串馬滑坡穩(wěn)定性的有限元分析

張利平,趙其華,林友全,何復森

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室,四川成都 610059;2.四川省蜀通巖土工程公司,四川成都 610059)

1 滑坡工程概況

串馬滑坡位于四川省茂縣鳳儀鎮(zhèn)南莊村下串馬組,區(qū)域地貌屬中山斜坡地貌。滑坡平面上呈“圈椅”狀,坡體總體坡度較小,為25°～35°,南側為中山山坡,東西側皆為分水嶺(圖1)。滑坡體長約435 m,后緣寬140 m,前緣寬310 m,平均寬225 m,平均厚度18.0 m,體積約1.762×106m3,屬大型土巖界面牽引式滑坡。滑坡后緣、中部及中前部產生多條弧形拉張裂縫,滑坡體上局部有明顯垮塌沉降等變形,且由于滑坡前緣的陽午溝頁巖磚廠的過度開挖形成了強變形區(qū)。該滑坡一旦失穩(wěn)下滑,將危及到滑坡體上南莊村下串馬組住戶38戶,約160余人和滑坡前緣的陽午溝頁巖磚廠和11戶50余人的生命財產安全,并危及大量耕地和果園,直接經濟損失約500萬元。

2 工程地質條件、破壞機制及穩(wěn)定性分析

2.1 工程地質條件

汶川5.12特大地震以前,由于人類工程活動強烈,導致斜坡區(qū)存在變形跡象。斜坡后部修建大量居民房,加大了斜坡的自重,影響斜坡的穩(wěn)定;斜坡中部修建了部分房屋及鄉(xiāng)村道路,工程施工中,地基、路基開挖后形成3 m～4 m的陡坎,對次級滑體的形成創(chuàng)造了條件;特別是斜坡前緣陽午溝頁巖磚廠,為滿足災后重建的需要,對斜坡坡腳進行長期大量的挖掘,在斜坡前緣形成了高約7 m～28 m的臨空面。據調查,該廠每年產磚400多萬塊。

圖1 滑坡全貌圖

特大地震使該斜坡產生突發(fā)性變形破壞,在其中部產生了規(guī)模大、延伸遠、變形強烈的裂縫10余條,既有拉張裂縫,又有剪切裂縫,拉張裂縫主要出現(xiàn)在后緣及采掘區(qū)后部,其長度一般100 cm～150 cm,呈圓弧形;而剪切裂縫主要分布于采掘區(qū)后緣,滑坡兩側邊界處,與滑坡主滑方向基本一致;從而形成了滑坡體前緣的強變形區(qū)(圖2)。以上變形對斜坡的穩(wěn)定產生極為不利影響。

圖2 滑坡強變形區(qū)

滑體土主要為含碎石粉質粘土和碎石土,碎石成分主要為千枚巖,親水性較強,土體易被水軟化,從而在局部的巖土界面處形成了軟弱帶,這就為滑坡的變形失穩(wěn)創(chuàng)造了有利條件。且在地下水的長期浸泡下,使巖土接觸面粘聚力減弱,內摩擦角減小。同時地表水滲入,增大了土體自身的重度,使土體的穩(wěn)定性降低。水文因素是形成斜坡變形破壞的重要因素。由此產生了次級滑體1#和2#(圖3)。所謂次級滑體是指次級滑帶或滑面以上的土體。

圖3 1-1'地質剖面

在磚廠后緣存在一強變形區(qū)域(圖2),該區(qū)域內存在大量已貫通的拉張、剪切裂縫。強變形區(qū):長110 cm,寬130 cm,坡體組成為碎石土,厚度約為9m～30 m。前緣為磚廠采掘區(qū);后緣以變形較大的裂縫L14、裂縫L15后為界,裂縫L14、L15變形寬約 3 m～4.5 m;兩側與開挖邊界平行。該區(qū)域在前緣采掘區(qū)陡壁可明顯看到滑坡體呈三級剪出,且變形越趨強烈,該區(qū)域處于臨滑狀態(tài)(即次級滑體3#～5#(圖3))。

