基于GEO-SLOPE软件对滑坡的稳定性分析

校小娥

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

地震滑坡是地质灾害中的次生灾害。当地震发生时，所诱发的滑坡、崩塌、泥石流等次生灾害非常严重，比地震直接造成的危害程度要大得多。在对八浪沟滑坡进行现场调查的基础上，运用GEO-SLOPE模拟软件的SLOPE/W模块，采用拟静力法与动力有限元相结合的方法，以地震加速度作为反映地震荷载的主要因素，基于有限元理论，开展了地震作用下滑坡的动力学分析，分析滑坡稳定性。用QUAKE/W模块分析软件进行求解，研究地震力和滑坡稳定性之间的关系，对地震动荷载作用下滑坡稳定性进行分析;评价滑坡的稳定性现状。应用二维数值模拟软件对地震滑坡体进行数值模拟，输入不同加速度峰值，分析地震动荷载作用下的剪应变增量和位移分布特征。从稳定性、变形特征及应力场三方面分析了滑坡的稳定性。

1 滑坡形态特征

通过本次勘查，八浪沟滑坡长约1 000 m，宽约560 m，厚23～55 m，为规模巨大的岩质顺层老滑坡。滑坡体主要物质为岩体顺层滑动而形成的黄褐、褐灰色，中密、潮湿的块石土，表层有少量的褐黄色、黄灰色的粉质黏土。滑体厚度在纵横方向变化大，但滑坡物质组成一致。据钻探和探井揭露，滑床为三叠系中统(T2a)砂岩夹板岩、灰岩。

2 计算模型及参数的选取

1)网格划分:简化后的计算模型如图1(a)所示。根据该软件特点，潜在滑面也需人为确定其后缘拉裂边界及前缘剪出口位置，图中箭头所示的就是可能潜在滑动面形成时，后缘拉裂部位及其剪出口位置。在有限元计算中，为了真实模拟几何状态，使网格划分密度满足计算的精度要求并节约计算时间，通常对单元网格按6节点三角形二次单元进行划分。

2)边界条件:由于所取数值模型受周边岩体的约束，故模型采用位移约束边界。底部和左边界约束X、Y两个方向的位移，右边界只约束Y方向的位移，坡面无约束，为自由平面。其中X方向朝坡面临空方向为正、Y方向与重力方向相反为正。

3)屈服准则:采用理想弹塑性模型，屈服准则采用mohr-Coulomb强度准则。

图1 八浪沟滑坡

3 计算结果

3.1 最危险潜在滑面稳定性分析

滑坡体的地质结构，共分为3层，4个区域。天然状态下最危险滑面发生在坡脚地形转折端处(见图1(b))，滑面底界处于块石土及黏土层中。根据Morgenstern-Price(摩根斯坦)、Janbu(简布)和 Bishop(毕肖普)三种不同方法得出最危险滑面的稳定系数(或安全系数)分别为 1.280、1.255和1.285，即天然边坡处于较高的稳定状态。

3.2 地震荷载下的滑坡稳定性及应力、应变分析

1)拟静力法分析地震动荷载下模型的建立及最危险潜在滑面相应的安全系数，见图2。

2)动力有限元法分析地震动荷载下的安全系数时程曲线，见图3。

3)动荷载作用下稳定性结果分析如表1。

图2 地震动荷载作用后最危险潜在滑面及相应安全系数

图3 地震动荷载作用后安全系数时程曲线

表1 八浪沟滑坡安全系数

由于地震动的综合作用极其复杂，本文的计算过程中对地震动影响边坡稳定性的作用采取了比较简化的方式，可能会使分析结果与实际地震作用下这些边坡的稳定性及其失稳过程有所差异。

