地震發(fā)生瞬間對邊坡穩(wěn)定性的影響極大，主要結(jié)論如下:

1)與地震前的天然狀態(tài)相比，邊坡在加速度峰值為0.1 g的地震動(dòng)荷載作用下，最大水平位移出現(xiàn)在坡體上部堆積體，為6.25 cm;水平總應(yīng)力表現(xiàn)沿坡體深度呈明顯增大趨勢，但局部不均勻，基覆界面處水平應(yīng)力最大值為0.3～0.7 MPa。分析剪應(yīng)力模型，滑坡體基覆界面處的最大剪應(yīng)力為0.6 MPa，比天然狀態(tài)下最大值增加0.2 MPa。相應(yīng)剪應(yīng)變主要發(fā)生在滑坡體后緣下部，滑帶塊石土與基巖交界內(nèi)。最大剪應(yīng)變值為2.45E-3，在此地震動(dòng)荷載作用下，八浪滑坡整體上處于較高的穩(wěn)定狀態(tài)。

2)在加速度峰值為0.15 g的地震動(dòng)荷載作用下，水平位移主要發(fā)生在滑體表層及滑動(dòng)前緣臨空面附近，滑坡后緣基巖部位變形不明顯，坡體表層覆蓋物出現(xiàn)最大水平位移為13.07 cm。隨著峰值加速度的增加，地震時(shí)堆積體水平應(yīng)力總體表現(xiàn)沿坡體深度呈明顯增大趨勢，但局部不均勻。水平總應(yīng)力最大值出現(xiàn)在基覆界面處，數(shù)值為0.5～0.9 MPa;而坡體剪應(yīng)力也受地震影響，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在滑坡體后緣下部，滑帶塊石土與基巖交界內(nèi)，數(shù)值為0.7 MPa。一條剪應(yīng)變集中帶已明顯可見，但剪應(yīng)變僅出現(xiàn)在滑坡體后緣及坡腳處，且擴(kuò)展范圍較小，最大剪應(yīng)變值為3.6812E-3。由此可見，在此地震動(dòng)荷載作用下，八浪滑坡整體上還處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但局部不穩(wěn)定，即淺表層堆積物有滑落的可能性。

3)在加速度峰值為0.2 g的地震動(dòng)荷載作用下，隨著峰值加速度的增加，水平位移呈明顯上升，最大水平位移為28.01 cm，也主要發(fā)生在滑體表層及滑動(dòng)前緣臨空面附近。堆積體存在朝坡外整體滑動(dòng)趨勢，而前緣臨空面附近發(fā)生滑坡的可能性最大。此部分堆積體在地震動(dòng)荷載作用下，剪應(yīng)力隨著地震動(dòng)加速度的增加其量值也逐漸增加。剪應(yīng)變集中帶已經(jīng)自上而下貫通至中部，坡腳處剪應(yīng)變向上延伸，最大剪應(yīng)變也達(dá)到6.743E-3。上部堆積體的水平應(yīng)力與剪應(yīng)力均變化明顯，都有增大趨勢，水平總應(yīng)力最大值出現(xiàn)在基覆界面處，為0.8～1.0 MPa;坡體剪應(yīng)力值增大為0.9 MPa。由此可見，在此強(qiáng)度的地震動(dòng)荷載作用下，滑坡上部堆積體邊坡有發(fā)生局部失穩(wěn)的可能性，即滑體有整體向坡外滑動(dòng)的趨勢，并以此初步確定滑動(dòng)面的范圍。

4)當(dāng)?shù)卣饎?dòng)荷載達(dá)到峰值0.4 g時(shí)，堆積體中剪應(yīng)變集中帶沿基巖面整個(gè)貫通，最大剪應(yīng)變也達(dá)到了1.34851E-2。水平方向的殘余位移局部也已經(jīng)達(dá)到了74.69 cm左右，剪應(yīng)變集中帶部位剪應(yīng)力值已達(dá)1 MPa。由此可見，八浪溝滑坡高程3 000 m以下部分堆積體將發(fā)生整體滑動(dòng)，失穩(wěn)模式是后緣先發(fā)生破壞、沿基巖面的整體失穩(wěn)。

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