基于FLAC3D的滑帶土抗剪強度指標反演分析

程 偉 王 芳 張繼周

（1、寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021 2、寧夏公路勘察設計院，寧夏 銀川 750001）

滑坡滑帶土抗剪強度參數的取值合理與否對于準確評價滑坡穩定性是至關重要的[1]。因此，滑帶土的合理取值與否，對于滑坡的設計和治理有著非常重要的意義[2]。在巖土工程中，選取合理的巖土體抗剪強度參數對正確分析滑坡穩定性和治理至關重要，盡管在這一方面國內外專家和學者做了大量研究，但是影響選取滑帶土抗剪強度參數的因素十分復雜并沒有得到滿意的結果。因此要根據實際工程情況采取不同的方法選取滑帶土抗剪強度參數就十分有必要了[3]。目前，選取滑帶土抗剪強度參數的方法主要有實驗法、工程類比法以及反演分析[4]這三種方法。其中工程類比法就是以實驗法為基礎，結合和參考附近地區類似巖土體相關的抗剪強度經驗數據來確定滑帶土抗剪強度參數[5]。由于有的工程試驗資料有限，因此工程類比法存在著不足。不足之處在于：（1）較少的實驗組數導致最終取值并不能完全反應實際的抗剪強度；（2）滑帶土抗剪強度參數之間相關的關系并未能反應出來；（3）由于滑帶土抗剪強度參數的不確定性和區域不同的時候可能不相同等性質，決定了在運用該方法的時候會存在人為因素，導致最終取值不太準確[1]。對于實驗法而言，由于受到實驗儀器和實驗方法的限制，仍不能全面地模擬滑坡的實際滑動過程，所得抗剪強度參數不能確切地反映滑動帶的實際情況。因此，反演法就作為確定滑帶土抗剪強度參數一種行之有效的方法,它是在已經知道滑坡安全系數和滑坡滑面形狀的基礎上，假設滑坡在處于極限平衡狀態下來反算滑坡滑帶土的抗剪強度參數，由于反算法良好的綜合性的特點，可以將外部沒有考慮到的因素考慮到具體的反算當中去，使得滑坡穩定性分析結果和實際更加吻合[6]。為此，本文在工程地質勘察報告提供的滑坡計算參數的基礎上利用FLAC3D數值模擬軟件反演該滑坡（已滑塌)滑帶土抗剪強度（C和φ），為后面滑坡穩定性分析和治理提供滑坡滑帶土計算參數參考值。

1 基于FLAC3 D的滑帶土抗剪強度參數反演分析

1.1 計算原理

1975年興科維奇在滑坡穩定性中首次使用了強度折減法，受制于當時的計算條件，這種方法應用較少。隨著計算機技術的高速發展，強度折減法逐漸成為了滑坡穩定性分析中的主流計算方法[7]。強度折減法定義為：在外荷載相同的情況下，滑坡體即將發生破壞時剪切強度與實際情況下滑坡抗剪強度的比值定義為抗剪強度折減系數Fs[7]。臨界狀態時的黏聚力C和內摩擦角φ為:

其中，Ctrial為折減后的粘聚力；φtrial為折減后的內摩擦角；Fs為折減系數。

1.2 建立模型

為了利用FLAC3D數值模擬軟件反演出滑帶土的抗剪強度參數，根據地質勘查報告，所有滑坡均選擇開挖后的滑坡作為數值模擬的模型來反演滑帶土抗剪強度參數。利用FLAC3D自帶建模軟件EXTRUSION依據工程地質剖面圖建立了二號現狀滑坡的三維模型。如圖1所示。模型的左下角為坐標原點，X方向為坡體主滑方向，Z方向為坡體高度，Y方向為坡體寬度。二號現狀滑坡開挖后的三維數值模型圖模型水平方向長130m，寬5m，高57m，共2952個節點，1420個單元格。設置邊界條件：模型底面、前后面、左右面全部約束，頂面自由。對滑坡地層模型進行賦值，其中：1組為滑體黃土；2組為滑體泥巖；3組為滑帶泥巖；4組為滑床黃土；5組滑床泥巖。

圖1 滑坡的三維數值模型圖

1.3 計算參數的選取

模型采用摩爾-庫倫模型（mohr），在模擬計算分析時，需要4個參數：內摩擦角（friction）、粘聚力（cohesion）、剪切模量（shear）、體積模量（bulk）[8]。其中體積模量K和剪切模量G可以通過彈性模量E和泊松比μ來轉換計算，計算公式如下所示：

基于工程地質勘查報告提供的滑坡各土層參數的基礎上，確定了滑坡分別在天然狀態、飽和狀態下的相關工程地質參數，確定了滑帶土抗剪強度參數（內摩擦角φ和粘聚力C）反演取值范圍。滑坡模型所用的參數如表1。

表1 滑坡材料參數

1.4 計算結果

根據工程地質勘查報告，在天然工況下選取φ=8°～12°，對C從7kPa開始取值，每次增量為2kPa,取到14kPa。在暴雨工況下，取φ=6°～11°，對C從3kPa開始取值，每次增量為2 kPa，取到11 kPa。

根據FLAC3D模擬出滑帶土在天然狀態下C、φ值不同組合下滑坡的穩定性系數以及飽和狀態下C、φ值不同組合下滑坡的穩定性系數，結果如表2、3所示，然后由表得出C、φ值不同時下滑坡的穩定系數曲線，即為φ-Fs、C-Fs曲線和天然狀態下穩定系數Fs=1.01 和暴雨工況下穩定系數Fs=0.98 的C-φ關系曲線如圖2所示。

表2 滑帶土天然狀態下抗剪強度參數反演分析表

表3 滑帶土飽和狀態下抗剪強度參數反演分析表

圖2 抗剪強度關系

1.5 敏感性分析

如圖2所示C-φ曲線上都是Fs等于1.01 和0.98 時C、φ值的不同組合，結合工程地質勘查報告所提供的數據，在工程地質勘察報告提供數據的區間內先確定敏感性較低的一個值，然后得到另外一個值。

利用FLAC3D數值模擬軟件，分別固定C、φ值其中一個值，調整另外一個值求得滑坡安全系數，如表4所示，由表4分析出滑帶土抗剪強度參數對滑坡穩定性的敏感性，分析可得出每當粘聚力C降低1kpa，相應的滑坡安全系數將減小0.02；當內摩擦角φ每降低1°，滑坡安全系數將減小0.09。由此可得：粘聚力相對于內摩擦角對滑坡穩定性敏感性低。

表4 敏感性分析表

1.6 計算結果

由敏感性分析可知：粘聚力對滑坡穩定性敏感性較內摩擦角（φ）低，因此，根據工程勘察報告，先取敏感性較低的粘聚力C,然后根據反演值確定內摩擦角φ。最終反演參數如表5所示，參考圖3、圖4可以發現，數值模擬滑移面與實際滑面位置基本一致，證明了在不同c、φ值組合下，滑坡數值模擬反演效果的合理性。

表5 滑帶土參數反演值

圖3 天然狀態剪切應變增量云圖

圖4 飽和狀態剪切應變增量云圖

2 結論

在工程地質勘查報告的基礎上，確定二號現狀滑坡（已滑塌）滑帶土抗剪強度參數（C和φ）的取值范圍以及其他土層相關計算參數，利用FLAC3D分別反演出滑帶土在自然狀態和飽和狀態下的計算參數（C、φ），計算可得：在天然狀態下反演結果：C=10，φ=11，在飽和狀態下反演結果：C=6,φ=10。把反演出的數據帶入模型中得到的反演滑面和實際滑面基本一致，反映了參數反演的合理性。