2.2 變形破壞機制

滑坡體所在地形地貌復雜且滑體物質主要為親水性強的碎石土組成,易形成軟弱帶從而產生滑移;同時地震等因素使滑體上形成了許多剪切裂縫。由此分析,該滑坡的變形破壞機制是滑移-拉裂型。如果在持續(xù)暴雨、強烈地震以及繼續(xù)在前緣開挖土石等不利條件的影響下,尤其是前緣磚廠的過度開挖,將會導致臨空面的增高及變形的發(fā)展和加劇,從而形成拉張裂縫,致使斜坡整體失穩(wěn)。

2.3 穩(wěn)定性分析

斜坡土體主要為含碎石粉質粘土和碎石土,碎石含量較高,一般為70%～95%,其塊徑一般在0.5 cm～2 cm,坡體物質透水性較好,滑坡區(qū)內坡度較緩,降雨多在重力作用下入滲至坡體內,增加了坡體自重,軟化了滑體中的軟弱土體,影響坡體的穩(wěn)定性。因此強降雨對斜坡穩(wěn)定性將產生較大影響。

地震為滑坡的產生提供了原動能。地震前滑坡未產生明顯變形,“5.12”特大地震導致斜坡突發(fā)性變形破壞,在其中部產生了規(guī)模大、延伸遠、變形強烈的拉張、剪切裂縫;在前緣及中部產生局部垮塌和沉降。目前斜坡體內的物質結構已經遭到破壞,有利于地表水下滲,向深部運移,增大了斜坡土體重度、增加了斜坡向下運動的趨勢,有可能發(fā)生失穩(wěn)下滑。

斜坡上人類工程活動強烈,修建鄉(xiāng)村道路及房屋,形成了高約4 m～5 m的土質陡坡,同時,場地內少數(shù)臺階前緣陡坎,為滑坡的次級滑體創(chuàng)造了較好的臨空面。尤其是斜坡前緣磚廠大量開采土石方制磚,卸荷達3萬余立方,采掘區(qū)形成了高約8 m～27 m的陡坎。對斜坡的穩(wěn)定性產生極大的不利影響。

3 建立模型

根據現(xiàn)場的工程地質條件以及坡體結構特征,選取代表性地質剖面1-1'(圖3)建立二維有限元模型(圖4),計算依據莫爾-庫侖屈服準則,采用三角形單元進行網格劃分[1～3];模型施加的邊界約束條件是:地表為自由邊界,左右邊界受到x軸方向的位移約束,下部邊界受到 x、y軸方向的位移約束;整個計算域內主要考慮了第四系、強風化、弱風化、微新巖體四種材料介質以及5個次級滑面相關參數(shù)由巖體力學試驗和工程地質類比獲得,詳見表1。

圖4 有限元計算模型

計算中對磚廠的開挖進行了模擬,設計的分級開挖以5 a為單位,根據磚廠的年均生產量計算獲得年挖方量,模型分級開挖程序共劃分5步:

[Ⅰ]滑坡初始應力場計算;

[Ⅱ]1級開挖:開采5 a后;

[Ⅲ]2級開挖:開采10 a后;

[Ⅳ]3級開挖:開采15 a后;

[Ⅴ]4級開挖:開采20 a后;

[Ⅵ]5級開挖:開采25 a后。

表1 巖體計算參數(shù)

4 有限元分析

數(shù)值模擬采用phase2有限元計算軟件,考慮了天然及開采兩種工況[4～6]。

4.1 應力場

天然工況下,其主應力等值線云圖見圖 5、圖 6,串馬滑坡的應力分布符合一般應力場分布特征,即以壓應力為主,主應力量值由坡表向坡內逐漸增大[5],坡表處最大主應力在1.5MPa～6MPa范圍內變化,最小主應力小于0 MPa～2.25 MPa之間變化。

圖5 天然最大主應力等值線圖(單位:MPa)

圖6 天然最小主應力等值線圖(單位:MPa)

邊坡逐年開采完成后,其主應力等值線云圖見圖7、圖8,由計算結果可知,開采后邊坡應力場發(fā)生了重分布:開挖面附近主應力值在卸荷作用下較開挖前有所降低,其中最大主應力降至1.5MPa～4.5MPa范圍內,最小主應力降至0.45 MPa～4.05 MPa范圍內,且每一級的開挖都會使原有開挖坡面上主應力量值繼續(xù)降低。

圖7 開采25 a后最大主應力等值線圖(單位:MPa)

圖8 開采25 a后最小主應力等值線圖(單位:MPa)

