综合系统理论评价滑坡稳定性研究

谢廷勇，张紫峰，白艳萍



综合系统理论评价滑坡稳定性研究

谢廷勇1,2，张紫峰1，白艳萍2

（1.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，桂林 541004；2.桂林理工大学地球科学学院，桂林541000）

滑坡稳定性的分析评价是一较为复杂的系统工程问题，涉及工程地质学、岩体力学、计算科学等多学科交汇。在系统分析滑坡体的地质条件和环境背景的基础上，采用综合、系统理论分析评价方法对龙胜某二级公路2号滑坡进行研究；通过使用剩余推力计算和有限单元（ANSYS）法等，进行系统分析、综合评价和稳定性评价，并对其进行加固处理后监测，滑坡稳定性较好，反映该方法是成功有效的。

滑坡；稳定性；剩余推力法；系统理论

随着我国公路建设的发展，线路两侧出现许多高陡的自然边坡和工程边坡，尤其在山区或丘陵地区，时常涉及滑坡问题。滑坡稳定性的分析评价是一复杂的系统工程问题，它涉及工程地质学、岩体力学和计算科学（及方法）等多种学科交汇问题，是一个综合研究程度较高的问题。

龙胜某二级公路经过龙胜滑石矿，由于滑石矿在公路下方修建新选厂，在公路下方开挖形成高陡边坡，由于山体坡度较陡，地形、地貌复杂，降水充沛，地质构造发育，风化作用等内外地质作用强烈，滑坡、崩塌地质灾害较发育，发育一系列滑坡构成滑坡群，现状调查共有五处，其中2号滑坡距已治理的滑坡北西侧100m左右，该滑坡发生于2008年1月份左右，出现了乡镇公路路面开裂和上边坡滑塌迹象，但未出现整体滑移，目前处于蠕滑状态（图1）。

1 2号滑坡成因机制分析

1.1 地质条件

滑坡发育与所在地段岩土体分布及工程性质有关，边坡顶部为坚硬的中风化细碧岩为主，中部、底部山坡岩体表层多为坡积、残积土层覆盖，坡残积土岩性主要为含粘土碎石，透水性相对较好，致使雨季时坡残积土体与强风化细碧岩接触面局部饱水。土体受水浸泡后重量增加，抗剪强度降低，在坡残积土层与强风化层接触面易形成滑动面，产生滑坡。坡残积土层与强风化层接触面为软弱面，遇到连续集中降雨、大强度降雨入渗到下部泥岩顶面时受阻，顺分界面运移，滑带土软化，强度降低。加之后期人类活动作用改变了斜坡原有的应力状态，促使坡体发生变形，在长时间的变形积累下，应力进一步集中，最终产生滑动。各滑坡中前部变形均较强烈，其力学机理均为牵引式滑动。

1.2 地形条件

滑坡区地形上总体为上陡下缓，自然坡度25o～45o，局部在45o以上，新选厂的建设，开挖坡脚，致使上述结构面露于人工边坡上，由于人工边坡大部分尚未采取防护措施，或设计有挡土墙，但施工进度缓，使岩土体长期暴露受风化影响而强度迅速降低，在暴雨或其它突变因素诱发下，易产生滑坡。

1.3 降雨条件

滑坡区属亚热带气候，四周环山，气候湿润，植被发育，树木茂盛，雨量充沛。据龙胜县气象资料，历年年最大降雨量2 032.6mm，年平均降雨量1 546.2mm，雨季月平均降雨量273.9mm，日最大降雨量317mm，小时最大降雨量57.3mm，每年雨季集中在4~8月份，且大部分以暴雨或强降雨形式出现，延续时间长，大量雨水渗入山坡，造成地表土体重量增大和下伏含水层地下水位升高，泡软软弱结构面，使软弱结构面力学强度降低，使山体易于沿软弱结构面产生滑坡。

