强度折减法在不稳定斜坡稳定性评价中的应用性探讨_徐庆方.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 062强度折减法在不稳定斜坡稳定性评价中的应用性探讨徐庆方1，王昌辉2(1 贵州省地质矿产勘查开发局一六地质大队，贵州 遵义 563000;2 贵州省地质矿产勘查开发局一一四地质大队，贵州 遵义 563000)摘要针对尚处蠕变阶段的不稳定斜坡，传统方法在岩土体参数选取和稳定性评价中存在诸多弊端。有限元强度折减法通过数值模拟，可优化岩土体参数，较精准地查找出一级或多级潜在滑动面，为精确的稳定性评价提供可靠依据。该文结合盘州市上西铺不稳定性斜坡勘察实例，计算出滑体、滑动面岩土体参数，查出多级潜在滑面，并得出符合实际的稳定系数，取得了良好的应用效果。该方法在工程实例中成功运用，说明该方法优越性明显，具有较大的推广意义。关键词不稳定斜坡;有限元强度折减法;稳定性系数;勘查评价中图分类号S277文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0184 03收稿日期2022 11 15作者简介徐庆方(1984 )，男，贵州大方人，高级工程师，主要从事地质灾害防治、岩土工程及生态修复方面工作。通讯作者王昌辉(1985 )，男，河南商丘人，高级工程师，主要从事地质灾害防治、岩土工程及生态修复方面工作。0引言殷跃平等学者通过大量工程实践研究，将具有蠕滑、鼓胀、拉裂等变形特征且变形边界不明显的斜坡归类为不稳定斜坡，并在相关规范中增加了这一地质灾害种类及防治对策内容。该灾种表现为地表及附着建筑物具有一定变形特征、变形边界不明、内部滑动面尚未形成等特点，随着变形加剧，即可演变成滑坡、崩塌等地质灾害。随着人类经济发展需要，评价、研究该灾种有极强的工程实际意义。对于滑坡评价，目前常采取钻探工程、山地工程及物探等综合手段识别滑动面，采用传统刚性平衡法评价滑坡稳定性，取得了良好的效果。但对于尚处蠕变阶段1未形成统一滑动面的不稳定斜坡，存在如下需要解决的问题，一方面滑动面未形成致使传统手段识别滑动面效果不佳，“强度参数反演法”不适用，“经验识别法”受人为干扰因素极大;另一方面，传统的刚性平衡法是建立在极限平衡理论基础上的分析方法，未考虑土体内部的应力应变关系，无法分析坡体内部破坏的发生和发展过程2。近年来贵州存在较多的不稳定斜坡地质灾害防治项目，为较精准查找不稳定斜坡体内潜在的滑动面及各滑动面的滑动次序，并有效地开展稳定性评价工作，有限元强度折减系数法是一种有效手段。该方法优点在于无需事先确定滑动面的位置和形状3，而是通过不断折减岩土体抗剪强度指标，使斜坡达到极限平衡状态、有限元计算不收敛，此时的折减系数就是斜坡体的稳定性系数。笔者以贵州省 20 个重大地质灾害示范性勘查项目之一“盘州市上西铺不稳定斜坡地质灾害勘查项目”为依托，尝试采用有限元强度折减法，通过数值模拟分析来查找斜坡内部潜在滑动面，并进行稳定性评价，取得了良好的效果。1地质概况上西铺不稳定性斜坡地质灾害勘查项目位于盘州市亦资社区西铺村，该地质灾害隐患点共威胁 148 户 203 人，中上部居民房屋多数出现不同程度的开裂变形迹象。通过工程地质测绘、工程地质钻探、山地工程等手段，确定该不稳定斜坡平面形态呈“舌型”，潜在灾害坡体斜长约 255 m，相对高差约 41 m，横宽 70 150 m，综合手段分析潜在滑体为第四系覆盖层，平均厚度 8 15 m，最大达 22 m，体积约 24 104m3，属中型推移式土质不稳定斜坡(图 1)，宏观整体稳定性处于基本稳定状态。图 1上西铺不稳定斜坡勘查评价平面图工程地质钻探揭露，区内覆盖层主要由黏土和含碎石粉质黏土组成。黏土呈透镜体分布于浅表，软塑状;含碎石粉质黏土广泛分布，整体呈可塑状，地下水位附近多呈软塑状，碎石在空间上变化较大，局部富集。部分岩芯见挤压揉皱现4812023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3象。