4.2 變形場

邊坡的塑性區(qū)分布受開采影響較顯著。開挖前(圖9)主要集中在坡表第四系堆積物以及坡腳原開采形成的臨空面處;隨著逐年的開采(圖10～圖14),塑性區(qū)逐漸增大,并牽引上部巖體下滑,形成了較大范圍的破壞區(qū),其破壞方式為張剪破壞對邊坡的穩(wěn)定造成了極為不利的影響。

圖9 天然塑性屈服單元分布圖

圖10 開采5 a后塑性屈服單元分布圖

圖11 開采10 a后塑性屈服單元分布圖

圖12 開采15 a后塑性屈服單元分布圖

圖13 開采20 a后塑性屈服單元分布圖

圖14 開采25 a后塑性屈服單元分布圖

5 開挖邊坡穩(wěn)定性綜合評價

考慮到串馬滑坡含多條次級滑體以及磚廠年開采量等因素,為了對邊坡整體穩(wěn)定性以及分級開挖完成后的穩(wěn)定性有較為明確的量化依據,采用強度折減法自動搜索分析滑裂面,模擬邊坡的破壞過程(圖15),得到邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

所謂有限元強度折減法,即在彈塑性有限元靜力計算中,通過不斷降低坡體和滑動面的強度參數(shù)使系統(tǒng)達到不穩(wěn)定狀態(tài),即有限元靜力計算不收斂,由此而獲得的強度折減系數(shù)就是滑坡的安全系數(shù)[9～12]。綜合考慮天然狀況、開采工況,將數(shù)值分析結果整理為表2～表3。由表2開挖步級與滑坡整體強度穩(wěn)定性變化趨勢可見,開采工況中在不同的開挖坡級條件下,其坡體穩(wěn)定性相應呈動態(tài)變化,15 a后滑坡整體穩(wěn)定性已經進入極限狀態(tài),穩(wěn)定性系數(shù)為1.0,以后的繼續(xù)開采,將會使該滑坡進入欠穩(wěn)狀態(tài),即隨著開挖年限的增加,其坡體穩(wěn)定性表現(xiàn)為快速遞減的趨勢,邊坡逐漸進入欠穩(wěn)狀態(tài)。分析表明:在連續(xù)開采15 a～25 a后滑坡整體將處于失穩(wěn)狀態(tài),因此必須進行支護加固,并控制年開采量。通過計算天然工況下不同次級滑體穩(wěn)定性由表3可以直觀看出,滑坡體推測的5個次級滑體中,深層滑體相對穩(wěn)定,穩(wěn)定性系數(shù)在1.05～1.32范圍內,僅淺層滑體1#處于不穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定性系數(shù)為1.05,因此治理措施主要是針對淺層的次級滑體1#。根據現(xiàn)場勘查及設計,擬采用截排水與重力式擋墻相結合的措施以保證上部居民生命財產的安全。綜上所述,在設計有效年限內只需針對次級滑體1#進行治理,同時控制磚廠年開采量[8]。

圖15 強度折減法計算模型

表2 開挖步級與滑坡整體強度穩(wěn)定性變化趨勢表

表3 天然工況下不同次級滑體穩(wěn)定性分析

6 結論及建議

(1)由于滑坡的復雜性,詳細的地質調查是進行穩(wěn)定性評估前提。因此在詳細的地質調查基礎上,對影響其穩(wěn)定性的主要因素進行分析,選取合適的計算方法建立計算模型。

(2)分析邊坡的逐年開采過程:隨著開采工程的進行巖體剛度消失,同時由于解除開挖巖體對系統(tǒng)的變形約束,致使巖體開采后臨空面及其一定深度范圍產生附加變形場和應力場。

(3)通過強度折減法的計算分析可知,在滑坡體推測的5個次級滑體中,淺表層的1#滑體處于極限狀態(tài),且隨著開采的逐年進行,滑坡的穩(wěn)定性不斷降低。15 a后滑坡整體穩(wěn)定性已經進入極限狀態(tài),以后的繼續(xù)開采,將會使該滑坡進入欠穩(wěn)狀態(tài)。

(4)針對本滑坡的特點,建議對淺表層次級滑體1#進行重力式擋墻以及截排水相結合的支護加固措施,同時建議對該滑坡的開采工作量進行適當限制。

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