1.4 人类工程活动

人类对坡体的改造结果使得局部坡度变大、斜坡底部临空、坡体结构松动，地下水的作用增强，进一步恶化滑坡的稳定性。

2 极限平衡法滑坡稳定性评价

2.1 极限平衡法滑坡稳定性评价计算模型

极限平衡法是滑坡稳定性分析的主要方法，也是当前国内外应用最为广泛的较成熟的稳定性分析方法。极限平衡法也是一种定量分析方法，主要方法有：瑞典法、Bishop法、Jaubu法、Sarma法和不平衡推力法等等。其中不平衡推力法是我国技术人创造的一种滑坡稳定性分析方法，也称为传递系数法或者剩余推力法，该法计算简单，并且能够为滑坡治理提供设计推力，因此在水利、铁路、交通等部门得到了广泛的应用，在国家规范和行业规范中都将其列为推荐方法使用。

剩余下滑力按以下公式进行计算：

式中：-第i条块剩余下滑力（KN/m）；-第安全系数，取1.15；-传递系数，

；

式中：θi-第i条块所在滑动面的倾角（°）；-第i条块土的内摩擦角（°）；Ci—第i条块土的内聚力（KPa）；Li-第i条块滑动面长度；

计算模型根据稳定性计算模型，滑动带抗剪强度参数和滑体容重参数的选取按表1按雨季计算，计算结果见下表2。

表1 2号滑坡滑动带土抗剪强度和滑体容重参数取值

表2 2号滑坡剖面稳定系数和剩余下滑力计算结果表

2.2 极限平衡法滑坡稳定性评价

2号滑体除上部有少量表层路面和填土外，主要由稍密～中密状含粘土角砾组成，其胶结程度较差，透水性好，若遇长时间持续降雨，易于渗入地下，并在强风化基岩面汇集，同时由于滑床由强风化细碧岩组成，接触面土体遇水易软化，力学性质亦较低，透水性较弱，为相对隔水层，有利于地下水在其顶面滞留而软化土层形成软弱带，其顶面处于饱水状态，抗剪强度明显降低，主要表现在C、值的降低，形成—软弱带，即滑带，坡体易沿该带产生滑移。

2号滑坡目前（旱季）整体稳定系数处于1.05～1.15之间，处于基本稳定状态，（雨季）整体安全系数处于1.00～1.05之间，处于欠稳定状态，在计算中各条块滑面均采用滑带土的抗剪强度参数，因此实际稳定性要比计算值相对要高，所以不存在从滑坡体中上部剪出的可能性。

2.3 极限平衡法滑坡稳定性评价结果

在天然条件下，由于地质条件和各种影响因素没有多大改变，2号滑坡体处于欠稳定状态，在暴雨（工况Ⅱ）的情况下，2号滑坡稳定性差，将产生整体滑移。

表3 各土层材料计算参数

3 有限单元法（ANSYS）计算分析

3.1 有限单元法（ANSYS）及其计算参数

有限元法相比于极限平衡法考虑了介质的特征，相对真实地反应了边坡的受力状态。所谓有限元强度折减法，就是在理想弹塑性有限元计算中，将边坡岩土体抗剪切强度参数逐渐降低，知道其达到破坏状态为止，同时得到边坡的强度储备安全系数Fs，于是有：

有限元强度折减法不需要对滑动面形状和位置做假定，也无需进行条分，通过强度折减使边坡达到稳定状态时，非线性有限元静力计算将不收敛，此时的折减系数就是稳定安全系数。

土体破坏的标志是滑体出现没有限制的塑性变形，此时滑移面上的应变或者位移出现突变，因此，这种突变可作为边坡破坏的标志，此外有限元静力计算会同时出现不收敛。所以本章采用ANSYS有限元计算是否收敛或者滑面上节点塑性应变和位移突变作为边坡失稳的判断依据。

3.2 边坡稳定性有限元法（ANSYS）计算分析评价

对剖面5-5’分析：边坡水平方向位移随强度折减系数Fs的增加而减小，当Fs=1.2至Fs=1.24段时边坡水平方向位移的减少程度放缓，表明当Fs>1.24时，边坡内积蓄的能量因2号边坡的滑动而释放。边坡塑性变形随着强度折减系数Fs的增加而逐渐增大，当Fs=1.25时由于下部塑性变形增大使2号滑坡的上部不能保持原有状态而失稳，造成滑坡的产生。分析得出：5-5’剖面的边坡安全系数应为1.24。剖面5-5’不同折减系数影响得到表4；在此表上得到图2和图3。

