黃土地區滑坡穩定性有限元分析

李國圣

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 概述

滑坡是指斜坡上的土體或者巖體在一定條件下變形、破裂、向坡下運動的自然物理地質現象。滑坡雖是山體斜坡的一種自然或者人為變形現象，但當其威脅到人類的生存或者工程的建設時，就成為了一種災害。它能夠中斷交通，堵塞河道，摧毀廠礦，掩埋村鎮，造成人員傷亡和巨大的經濟損失。

組成滑體的巖土在我國不同地區有著不同的分布規律，而且產生滑坡的原因，滑坡外貌特征，滑坡運動特點也不盡相同，整治方法也有一定的差異。據此將滑坡分成六大類:黏性土滑坡、黃土滑坡、堆填土滑坡、堆積土滑坡、破碎巖石滑坡及巖石滑坡。黃土滑坡的滑體物質主要由第四紀各種成因的黃土及黃土類土組成，本文涉及的滑坡地處山西呂梁黃土地區，為典型的黃土類型滑坡。

2 工程概況

本工程為山西呂梁地區柳林縣境內一鐵路工程，該滑坡位于某大橋橋臺與隧道進口處(如圖1)，該處地層從上至下依次為:晚更新世(Q3)新黃土，中更新世(Q2)老黃土，三疊系下統和尚溝組(T1h)泥質砂巖、泥巖互層。

圖1 滑坡照片

經過對該處現場地質調繪和分析發現，該處為一黃土土質滑坡，滑坡產生的機理如下:

①該處地層上部以新黃土為主，下伏較薄的老黃土，新黃土中粉粒含量較高，黏粒含量較少，結構較疏松，受環境侵蝕作用強烈，穩定性較差，滑動面易切穿該地層。

②黃土具大孔隙結構及垂直節理，有利于表水下滲，特別是多雨季節表水下滲較嚴重。該處黃土的下伏地層為泥巖與泥質砂巖互層，當表水下滲至此層時，由于泥巖相對隔水，水易于將土石界面處黃土浸潤軟化，力學性能急劇下降，從而形成貫通的滑動面。

③該坡體前緣為一河溝，由于泥巖與泥質砂巖之間差異風化，導致滑體前緣下伏基巖風化崩解嚴重，坡體前緣臨空面發育加速，從而為滑坡的進一步發展提供了有利的條件。

3 滑坡的有限元分析

經過現場的工程地質測繪，該處滑坡平面位置如圖2所示。

圖2 滑坡平面位置

有限元分析的基本思想是將連續的求解區域離散成按一定方式，通過一定的力學準則連接在一起的單元組合體，可以求解復雜的模型。其基本求解過程為:建立模型，劃分網格，求解模型及利用后處理器查看計算結果。下面以該滑坡一個主軸剖面為基礎，建立ANSYS模型進行求解分析。由于水對滑坡的影響較大，自然狀態及飽水狀態下的穩定性可能有較大的不同，現分別分析自然狀態及飽水狀態下滑坡的穩定性，滑帶土的力學指標如表1所示。

表1 滑帶土的物理力學指標

根據上述條件建立有限元模型，在求解之后對其結果進行分析，可得滑坡在自然狀態及飽水狀態下的安全系數云圖(如圖3、圖4所示)。

圖3 自然狀態下邊坡安全系數云圖

圖4 飽水狀態下邊坡安全系數云圖

由圖3、圖4可知，在自然狀態及飽水狀態下，邊坡在各處的安全系數不盡相同，在b處邊坡的安全系數較高，均在1.0以上，坡體的此部分相對穩定。在滑坡的前緣處，由于該處臨空，安全系數較小，處于臨界狀態，在自然狀態下相對穩定，在飽水狀態下可能會發生塑性流動。在坡體的a處，該處為滑坡體的后緣，可以看出，該處在自然及飽水狀態下安全系數均較小，部分區域已發生塑性流動。綜合分析可知，滑坡體的各處受力狀態差別較大，部分區域發生了塑性變形，由于塑性區域并未貫通，滑坡體整體表現為穩定狀態。飽水時滑體整體的安全系數小于自然狀態，且塑性區會有進一步貫通的趨勢。

4 結論

(1)介紹了常見滑坡的類型，通過對工區邊坡的工程地質條件分析，得出了該滑坡的形成機理，從而在直觀上判定了該處滑坡的存在。

(2)運用有限元的方法對該處滑坡進行穩定性分析，得出了該處滑坡在自然及飽水狀態下的穩定狀態及塑性區分布圖。對兩種工況下的安全系數云圖進行分析，認為該處滑坡在飽水狀態下安全系數較小，塑性區域較大，有進一步貫通的趨勢。由于該工程為鐵路初測階段，后將線路進行了調整，躲開了該處滑坡。

(3)通過上述的有限元分析可得出，運用ANSYS有限元分析來判定滑坡的穩定性，不必事先假定滑動面。而是通過計算滑坡體內部各處的應力狀態，之后通過ansys后處理器，分析坡體各處的受力狀態，進而得出坡體塑性區具體的分布狀況，為坡體的治理提供較科學的指導。

［1］王恭先．滑坡學與滑坡防治技術［M］．北京:中國鐵道出版社，2007

［2］張倬元，王士天，王蘭生．工程地質分析原理［M］．北京:地質出版社，1994

［3］晏同珍，楊順安，方云．滑坡學［M］．武漢:中國地質大學出版社，2000

［4］劉相新，孟憲姬．ANSYS基礎與應用教程［M］．北京，科學出版社，2006