強(qiáng)降雨?duì)顟B(tài)下堆積體滑坡有限元計(jì)算和穩(wěn)定性分析

鄭 偉

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

1 引言

邊坡是一種常見(jiàn)的工程結(jié)構(gòu)，在一些特定的環(huán)境下，松散堆積體占了很大比例。當(dāng)遭受外部荷載如地震、暴雨沖擊作用下，極易發(fā)生失穩(wěn)導(dǎo)致破壞，造成人民財(cái)產(chǎn)安全損失。由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和室內(nèi)土工試驗(yàn)的局限性，數(shù)值模擬是解決邊坡問(wèn)題的有效方式。相對(duì)于傳統(tǒng)的極限平衡法有限元法由于其原理清晰、計(jì)算簡(jiǎn)單而又精確，即兼顧了計(jì)算效率又能保證不錯(cuò)的計(jì)算精度，因而是計(jì)算邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題中的一種常用的可靠、有效的工具。趙尚毅[1]利用有限元方法，比較了不同的邊坡屈服準(zhǔn)則，通過(guò)有限元法計(jì)算的結(jié)果與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)比較接近。付雪等人[2]利用FLAC 3D 軟件計(jì)算了達(dá)到屈服極限時(shí)土質(zhì)邊坡的塑性流動(dòng)特性，并通過(guò)實(shí)際工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的有效合理性，計(jì)算出了邊坡的合理坡度。本文基于某地超高邊坡工程滑坡實(shí)例，對(duì)比不同傳統(tǒng)計(jì)算方法和不同工況下該滑坡的安全系數(shù)，并通過(guò)有限元軟件建立了自然和暴雨工況下的超高邊坡有限元二維模型，對(duì)橫向位移、塑性區(qū)分布、增量應(yīng)變進(jìn)行分析。

2 滑坡區(qū)概況

2.1 工程地質(zhì)特征

項(xiàng)目地貌屬于山間谷溝類(lèi)型。該工程由人工填充堆砌而成，查閱相關(guān)規(guī)范，屬于Ⅰ級(jí)重要工程。該地較為干旱，但在夏季7 月～8 月仍有較多的降水，且多為暴雨，雨量大，易受到大雨沖擊。地殼運(yùn)動(dòng)少，很少受到地震荷載作用，地震烈度大約為Ⅶ度。此外，由于其位置特殊，易受到當(dāng)?shù)厝藶橐蛩赜绊憽Ｔ撈碌钠旅孑^陡且不均勻，65°～70°不等。滑坡構(gòu)造包含前級(jí)滑坡體、后級(jí)滑坡體、南塊和北塊，后期建造了樁基礎(chǔ)進(jìn)行加固。滑坡全貌見(jiàn)圖1。

圖1 滑坡全貌示意圖

在本研究中，主要研究對(duì)象以南塊滑坡為主。滑坡前后均有當(dāng)?shù)孛裼媒ㄖ笥疫吔鐢嗔烟幊尸F(xiàn)為羽毛狀。埋深大約為4.0 m～15.6 m，主要滑坡斷面后級(jí)傾角約65°，滑面傾角約為10°左右，滑坡部分體積約為158000 m3。滑坡體填土多為砂土、碎石，還存在許多建筑垃圾材料。

2.2 滑坡特征

滑坡變形目前比較嚴(yán)重并隨著時(shí)間的推移不斷復(fù)雜。如圖2 展示了四種該邊坡的破壞特征，圖2(a)為前緣鼓脹擠壓破壞，圖2(b)為后緣出現(xiàn)的張拉裂縫，圖2(c)為坡體面上下開(kāi)錯(cuò)，圖2(d)為后部張拉裂隙。坡體左右邊界出現(xiàn)的裂縫寬度約1 m～3 m，充分體現(xiàn)了滑坡體變形破壞特征。

圖2 滑坡破壞特征

3 滑坡穩(wěn)定性分析

3.1 極限平衡法

邊坡穩(wěn)定性分析方法分為確定性分析和不確定性隨機(jī)方法分析，考慮到存在堆積體的情況，普遍用典型的確定性分析方法來(lái)計(jì)算穩(wěn)定性，如Morgenstern-Price 法、水平條分法、豎向條分法、傳遞系數(shù)法和Janbu 法等。考慮到該地區(qū)的水文地質(zhì)原因，以及發(fā)生地震的概率和等級(jí)均較低，故而計(jì)算時(shí)忽略地震對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

在穩(wěn)定性計(jì)算目標(biāo)為滑坡的主軸斷面，工況分為自然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和參考文獻(xiàn)進(jìn)行參數(shù)的選取，見(jiàn)表1。

表1 土體參數(shù)

為研究滑坡穩(wěn)定性，利用Slide 軟件建立滑坡平面應(yīng)變模型，采用強(qiáng)度折減法、傳遞系數(shù)法和Janbu 條分法計(jì)算安全系數(shù)。滑坡模型見(jiàn)圖3。

圖3 滑坡計(jì)算模型

三種方法計(jì)算的安全系數(shù)見(jiàn)表2。由表2 可知，滑坡體前緣在自然和暴雨工況下均呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡體后緣在暴雨?duì)顟B(tài)下不穩(wěn)定，在自然條件下欠穩(wěn)定。安全系數(shù)在0.978～0.982 之間，低于符合規(guī)定的1.1，該邊坡存在滑坡風(fēng)險(xiǎn)且缺少安全儲(chǔ)備。

3.2 有限元法

3.2.1假定條件

為研究滑坡的穩(wěn)定性破壞特性，利用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算求得數(shù)值解。基于以下假設(shè):

