邱煜珩，舒中潘,張 軍,任占強(qiáng)

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 611756;2.四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司,四川成都 610072)

滑坡是我國(guó)山區(qū)常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害之一。依照滑坡的變形破壞模式不同，可將滑坡分為牽引式與推移式兩類。前者主要發(fā)生自下而上的變形，表現(xiàn)為后退式漸進(jìn)破壞；而后者主要發(fā)生自上而下的變形，表現(xiàn)為前進(jìn)式漸進(jìn)破壞[1]。不同變形破壞模式的滑坡在危害程度和治理方式上均存在顯著差異。

目前在工程上對(duì)滑坡的變形破壞模式及穩(wěn)定性的分析主要基于現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，選取特征剖面采用極限平衡法計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行判定，是目前工程界普遍采用的分析方法。但極限平衡條分法在計(jì)算原理上對(duì)滑坡體進(jìn)行了諸多簡(jiǎn)化，將滑坡巖土體假定為剛性，難以反映滑體內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變特征，穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算亦偏于保守，易造成治理工程的浪費(fèi)。為此，諸多學(xué)者[2-4]采用多種有限元數(shù)值模擬軟件(FLAC 3D、Plaxis、Ansys等)對(duì)滑坡的變形破壞模式及其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。有限元數(shù)值模擬方法主要的優(yōu)勢(shì)在于，能夠分析滑坡變形破壞過(guò)程中的滑體運(yùn)動(dòng)特征及應(yīng)力-應(yīng)變分布特征，確定滑坡變形破壞模式，并可以求解較為符合真實(shí)情況的穩(wěn)定系數(shù)，減少治理費(fèi)用。

本文以四川省某覆蓋層土質(zhì)滑坡作為研究對(duì)象，建立滑坡三維地質(zhì)模型。并基于有限差分軟件FLAC 3D，分別對(duì)處于天然、暴雨?duì)顟B(tài)下滑坡的變形特征及穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行研究，最后與工程上常用的極限平衡條分法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，為類似工程的分析及防治提供參考。

1 工程概況

滑坡地處四川省邛崍市天臺(tái)山鎮(zhèn)紫荊村，屬構(gòu)造侵蝕中山區(qū)地貌類型，前后緣相對(duì)高差為120 m。滑坡主滑方向?yàn)?0 °，總體積約為23.8×104m3，為中型覆蓋層土質(zhì)滑坡?；聟^(qū)介于兩側(cè)山脊之間，與兩側(cè)山脊一起構(gòu)成槽型匯水地形。

滑坡上覆土體為第四系全新統(tǒng)崩坡積物(Q4col+dl)，主要為碎塊石土?；w兩側(cè)土體較薄，約9 m，中部土體較厚，約15 m?；瑤翞榉圪|(zhì)黏土，厚度約0.3 m。下伏基巖為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組(Jp)泥巖夾砂巖。

2 三維地質(zhì)模型及邊界條件

滑坡為覆蓋層土質(zhì)滑坡，故本文將滑坡三維地質(zhì)模型分為三部分：覆蓋層土體、滑體及下伏基巖。模型長(zhǎng)473 m，寬240 m，高230 m。包含339 367個(gè)單元，61 710個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型示意圖如圖1所示。

圖1 滑坡計(jì)算模型

模型底部邊界固定x、y、z方向速度約束；前后邊界固定x方向速度約束；兩側(cè)邊界固定y方向速度約束；地表自由。

3 分析工況與參數(shù)選取

滑坡區(qū)雨量充沛且為一槽型匯水地形，常年受降雨影響，滑體土與滑帶土物理力學(xué)性質(zhì)弱化。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果，滑坡發(fā)生明顯變形前曾連續(xù)多日降雨，致使滑體后緣發(fā)生局部滑塌，前緣發(fā)育多條鼓脹裂縫。表明滑坡穩(wěn)定性主要受降雨影響。故本文主要對(duì)滑坡天然和暴雨?duì)顟B(tài)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，由室內(nèi)試驗(yàn)得知滑體基覆界面處滑帶土物理力學(xué)性質(zhì)與滑體土相差較大，考慮滑帶土厚度相對(duì)于模型尺寸較薄，在基覆界面處設(shè)置分界面，賦以滑帶土物理力學(xué)參數(shù)，以分析滑體土與滑帶土共同作用下的滑坡穩(wěn)定性。

為優(yōu)化計(jì)算速度，對(duì)于天然、暴雨兩種狀態(tài)的分析采用了擬動(dòng)力分析方法[5]，即分析滑體土與滑帶土受降雨作用重度增至飽和狀態(tài)和抗剪強(qiáng)度降低引起的滑坡變形破壞。主要參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

