基于GEO-SLOPE軟件對滑坡的穩定性分析

校小娥

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

地震滑坡是地質災害中的次生災害。當地震發生時，所誘發的滑坡、崩塌、泥石流等次生災害非常嚴重，比地震直接造成的危害程度要大得多。在對八浪溝滑坡進行現場調查的基礎上，運用GEO-SLOPE模擬軟件的SLOPE/W模塊，采用擬靜力法與動力有限元相結合的方法，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力學分析，分析滑坡穩定性。用QUAKE/W模塊分析軟件進行求解，研究地震力和滑坡穩定性之間的關系，對地震動荷載作用下滑坡穩定性進行分析;評價滑坡的穩定性現狀。應用二維數值模擬軟件對地震滑坡體進行數值模擬，輸入不同加速度峰值，分析地震動荷載作用下的剪應變增量和位移分布特征。從穩定性、變形特征及應力場三方面分析了滑坡的穩定性。

1 滑坡形態特征

通過本次勘查，八浪溝滑坡長約1 000 m，寬約560 m，厚23～55 m，為規模巨大的巖質順層老滑坡。滑坡體主要物質為巖體順層滑動而形成的黃褐、褐灰色，中密、潮濕的塊石土，表層有少量的褐黃色、黃灰色的粉質黏土。滑體厚度在縱橫方向變化大，但滑坡物質組成一致。據鉆探和探井揭露，滑床為三疊系中統(T2a)砂巖夾板巖、灰巖。

2 計算模型及參數的選取

1)網格劃分:簡化后的計算模型如圖1(a)所示。根據該軟件特點，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面形成時，后緣拉裂部位及其剪出口位置。在有限元計算中，為了真實模擬幾何狀態，使網格劃分密度滿足計算的精度要求并節約計算時間，通常對單元網格按6節點三角形二次單元進行劃分。

2)邊界條件:由于所取數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為正、Y方向與重力方向相反為正。

3)屈服準則:采用理想彈塑性模型，屈服準則采用mohr-Coulomb強度準則。

圖1 八浪溝滑坡

3 計算結果

3.1 最危險潛在滑面穩定性分析

滑坡體的地質結構，共分為3層，4個區域。天然狀態下最危險滑面發生在坡腳地形轉折端處(見圖1(b))，滑面底界處于塊石土及黏土層中。根據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滑面的穩定系數(或安全系數)分別為 1.280、1.255和1.285，即天然邊坡處于較高的穩定狀態。

3.2 地震荷載下的滑坡穩定性及應力、應變分析

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

2)動力有限元法分析地震動荷載下的安全系數時程曲線，見圖3。

3)動荷載作用下穩定性結果分析如表1。

圖2 地震動荷載作用后最危險潛在滑面及相應安全系數

圖3 地震動荷載作用后安全系數時程曲線

表1 八浪溝滑坡安全系數

由于地震動的綜合作用極其復雜，本文的計算過程中對地震動影響邊坡穩定性的作用采取了比較簡化的方式，可能會使分析結果與實際地震作用下這些邊坡的穩定性及其失穩過程有所差異。

由表1可以看出，隨著地震動峰值加速度的增大邊坡穩定性逐漸降低。較小地震動作用下，當加速度峰值為0.10 g的地震動荷載作用后，擬靜力法得出安全系數在1.125～1.132之間，動力有限元法分析結果其最低安全系數在1.093左右。邊坡的安全系數雖有所降低，此時邊坡仍處于穩定狀態。當地震動強度稍大時，滑坡在加速度峰值為0.15 g的地震動荷載作用后，邊坡的穩定性進一步削弱，滑坡安全系數降低為1.095～1.101之間左右。動力有限元法分析結果其最低安全系數在1.022左右，邊坡處于基本穩定狀態。當加速度峰值為0.2 g時，擬靜力法得出安全系數在0.932～0.939之間，動力有限元法得到滑坡的最低安全系數降至0.865。這表明地震動荷載作用下邊坡的穩定性將大幅度減弱，邊坡可能會失穩，因此在邊坡設計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，擬靜力法分析結果其安全系數在0.759～0.766之間，動力有限元法分析其最低安全系數平均值為0.657，邊坡已經失穩。

4 結論

地震動荷載作用下的位移、應力和剪應變增量分布特征經分析，從理論上很好地解釋了邊坡從靜態進入動態所發生的巨大變化。充分說明地震發生瞬間對邊坡穩定性的影響極大，主要結論如下:

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

2)在加速度峰值為0.15 g的地震動荷載作用下，水平位移主要發生在滑體表層及滑動前緣臨空面附近，滑坡后緣基巖部位變形不明顯，坡體表層覆蓋物出現最大水平位移為13.07 cm。隨著峰值加速度的增加，地震時堆積體水平應力總體表現沿坡體深度呈明顯增大趨勢，但局部不均勻。水平總應力最大值出現在基覆界面處，數值為0.5～0.9 MPa;而坡體剪應力也受地震影響，最大剪應力出現在滑坡體后緣下部，滑帶塊石土與基巖交界內，數值為0.7 MPa。一條剪應變集中帶已明顯可見，但剪應變僅出現在滑坡體后緣及坡腳處，且擴展范圍較小，最大剪應變值為3.6812E-3。由此可見，在此地震動荷載作用下，八浪滑坡整體上還處于基本穩定狀態，但局部不穩定，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，也主要發生在滑體表層及滑動前緣臨空面附近。堆積體存在朝坡外整體滑動趨勢，而前緣臨空面附近發生滑坡的可能性最大。此部分堆積體在地震動荷載作用下，剪應力隨著地震動加速度的增加其量值也逐漸增加。剪應變集中帶已經自上而下貫通至中部，坡腳處剪應變向上延伸，最大剪應變也達到6.743E-3。上部堆積體的水平應力與剪應力均變化明顯，都有增大趨勢，水平總應力最大值出現在基覆界面處，為0.8～1.0 MPa;坡體剪應力值增大為0.9 MPa。由此可見，在此強度的地震動荷載作用下，滑坡上部堆積體邊坡有發生局部失穩的可能性，即滑體有整體向坡外滑動的趨勢，并以此初步確定滑動面的范圍。

4)當地震動荷載達到峰值0.4 g時，堆積體中剪應變集中帶沿基巖面整個貫通，最大剪應變也達到了1.34851E-2。水平方向的殘余位移局部也已經達到了74.69 cm左右，剪應變集中帶部位剪應力值已達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生整體滑動，失穩模式是后緣先發生破壞、沿基巖面的整體失穩。

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