由表1可以看出，随着地震动峰值加速度的增大边坡稳定性逐渐降低。较小地震动作用下，当加速度峰值为0.10 g的地震动荷载作用后，拟静力法得出安全系数在1.125～1.132之间，动力有限元法分析结果其最低安全系数在1.093左右。边坡的安全系数虽有所降低，此时边坡仍处于稳定状态。当地震动强度稍大时，滑坡在加速度峰值为0.15 g的地震动荷载作用后，边坡的稳定性进一步削弱，滑坡安全系数降低为1.095～1.101之间左右。动力有限元法分析结果其最低安全系数在1.022左右，边坡处于基本稳定状态。当加速度峰值为0.2 g时，拟静力法得出安全系数在0.932～0.939之间，动力有限元法得到滑坡的最低安全系数降至0.865。这表明地震动荷载作用下边坡的稳定性将大幅度减弱，边坡可能会失稳，因此在边坡设计中必须考虑地震作用的影响。滑坡在大震作用下，加速度峰值为0.4 g时，拟静力法分析结果其安全系数在0.759～0.766之间，动力有限元法分析其最低安全系数平均值为0.657，边坡已经失稳。

4 结论

地震动荷载作用下的位移、应力和剪应变增量分布特征经分析，从理论上很好地解释了边坡从静态进入动态所发生的巨大变化。充分说明地震发生瞬间对边坡稳定性的影响极大，主要结论如下:

1)与地震前的天然状态相比，边坡在加速度峰值为0.1 g的地震动荷载作用下，最大水平位移出现在坡体上部堆积体，为6.25 cm;水平总应力表现沿坡体深度呈明显增大趋势，但局部不均匀，基覆界面处水平应力最大值为0.3～0.7 MPa。分析剪应力模型，滑坡体基覆界面处的最大剪应力为0.6 MPa，比天然状态下最大值增加0.2 MPa。相应剪应变主要发生在滑坡体后缘下部，滑带块石土与基岩交界内。最大剪应变值为2.45E-3，在此地震动荷载作用下，八浪滑坡整体上处于较高的稳定状态。

2)在加速度峰值为0.15 g的地震动荷载作用下，水平位移主要发生在滑体表层及滑动前缘临空面附近，滑坡后缘基岩部位变形不明显，坡体表层覆盖物出现最大水平位移为13.07 cm。随着峰值加速度的增加，地震时堆积体水平应力总体表现沿坡体深度呈明显增大趋势，但局部不均匀。水平总应力最大值出现在基覆界面处，数值为0.5～0.9 MPa;而坡体剪应力也受地震影响，最大剪应力出现在滑坡体后缘下部，滑带块石土与基岩交界内，数值为0.7 MPa。一条剪应变集中带已明显可见，但剪应变仅出现在滑坡体后缘及坡脚处，且扩展范围较小，最大剪应变值为3.6812E-3。由此可见，在此地震动荷载作用下，八浪滑坡整体上还处于基本稳定状态，但局部不稳定，即浅表层堆积物有滑落的可能性。

3)在加速度峰值为0.2 g的地震动荷载作用下，随着峰值加速度的增加，水平位移呈明显上升，最大水平位移为28.01 cm，也主要发生在滑体表层及滑动前缘临空面附近。堆积体存在朝坡外整体滑动趋势，而前缘临空面附近发生滑坡的可能性最大。此部分堆积体在地震动荷载作用下，剪应力随着地震动加速度的增加其量值也逐渐增加。剪应变集中带已经自上而下贯通至中部，坡脚处剪应变向上延伸，最大剪应变也达到6.743E-3。上部堆积体的水平应力与剪应力均变化明显，都有增大趋势，水平总应力最大值出现在基覆界面处，为0.8～1.0 MPa;坡体剪应力值增大为0.9 MPa。由此可见，在此强度的地震动荷载作用下，滑坡上部堆积体边坡有发生局部失稳的可能性，即滑体有整体向坡外滑动的趋势，并以此初步确定滑动面的范围。

4)当地震动荷载达到峰值0.4 g时，堆积体中剪应变集中带沿基岩面整个贯通，最大剪应变也达到了1.34851E-2。水平方向的残余位移局部也已经达到了74.69 cm左右，剪应变集中带部位剪应力值已达1 MPa。由此可见，八浪沟滑坡高程3 000 m以下部分堆积体将发生整体滑动，失稳模式是后缘先发生破坏、沿基岩面的整体失稳。

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