基于GeoStudio的滑坡穩定性計算方法對比分析

謝潤培 廣東省地質工程公司 510425 廣州

滑坡穩定性分析主要有極限平衡法和數值計算法兩種方法[1]。GeoStudio是加拿大GeoStudio公司開發的一套功能強大、適用于巖土工程和巖土環境模擬計算的軟件，在地質構造、土木工程、采礦工程、巖土工程、地下水分析中得到了廣泛應用[2、3]。本文結合工程實例通過GeoStudio中的SIGMA/W模塊(巖土應力變形分析軟件)和SLOPE/W模塊(邊坡穩定性分析軟件)采用極限平衡法、有限元應力分析法對滑坡整體穩定性對比分析[4、5]。

1 .邊坡穩定性分析方法

1.1 極限平衡法

極限平衡方法視邊坡土體為剛體，不考慮土體本身的變形對邊坡穩定性的影響，極限平衡法是簡化的計算，對很多地方進行了簡單處理。一般情況下，使用極限平衡法計算的正應力和實際情況比較吻合，但是在一些復雜的、非均質土體中其計算值與實際值可能相差較大。GeoStudio中的SLOPE/W模塊可以計算邊坡穩定性，SLOPE/W的計算原理采用極限平衡法，包括普通條分法、畢肖普法、簡布法、摩根斯坦-普賴斯法等。

1.2 有限元法

基于滑面應力分析的有限元法，以有限元應力分析為基礎，根據潛在滑動面上土體整體或局部的應力條件，應用不同的優化方法確定最危險滑動面。和極限平衡條分法相比，能更好地反映邊坡巖土體的應力-應變關系，并且不受邊坡幾何形狀和材料不均勻的限制，因而是邊坡穩定性分析中一種較為理想的方法。在GeoStudio中，應用SIGMA/W模塊進行邊坡的應力模擬計算，將應力計算結果導入SLOPE/W模塊進行耦合計算，得出穩定性系數和最危險滑裂面。

有限元法采用理想彈塑性模型，應力—應變關系如

對于彈塑性模型采用Mohr-Coulomb屈服準則，其屈服函數為：

式中1I為第一應力不變量；2J為第二應力偏量不變量；3J為第三應力偏量不變量；c為土的內聚力；φ為土體內摩擦角。

2 . SIGMA/W與SLOPE/W耦合分析

在GeoStudio中通過有限元(SIGMA/W)計算各單元節點處的應力，導入邊坡（SLOPE/W）劃分的條塊中，計算條塊底的法向和切向應力，得出可能的剪切強度，將條塊基底的應力轉化為力，計算得出滑坡的潛在滑動面及安全系數。

3 . 工程實例分析

3.1 工程概況

3.2 地層巖性

滑坡區出露的地層主要有下元古界曾家河組及第四系松散堆積物，中間層為碎塊石土，下伏基巖為深成蛇紋石化超基性巖。中間夾雜有河床沖洪積物，為圓礫、粉質粘土、粉細砂，河流相特征明顯。

3.3 參數計算

根據現場調查、室內實驗結果以及工程地質類比，綜合確定出滑坡計算所用到的參數，見表1。

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3.4 穩定性分析結果

3.4.1 極限平衡法計算結果

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本文采用Geostudio中SLOPE/W模塊對滑坡剖面進行穩定性計算分析，結果如圖2所示。極限平衡法在分析計算時采用條分法，計算結果見表2。

圖2 極限平衡法計算結果

3.4.2 有限元法數值模擬及結果

有限元模型如圖3所示，土體采用莫爾-庫倫彈塑性模型，土體參數如表2所示。計算所得的應力分布圖和位移矢量圖如圖4和圖5所示。 圖6則顯示了對應的破壞區分布圖。將應力場導入到SLOPE/W模塊中，得出滑面應力法計算結果，見圖7，安全系數為1.176。分析結果表明，其位移矢量特征、破壞區分布范圍與模型試驗及滑坡實例表明的滑面位置、形態和總體分布規律基本吻合，具有很好的相似性。

圖3 有限元計算模型

圖4 應力分布

圖5 應變矢量圖

圖6 邊坡塑性區分布

圖7 有限元法計算結果

3.5 結果分析

（1）極限平衡法計算結果中，普通條分法的結果偏小。極限平衡法在分析計算時均采用條分法,條分法不考慮條塊間作用力，可能引起較大的誤差,使結果偏小。

（2）滑面應力法通過有限元法計算所得的應力場來計算邊坡的安全系數，計算結果與極限平衡法所得結果很接近，潛在滑動面基本一致，前緣比極限平衡法結果要靠前，穩定性要差。有限元法的滑面的法應力是真實計算所得，結果要更加合理，潛在滑裂面位置更加合理。

4 . 結論與建議

（1）GeoStudio軟件直觀的表示了滑坡的安全系數、潛在滑動面，能夠方便的對滑坡進行有限元分析，通過極限平衡法和有限元應力分析法進行分析求解，并以直觀形象的方式表達出來，為邊坡的治理決策提供方便可靠的依據。

（2）有限元計算結果和極限平衡法計算結果基本一致，極限平衡法可以應用于邊坡穩定性問題分析，但有限元應力分析法在計算滑坡穩定性方面要更加真實可靠、結果更準確。

（3）通過對比計算，工程實例中的滑坡體當前處于穩定狀態，但寶成鐵路在該滑坡坡腳通行，本軟件中未能考慮火車動荷載影響，建議今后的工作對該方面加以改進。

1. GEO-SLOPE International Lid. GEO-SLOPE User’ s Manual[Z].Calgary; Alberta, 2001.

2. Bishop A W. The use of the slip circle in the stability analysis of slopes[J]. Geotechnique,1995(5):7-17.

3.Gui Lei，Yin Kunlong，Zhai yue. Landslide Stability Analysis Based onFLAD3 Dand Strength Reduction Technigue[J]. Safety and Environmental Engineering, 2011(6):9-13.

4. John Krahn. Stability Modeling With SLOPE/W[ M].Canada: GEO- SLOPE/ W International Ltd,May 2004.

5.Wang zhao lei, Yang zhi yin, Zhang Jun. Stability analysis of a prestressed anchor cable compostite soil nailing wall basic on Geostudio[J]. Industrial Construction, 2011 ,41：437-440.