表4 5-5’剖面不同折减系数对边坡的变形

对剖面6-6’分析：边坡水平方向位移随强度折减系数Fs的增加而减小，当Fs=1.08至Fs=1.09段时边坡水平方向位移的减少程度放缓，表明当Fs>1.09时，边坡内积蓄的能量因2号边坡的滑动而释放。边坡塑性变形随着强度折减系数Fs的增加而逐渐增大，到了一定值时保持值不变，当Fs=1.1时由于下部塑性变形增大使2号滑坡的上部不能保持原有状态而失稳，造成滑坡的产生。分析得出：6-6’剖面的边坡安全系数应为1.09。剖面6-6’不同折减系数影响得到表5；在此表上得到图4和图5。

表5 6-6’剖面不同折减系数对边坡的变形

对5-5’剖面和6-6’剖面得出结论：随着折减系数的增加，水平正方向位移最大值越来越小，并且塑性变形最大值越来越大，2号滑坡存在稳定性失稳。

4 极限平衡法与有限元法（ANSYS）的比较

从剩余推力法与有限元法（ANSYS）计算得出的结果的比较，见表6：天然状态下，坡体由于受重力的影响有向前和向外的微小位移，坡体的位移量从顶部至坡脚逐渐减小。在天然状态下，坡体向趋于稳定性的方向发展，并且保持一种平衡状态，整体失稳的可能性不大；在降雨状态下，坡体由于降雨影响使坡体重力增加，打破了某种平衡状态，由于原先的平衡被打破需要重现建立新的的平衡，但是这种平衡在降雨的条件下一直没有建立，故导致了坡体的失稳。

表6 不同计算方法得出的结果

5 结论

1）建立了2号滑坡定量分析的极限平衡法中的不平衡推力法和有限元法（ANSYS）中的有限元强度折减法。通过在材料力学性质的试验确定各岩土层的物理特性，建立起地质模型，确定本构模型的选取，确定了2号滑坡在天然状态处于暂时稳定状态，在暴雨状态时整体处于不稳定状态。

2）采用不平衡推力法和有限元强度折减法两种方法对滑坡稳定性进行系统的地质评价，其结论都是2号滑坡在天然状态处于暂时稳定状态，在暴雨状态时整体处于不稳定状态，结论一致，两种不同力学理论方法的相互补充验证，克服了两只方法在力学处理上的不足，可较好反映滑坡变形破坏的实际规律。

3）滑坡是一个很复杂的变化动态体系，要多种定量方法并举、相互校核来提高评价分析的准确度。通过工程实例证明，综合系统分析是滑坡稳定性评价的重要或较佳方法。它对类似滑坡稳定性评价具有借鉴意义。

[1] 黄润秋，张倬元，王士天．高边坡稳定性的系统工程地质研究 [M]．成都：成都科技大学出版社，1991．

[2] 孙玉科，牟会宠，姚宝魁．边坡岩体稳定性分析[M]．北京 ：科学出版社，1988．

[3] 黄润秋．20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制[J].岩石力学与工程学报，2007，3：433～454．

[4] 陈祖煜．边坡稳定性分析极限平衡法的改进和应用[J].清华大学学位论文，1991．

[5] 郑颖人，赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J]．岩石力学与工程学报，2004,23（19）：3381～3388．

[6] 宋雅坤，郑颖人等.有限元强度折减法在三维边坡中的应用研究[J]．2006,10（5）：822～827．

[7] 黄书珍，胡仁喜，康士廷等编著.ANSYS12.0土木工程有限元分析[M].北京：机械工业出版社，2010,5．

Study of Landslide Stability Evaluation System Theory

XIE Ting-yong1,2ZHANG Zi-feng1BAI Yan-ping2

(1-China Nonferrous metals Guilin Geology for Mining Co. Ltd., Guilin, Guangxi 541004; 2- College of Earth Science, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 54100)

This assesses stability of No.2 landslide of the Longsheng Highway based on the geological condition and environmental background and by the use of residual thrust and finite element (ANSYS) methods. The monitoring of the reinforced landslide indicates this evaluation method is successful and effective.

landslide; stability; comprehensive assessment; residual thrust method

P642.22

A

1006-0995（2015）01-0104-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.01.023

2013-10-18

谢廷勇(1977-），男，汉族，广西桂林市人，硕士，高级工程师，主要从事岩土、地质灾害勘查治理等工作