(1)均勻性假設(shè)。實(shí)際材料性質(zhì)存在不均勻性，即材料各部分參數(shù)雖然差異不大但仍存在差異，在有限元模擬中，假設(shè)材料是均勻的，每一點(diǎn)的性質(zhì)和力學(xué)參數(shù)相同。

(2)各向同性假設(shè)。實(shí)際土體為不規(guī)則個(gè)體，在空間中的每個(gè)方向特征表現(xiàn)不同，為各向異性。在模擬中假設(shè)材料各向同性，不同方向的力學(xué)性質(zhì)不存在差異。

(3)半無(wú)限空間體。為劃分邊坡模型的邊界條件，假定該模型存在于半無(wú)限空間體中，不需要對(duì)全部邊界進(jìn)行設(shè)置劃分。

3.2.2網(wǎng)格劃分和邊界條件

在有限元模擬中設(shè)置相關(guān)邊界條件，基于半無(wú)限空間體中理論，下邊界設(shè)置為固定端，左邊界和上邊界自由，右邊界水平固定。網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化處理。滑坡有限元網(wǎng)格劃分模型和應(yīng)力模型見(jiàn)圖4，共生成18452 個(gè)單元，150234 個(gè)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)。

圖4 滑坡有限元模型

3.2.3材料模型參數(shù)

該邊坡模型劃分為四層，從下到上分別為基巖層、中風(fēng)化層、泥巖層和填土層。材料類(lèi)型均選用摩爾-庫(kù)倫模型，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 模型各土層參數(shù)

3.2.4計(jì)算結(jié)果分析

圖5展示了兩種工況下的邊坡水平位移情況。從圖中可以看出，水平位移主要集中在坡度較為陡峭的坡面部分。在自然工況下，水平位移最大值為55 mm，見(jiàn)圖5(a)。在暴雨工況下，水平位移最大值達(dá)到了86 mm。相比之下，暴雨工況的水平位移更大，穩(wěn)定性較差。這是由于邊坡土體在長(zhǎng)期自然條件下形成了復(fù)合體，對(duì)外部荷載抵御性較強(qiáng)，而在暴雨作用下，打破了這種平衡，導(dǎo)致強(qiáng)度喪失，邊坡失穩(wěn)。

圖5 邊坡水平位移云圖

圖6 展示了兩種工況下的邊坡塑性變形情況。從圖中可以看出，塑性區(qū)主要集中在坡面附近，暴雨工況下的塑性變形區(qū)大于自然條件下的塑性變形區(qū)。在自然工況下，塑性區(qū)未貫穿土體，而在暴雨工況下，塑性區(qū)貫穿土體到達(dá)下部坡面，故在暴雨作用下，邊坡更容易出現(xiàn)過(guò)大變形發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖6 邊坡塑性變形區(qū)分布圖

圖7展示了兩種工況下邊坡剪應(yīng)力增量情況。從圖中可以看出，自然工況下的邊坡剪應(yīng)力增量在數(shù)值上小于暴雨工況，趨勢(shì)基本一致，增量區(qū)主要存在于邊坡坡面往下區(qū)域，均出現(xiàn)兩條增量區(qū)貫穿地面，形成裂縫。說(shuō)明滑坡災(zāi)害不僅對(duì)坡面以下造成影響，還會(huì)對(duì)坡頂?shù)孛嬖斐蓳p害。

圖7 邊坡剪應(yīng)變?cè)隽繄D

3.2.5穩(wěn)定性分析

利用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)該邊坡模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算安全性系數(shù)，與前文利用極限平衡法計(jì)算出的安全系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，并確定危險(xiǎn)界面即臨界滑裂面的位置。

計(jì)算出在自然工況下的安全系數(shù)為1.03，在暴雨工況下的安全系數(shù)為0.97，與前文利用極限平衡法計(jì)算出的安全系數(shù)相比，有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算出的安全系數(shù)偏大，存在數(shù)值解和解析解之間的差異。此外，該安全系數(shù)仍然不滿(mǎn)足需求，邊坡仍存在破壞風(fēng)險(xiǎn)。

圖8為兩種工況下的邊坡臨界破壞面位置示意圖。從圖中可以看出，臨界破壞面位置存在于邊坡坡面正下方，兩種工況下的破壞面均貫通地面形成裂縫，而暴雨工況下的破壞面基本連接在一起，相對(duì)于前者更易發(fā)生土體松動(dòng)，導(dǎo)致失穩(wěn)。

圖8 邊坡臨界破壞面

4 結(jié)論

本文利用極限平衡法中的多種確定性分析方法計(jì)算出滑坡的安全系數(shù)，利用有限元軟件建立了堆積體邊坡有限元模型，分析了橫向位移、剪應(yīng)變?cè)隽恳约八苄詤^(qū)分布，此外，利用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算了邊坡的安全系數(shù)，確定了臨界滑裂面的位置，為實(shí)際工程中的邊坡處理和防治提供了理論基礎(chǔ)。得出結(jié)論如下:

(1)利用多種方法計(jì)算邊坡安全系數(shù)，均達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)滑坡破壞位置主要為前緣坡面處，最大位移和塑性區(qū)均存在于坡面和坡面下方附近，兩種工況下邊坡破壞時(shí)會(huì)在地面形成裂縫。

(3)暴雨條件下，通過(guò)對(duì)橫向位移、塑性區(qū)、臨界滑裂面的分析，發(fā)現(xiàn)其相對(duì)于自然工況，更易引起邊坡變形出現(xiàn)失穩(wěn)導(dǎo)致破壞。