4 基于FLAC 3D的滑坡變形破壞模式及穩(wěn)定性分析

本節(jié)主要結(jié)合滑坡位移、最大剪應(yīng)變?cè)隽?、塑性區(qū)及穩(wěn)定系數(shù)綜合分析滑坡的變形破壞模式以及不同狀態(tài)的穩(wěn)定性。

4.1 滑坡位移特征

天然狀態(tài)滑體位移特征如圖2所示。滑體主要發(fā)生變形破壞位置位于中上部。受滑坡區(qū)地形地貌影響，滑體上部左右兩側(cè)坡體變形大于中間坡體。位移量值最大處位于右側(cè)坡體后緣，約為0.08 m?；挛灰蒲刂骰较蛭灰蒲杆偎p。

圖2 天然狀態(tài)滑坡總位移云圖

暴雨?duì)顟B(tài)滑體位移特征如圖3所示?；掳l(fā)生整體變形破壞?；w上部橫向變形規(guī)律與天然狀態(tài)相同，位移最大值為0.61 m，約為天然狀態(tài)的8倍；而中下部橫向變形則較為均勻。這是由于滑體上部負(fù)地形特征明顯；而滑體中下部?jī)蓚?cè)坡體與中間區(qū)域高差并不大?；挛灰茢U(kuò)展至前緣，位移值約為0.11 m。

圖3 暴雨?duì)顟B(tài)滑坡總位移云圖

4.2 滑坡應(yīng)力-應(yīng)變特征

4.2.1 最大剪應(yīng)變?cè)隽?/p>

滑坡最大剪應(yīng)變?cè)隽糠从沉嘶w內(nèi)部發(fā)生剪切變形的區(qū)域，其貫通性亦可表明滑坡失穩(wěn)特征。

由圖4、圖5可知，天然狀態(tài)最大剪應(yīng)變?cè)隽考杏诨轮猩喜??；w從上至下剪應(yīng)變?cè)隽匡@著減小，表明上部土體局部滑塌造成的推擠作用沿斜坡向下迅速衰減。

圖4 天然狀態(tài)滑坡最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖5 天然狀態(tài)滑坡最大剪應(yīng)變?cè)隽科拭?/p>

由圖6、圖7可知，暴雨?duì)顟B(tài)最大剪應(yīng)變?cè)隽繑U(kuò)展至整個(gè)滑體范圍，其最大值出現(xiàn)在滑坡上部。表明滑坡上部易發(fā)生大規(guī)模剪切破壞，對(duì)中下部滑體推擠作用明顯，滑體下部變形逐漸積累，最終形成整體貫通的剪切變形。沿深度方向滑體最大剪應(yīng)變?cè)隽炕痉植加诨瑤б陨蠋r土體中，表明滑坡已發(fā)生沿滑帶的整體滑動(dòng)。

圖6 暴雨?duì)顟B(tài)滑坡最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖7 暴雨?duì)顟B(tài)滑坡最大剪應(yīng)變?cè)隽科拭?/p>

4.2.2 塑性屈服區(qū)域

滑坡的塑性屈服區(qū)域用以表征滑坡發(fā)生塑性變形的位置。由圖8、圖9可知，天然狀態(tài)塑性屈服區(qū)域主要集中在滑坡上部?；w上部右側(cè)坡體剪切塑性屈服范圍較大，印證滑坡上部右側(cè)為較易發(fā)生剪切變形部位。滑坡后緣邊界存在小范圍拉張塑性區(qū)，表明后緣易形成張拉裂縫。沿滑體深度方向，滑體上部塑性屈服區(qū)域較厚，沿斜坡向下厚度變薄且未形成貫通的剪切屈服面。

圖8 天然狀態(tài)滑坡塑性屈服區(qū)云圖

圖9 天然狀態(tài)滑坡塑性屈服區(qū)剖面

由圖10、圖11可知，暴雨?duì)顟B(tài)滑坡塑性屈服范圍擴(kuò)展至整個(gè)滑體。表明滑坡發(fā)生了整體的剪切變形，呈現(xiàn)后緣張拉-整體剪切的變形特征。后緣張拉塑性區(qū)發(fā)生橫向擴(kuò)展，表明滑坡后緣拉應(yīng)力帶擴(kuò)大，土體發(fā)生拉張破壞。沿深度方向剪切屈服擴(kuò)展至滑帶處，且沿斜坡向下在滑體內(nèi)完全貫通，表明滑坡已經(jīng)發(fā)生沿滑帶的整體滑動(dòng)。