基岩岩性为逆向构造的砂泥岩互层、灰岩地层，空间上呈“撮箕”状。据水文调查，区内共发育两层地下水，第一层位于填土内，属上层滞水;第二层位于含碎石粉质黏土层内，水位 8 11 m，水力坡度约 0 13，试验单井流量 0 015 0 028 L/s，富水性较好。岩土体典型空间信息见图 2。图 2上西铺不稳定斜坡典型工程地质剖面图2传统方法评价结果2 1计算模型地质人员根据微地貌突变、线状渗水点出露位置、变形裂缝平面控制等特征，确定了工程意义上不稳定斜坡的后缘和前缘，结合钻探揭露挤压揉皱或软塑状岩芯的埋深及地下水埋深等，划出了多条趋势性折线形滑动面(图 3)。图 3上西铺不稳定斜坡试算滑动面示意图2 2岩土参数选取岩土参数见表 1，稳定性评价参数见表 2。表 1岩土层主要物理力学计算参考值土层名称状态饱和重度/kN/m3饱和抗剪强度峰值残余值黏土软塑18 0C/kPa/C/kPa/含碎石粉质黏土可塑20 516 510 012 07 0硬塑20 614 512 011 08 5砂泥岩强风化23 0/灰岩中风化27 5/表 2传统方法稳定性评价主要计算参数表土层名称重度/kN/m3内聚力 C/kPa摩擦角/黏土18 015 09 0含碎石粉质黏土20 513 010 0基岩25 090 038 02 3传统方法稳定性评价结果为方便对比研究，本次仅采用饱和工况进行稳定性评价，第一步采用传递系数法对各条潜在趋势性滑面进行试算，得出稳定性系数最低(最危险)的潜在滑动面;第二步采用多种计算方法对该潜在滑动面进行稳定性系数计算，结果见表 3。表 3饱和状态下多方法计算的稳定性系数计算方法稳定性系数稳定状态传递系数隐式解法1 043欠稳定简化 Bishop 法1 071基本稳定Janbu 法1 063基本稳定Morgenstern Prince 法1 056基本稳定3有限元强度折减法评价3 1有限元强度折减法的基本原理有限元强度折减法的基本原理是保持岩土体的重力加速度为常数，通过不断降低斜坡岩土体的抗剪强度指标(c、)，计算过程有限元计算不收敛2，结构面某一幅度值的广义剪应力出现贯通性区域或坡体内部出现贯通性塑性区域，此时的折减系数作为斜坡的稳定性系数4，贯通性塑性区域界面即为潜在滑动面。存在多处贯通性塑性区域的，亦可能存在多处潜在滑动面。折减计算公式如(1)和(2)。c=cF(1)=arctantanF(2)将斜坡原始黏聚力 C0和内摩擦角 同时除以一折减系数 K，然后进行数值分析。为方便服务器计算和节约计算时间，在实际操作中通过是先假定一个很小的折减系数 K，K 的默认值取 1 0，然后不断增大 K 值，可按照 0 01 步距进行递增，每次递增求解得到新的强度参数再次作为基础计算参数进行折减计算。经过数次自动折减计算，直至斜坡达到临界破坏状态，即计算过程的突然不收敛，此时对应的 Ft 即为斜坡体的稳定性系数2，对应的强度参数即为滑动面的抗剪强度。此时的斜坡处于极限状态，黏聚力和内摩擦角为 Ccr和cr，对应的安全系数 Kcr=1，按照公式(3)，计算可得原始斜坡体对应的稳定性系数。F=KKcr=K=c0ccr=tan0tancr(3)3 2计算模型建立模拟计算平台选择 ANSYS15 0 软件，并假定各岩土体均服从莫尔 库伦准则(DP 准则)4。将地质剖面导入，构建有限元计算数值模型，模拟计算区边界采用水平位移约束，底部采用水平和数值双向约束(图 4)。图 4算例有限元图 5折减系数为图 6深部约束后强度折减法计算模1 08 时塑性区分折减系数为 1 12型图布特征时浅部塑性区分布特征581第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月3 3计算过程建立模型后，潜在滑体及滑床的初始参数按照表 1 土体强度参数选取，进行折减求解，当折减系数达 1 08 时，并出现图 5 的塑性区域且计算结果不收敛，得到该斜坡的最危险滑动面，该滑面体位于基覆界面附近。