岩质滑坡稳定性有限元分析

关祥

摘 要：目前国内外大多数规范中推荐或者强制性规定滑坡稳定性分析采用极限平衡法。由于极限平衡法本身的局限性，存在诸多不合理之处，如何对其进行改进使之更加合理已成为岩土工程中的重要课题之一。针对岩质滑坡存在明显的软弱滑动 带的特点，提出了有限元计算过程中不同滑动带的处理方法，结合工程中常用的不平衡推力传递法，给出了滑坡稳定性的有限元分析方法，将其应用于芡草沱滑坡，并与基于刚体极限平衡原理的不平衡推力传递法的计算结果进行了比较，表明其计算方法可靠，可直接应用于实际工程。

关键词：岩质滑坡；软弱滑动带；稳定性；有限元分析

目前国内外大多数规范中推荐或者强制性规定 滑坡稳定性分析采用极限平衡法。由于长期采用极限平衡法，人们积累了丰富的使用经验，已被广大工程技术人员所接受，但是，由于都是假定岩土体为理想刚塑性材料，把岩土体作为刚体按极限平衡 的原理进行力（或力矩）的分析，完全不考虑岩土体内部的应力与变形，所求出的安全系数只是所假 定的滑裂面上的平均安全度。实践表明，稳定与变 形有着相当密切的关系，坡体失稳往往伴随着较大的垂直沉降与侧向变形。有限元法恰好能够弥补它是将强度折减技术与弹塑性有限元方法相结合，通过针对某一强度折减系数下进行边坡的弹塑性有限元分析，得到边坡内的应力场、应变场、位移场，然后，再根据位移、广义剪应变等描述变形程度的 某种物理量作为评判指标，定量地描述边坡的潜在 塑性破坏区及其程度与发展趋势，据此基于一定的 经验评判准则，确定边坡的极限平衡状态，并将由此所确定的相应强度折减系数作为边坡的稳定系 数。从不同的角度对强度折减有限元分析方法进行了理论探讨和应用，并给出了算例，但其 算例多为均质材料，应用于复杂的岩质滑坡尚需进 行深入研究。为了便于工程应用，采用上述第一种思路，针对岩质滑坡存在明显的软弱滑动带的特点，本文提出了有限元计算过程中不同滑动带的处理方法，结合工程常用的不平衡推力传递法，给出了滑坡稳定 性的有限元分析方法。将其应用于芡草沱滑坡，并与基于刚体极限平衡原理的不平衡推力传递法的计算结果进行了比较，表明其计算方法可靠，可应用于实际工程。

1 岩质滑坡稳定性分析原理

采用有限元分析存在明显软弱滑动带的岩质滑坡的稳定性，首先，根据滑坡地质特征建立物理力 学模型和结合滑坡岩土体类型及滑动带特征进行分区，并对其进行离散化；然后，选择合适的岩土体本构关系，确定相应的力学参数；接着，施加约束 条件和荷载进行非线性有限元分析，得到滑坡内应 力场；最后，利用有限元所得的应力场进行滑坡稳定性计算。

1.1有限元二维应力分析方法简介ANSYS是目前最流行的大型通用有限元计算软件之一，具备强大的非线性功能、能够模拟大变形等优点，本次计算采用了该软件平台。对于有限元分析步骤在此不予介绍，仅介绍本研究所采用的本构模型及屈服准则和非线性问题的求解。

1.1.1本构模型及屈服准则岩土材料的本构关系有多种，考虑到滑坡材料的力学特征，选取Drucke卜Prager模型（D-P模型[S1）。该模型是在考虑静水压力影响的广义Mises屈服准则基础上建立的，屈服准則采用了Drucker-Prager 准则，其流动准则既可以使用相关流动准则，又可以使用不相关流动准则。D.P模型的优点是采用简单的方法考虑了静水压力对屈服和强度的影响，参数少，计算简单，同时也考虑了岩土类的剪胀性，缺点是没有反映材料三轴拉压强度的不同、纯静水 压力可引起岩土类材料的屈服和破坏及应力Lade 角对塑性流动的影响。此材料模型适用于岩石和土 壤等颗粒状材料。D.P模型除了输入密度、弹模和泊松比外，尚需要输入3个参数：粘聚力c、内摩擦角口和膨胀角仇。对于c和9，这里不再介绍。仇为用来控制 体积膨胀大小的参数，对于压实的颗粒状材料，当 材料受剪时颗粒会发生膨胀，如果膨胀角仍=0，则不会发生体积膨胀：如果仇=妒，则会发生严重的体积膨胀。

1.1.2非线性问题的求解对于非线性问题的求解，常用的有逐步递增载荷和平衡迭代两种。一种近似的非线性求解，是将载荷分成一系列的载荷增量，在几个载荷步内或在一个载荷步的几个子步内施加载荷增量。在每一个增量的求解完成后，继续进行下一个载荷增量之 前程序，调整刚度矩阵以反映结构刚度的非线性变化。遗憾的是纯粹的增量近似不可避免地随着每一个载荷增量积累误差，导种结果最终失去平衡。ANSYS程序通过使用牛顿.拉普森 平衡迭代克服了这种困难，它迫使在每一个载荷增 量的末端解达到平衡收敛（在某个容限范围内）。然后程序使用非平衡载荷进行线性求解，且核查收敛性。如果不满足收敛准则，重新估算非平衡载荷，修改刚度矩阵，获得新解，持续这种迭代过程直到问题收敛。

1.2滑动带在计算中的处理方法大量计算结果表明，对于滑动带采用不同的处理方法，对应力的计算结果会产生明显的影响。因此，应针对滑坡的特点选取符合实际的滑动带处理 方法对于保证计算精度是十分必要。本文针对处于不同滑动阶段的滑坡和不同的滑动带特征，提出了3种处理方式：（1）滑动带厚度非常小，滑坡尚未滑动时，在有限元计算中将滑动带作为单元界线能够比较真实地模拟滑坡的应力状态；（2）滑动带厚度非常小，滑坡已处于缓慢滑动状态时，在有限元计算中将滑动带作为节理单元或接触单元能够较真实地模拟滑坡的应力状态；（3）滑动带厚度较大时，无论滑坡是否处于滑动状态，在有限元计算中将滑动带作为软弱夹层能够较真实地模拟滑坡的应力状态。

1.3稳定性评价工程实践中，一般采用极限平衡法来定义滑坡稳定性系数。将有限元与极限平衡法相结合，既能反映滑坡的稳定和变形之间的密切关系，又能用工程界所熟悉的稳定系数来评价滑坡的整体稳定性计算。

2 计算实例

2.1滑坡概况以芡草沱滑坡为例，其滑体由砂质粘土夹碎块石和碎裂岩体混合组成。砂质粘土呈褐黄色，浅黄色及黄灰色，中等密实，干燥状态下强度较高，湿润状态下有较好的粘性和可塑性；碎块石成分以 泥灰岩、泥质砂岩为主，泥岩、砂质泥岩次之，呈棱角状粒径一般为5～15 cm，最大颗粒可达 30 cm：碎裂岩体由巴东组第二段、第三段和第四段 的砂质泥岩、泥岩、泥质灰岩经过变位破坏而成，中间多夹有砂质粘土、粘土及碎块石，滑体总厚度为42.37"-"114.13 m。