圖10 暴雨?duì)顟B(tài)滑坡塑性屈服區(qū)云圖

圖11 暴雨?duì)顟B(tài)滑坡塑性屈服區(qū)剖面

經(jīng)FLAC 3D內(nèi)置強(qiáng)度折減法計(jì)算得天然狀態(tài)穩(wěn)定系數(shù)為1.143，暴雨?duì)顟B(tài)下穩(wěn)定系數(shù)為1.012。綜合滑坡位移、最大剪應(yīng)變?cè)隽俊⑺苄詤^(qū)及穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果，表明滑坡天然狀態(tài)變形破壞模式表現(xiàn)為后緣首先開(kāi)裂，土體局部失穩(wěn)產(chǎn)生向坡下的滑塌，增加滑體中部荷載，滑體剪切變形向中部逐漸積累，呈現(xiàn)前進(jìn)式漸進(jìn)破壞特征，滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，具有一定強(qiáng)度儲(chǔ)備。而暴雨?duì)顟B(tài)滑坡上部發(fā)生大范圍滑移變形，對(duì)中下部滑體的推擠作用顯著增加，剪切變形擴(kuò)展至整個(gè)滑體，為典型的推移式滑坡?；绿幱谂R界失穩(wěn)狀態(tài)，強(qiáng)度儲(chǔ)備極低。

5 基于極限平衡條分法的滑坡穩(wěn)定性分析

本節(jié)采用工程上常用的極限平衡條分法，選用滑坡主滑方向三條剖面(圖12～圖14)求解滑坡穩(wěn)定系數(shù)，并與數(shù)值模擬方法求得的三維滑坡穩(wěn)定系數(shù)對(duì)比分析滑坡穩(wěn)定性。由于極限平衡條分法廣為使用，故原理和公式在此不再敘述。據(jù)滑坡防治相關(guān)規(guī)范，確定滑坡防治安全等級(jí)為Ⅲ級(jí)，安全系數(shù)Kst如下：天然狀態(tài)Kst=1.15，暴雨?duì)顟B(tài)Kst=1.10?；路€(wěn)定性評(píng)價(jià)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2，極限平衡條分法計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

圖12 滑坡1-1’剖面條分示意

圖13 滑坡2-2’剖面條分示意

圖14 滑坡3-3’剖面條分示意

由表3可知，滑坡在天然狀態(tài)下穩(wěn)定系數(shù)大于1.10，整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。而在暴雨?duì)顟B(tài)下穩(wěn)定系數(shù)均小于1.00，滑坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。橫向上看，滑坡右側(cè)坡體最不穩(wěn)定，左側(cè)穩(wěn)定性次之，中部再次。這與三維滑坡數(shù)值模擬的橫向變形規(guī)律較為一致。對(duì)比三維滑坡數(shù)值模擬穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)滑坡穩(wěn)定狀態(tài)判斷基本相同，但三維滑坡在天然和暴雨?duì)顟B(tài)下穩(wěn)定系數(shù)均略高于極限平衡條分法結(jié)果。究其原因，三維滑坡的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算考慮了巖土體間應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及滑體與周?chē)馏w的摩阻力，故所得數(shù)值偏大，但更符合真實(shí)滑坡變形破壞情況。

表3 極限平衡條分法穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)論

本文主要運(yùn)用FLAC 3D軟件對(duì)滑坡變形破壞模式及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并與極限平衡條分法結(jié)果對(duì)比，主要結(jié)論如下：

(1)基于FLAC 3D軟件對(duì)三維滑坡模型進(jìn)行分析，天然狀態(tài)滑坡變形破壞模式為后緣土體局部滑塌失穩(wěn)，剪切變形向滑體中部逐漸積累，呈現(xiàn)前進(jìn)式漸進(jìn)破壞特征；暴雨?duì)顟B(tài)滑坡上部發(fā)生大范圍滑移變形，剪切變形擴(kuò)展至整個(gè)滑體。滑坡符合推移式滑動(dòng)特征，為典型的推移式滑坡。

(2)基于強(qiáng)度折減法計(jì)算三維滑坡穩(wěn)定系數(shù)，滑坡天然狀態(tài)穩(wěn)定系數(shù)為1.143，具有一定強(qiáng)度儲(chǔ)備。而暴雨?duì)顟B(tài)穩(wěn)定系數(shù)為1.012，滑坡處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，強(qiáng)度儲(chǔ)備極低。

(3)對(duì)比極限平衡條分法計(jì)算得到的穩(wěn)定系數(shù)和滑坡穩(wěn)定性判斷可知，兩種方法對(duì)滑坡穩(wěn)定性判斷基本相同，由于三維滑坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算考慮了巖土體間應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及滑體與周?chē)馏w的摩阻力，故求得穩(wěn)定系數(shù)略高，但更符合真實(shí)滑坡的變形破壞。在工程治理時(shí)可運(yùn)用兩種計(jì)算方法綜合考慮，減少滑坡治理費(fèi)用。