为实现精准防治，查找覆盖层内是否还存在次生滑动面，故将图 5 潜在滑裂面剪出口进行约束，恢复所有参数后再次折减计算，当折减系数为 1 12 时，并出现图 6 的塑性区域且计算结果不收敛，得到该斜坡的多级次生滑动面。计算结果见表 4。表 4各方法计算结果一览表名称内聚力 C/kPa摩擦角/初始值传统法1 08折减1 12折减初始值传统法1 08折减1 12折减黏土16 515 015 214 710 09 08 338 03含碎石粉质黏土14 513 013 412 912 010 09 268 94结果分析(1)结果表明，采用有限元强度折减法得出的贯通性塑性区与综合勘查试算后确定的潜在最威险滑动区基本重合，通过对比重合率达 84%，说明有限元强度折减法有较大的参考性，同时也印证了传统方法确定的潜在滑动面较为准确。(2)相较传统方法，有限元强度折减法确定的稳定系数(1 08)比最低的传递系数法计算值大 3 5%，比最大的简化Bishop 法计算值大 0 8%，整体偏差小于 5%;同时，有限元强度折减法计算出的抗剪强度指标与传统方法综合给定的指标接近，仅强度折减法指标略低(C 值低 0 3%，值低 065%)。实践结果表明，有限元强度折减法确定的抗剪强度指标具有较高的准确性。(3)在约束深部潜在滑动面，查找坡体次级滑动面的过程中，得到的稳定性系数(1 12)小于传统防治意义上的安全系数(1 2)，说明有限元强度折减法在查找次生滑动面、多级滑动面方面较传统方法具有理论和实践的优越性。(4)折减计算后得到的强度指标介于试验峰值与残余值之间，参数指标符合相关规范取值建议区间。稳定性系数介于 1 05 1 15 之间，处于基本稳定状态，该结论与不稳定斜坡现状宏观变形特征相适宜。说明采用有限元强度折减法对不稳定斜坡进行稳定性评价与隐患点现状具有较高的吻合度。5应用性讨论(1)在对变形特征不明显的不稳定斜坡评价中，由于滑面尚未形成或传统方法查找滑动面受主观因素影响较大，滑面不易识别或存在漏判的缺陷，甚至可能因此而导致防治工程失败。有限元强度折减法无需事先假定滑动面的形状和位置，计算程序自动找出潜在的一条或多条滑动面位置，并能根据稳定系数大小确定滑面次序，有效解决了人为给定滑面这一不确定性问题。(2)与传统方法相似，在参数选取或稳定性计算时，有限元强度折减法也作了不同程度的假设，这与坡体实际的变形特征、变形进程及岩土体参数是不相符的。因此本算例的稳定性系数应较计算得出数据有一定的提高10。工程应用时，可采用有限元强度折减法计算出岩土体强度参数及各级潜在滑面，并结合钻探、山地工程等揭露的软弱面综合给定各条块的抗剪强度指标，进而采用不平衡推力法计算剩余下滑推力。(3)工程实例表明，有限元强度折减法计算出的岩土体参数及稳定性系数与隐患点现状吻合度较高，有限元强度折减法在不稳定斜坡勘查评价中，对于滑动面的识别、稳定性评价具有较大推广意义。近年来，随着国民经济高质量发展，地质灾害防治进程加快，大量变形特征不明显的滑坡及不稳定斜坡亟待防治，为实现精准评价、精细设计、精确防治，有限元强度折减法有较明显的优越性、较好的应用性和较大的推广性。参考文献 1郑颖人，陈祖煜，万恭先，等 边坡与滑坡工程治理(第二版)M 北京:人民交通出版社 2010:24 27，195 209 2赵尚毅，郑颖人，石卫民，等 用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数J 岩土工程学报 2002(03)3刘卫民，郑颖人 基于限元强度折减法确定滑坡多滑动面方法J 岩石力学与工程学报 2006(08)4殷跃平，胡时友，石胜伟，等 滑坡防治技术指南(第二版)M北京:地质出版社 2018:117 121 5杨有成，李群，陈新泽，等 对强度折减法若干问题的讨论J岩土力学 2008(04)6李明，梁力，王伟，等 用有限元强度折减法求解坝坡抗滑稳定安全系数J 中国安全生产科学技术 2012(02):83 87 7董艳华，程壮，党莉 基于极限平衡法和有限元强度折减法的某滑坡体稳定分析J 三峡大学学报(自然科学版)2012(02):36 39 8陈力华，靳晓光