基于Flac3D的贵阳茶山沟斜坡变形破坏机理数值模拟研究

贵州有色地质工程勘察公司，贵州 贵阳 550002

对于某个具体堆积体斜坡的成因而言，大多是多期次、多种作用的复合结果[1-2]。按其形成的原因可分为冲洪积堆积、崩坡积堆积、滑坡堆积、泥石流堆积、残坡积堆积、复合堆积等类型[3-4]。张倬元等[5]认为滑坡岩土体应该重点研究其变形破坏过程和机制，提出了累进性破坏以及滑坡变形破坏的机制模式。目前有许多学者使用Flac3D软件做过相关研究，并结合工程地质条件分析，通过Flac3D数值模拟应力分布和变形特征，对滑坡的变形破坏机制进行了深入的探讨[6]。

1 工程概况

滑坡位于贵阳市南明区红岩地块，北侧紧邻南明河，南侧为山地。滑坡所在斜坡呈上陡下缓趋势。滑坡的中部和前部已人工开挖，形成多级近似垂直台阶。区内出露的松散覆盖层主要为第四系残坡积地层（Q4dl+el）、老滑坡堆积层（Q4el）。基岩地层主要包括泥盆系蟒山群（Dms）石英砂岩、志留系高寨田群（Sgz）泥灰岩。该滑坡呈舌形，纵向长约550m，前缘宽120m，中部宽约100m，后缘宽180m，体积约为145万m3。

2 三维地质模型的建立

（1）模型范围及边界。模型边界前至南明河岸坡，后至斜坡坡顶，左右侧以堆积体范围向外扩展60m左右。模型长985m、宽713m，相对高差约285m，整体模型见图1（a），具体堆积体范围见图1（b）。

图1 斜坡数值模型的建立

（2）抗滑桩及监测点的布置。模拟工程实际情况对斜坡进行简化后的支护，见图2（a）。监测点的布置可以更加直观地分析特殊点的位移情况。对模型布置了3个观测点，见图2（b），分别监测X（正东）、Y（正北）、Z（向上）方向的位移。

图2 抗滑桩布置及监测点布置图

（3）介质参数。斜坡岩土体具体物理力学参数见表1。

表1 斜坡岩土体物理力学参数

（4）计算方案。模型达到初始平衡状态后，根据施工开挖实际情况对第二阶段和第三阶段的开挖以及开挖后的暴雨工况进行模拟，对斜坡应变场与堆积体、桩体的应变场，监测点以及模型的最大不平衡力进行分析。

3 地质模型的计算与分析

（1）第二次开挖。第二次开挖后的整体位移图与矢量图见图3。第二次开挖部位后部，由于左侧低排抗滑桩和右侧高排抗滑桩的支护作用，两侧部位向正北方向的位移有所减弱，说明抗滑桩在第二次开挖阶段中对后部的堆积体起到了支护的作用，而中部未进行支护的部位，正北方向的位移变形较大。

图3 斜坡第二阶段开挖后位移云图

第二次开挖后的桩体位移主要为正北方向，见图4，双排桩从最内部向两侧方向桩体的变形越来越小。其中变形最大的抗滑桩为低排抗滑桩最内侧桩，桩体产生近正北方向的位移，主要是因为受到后部牵引区浅部堆积体近正北向的挤压。

图4 第二阶段开挖后桩体位移云图

（2）第三次开挖。第三次开挖后的整体位移云图见图5。此次开挖不仅导致前部抗滑区因卸荷回弹产生了变形，更直接导致了中部滑移区与后部牵引区变形的加剧，尤其是后部牵引区的后边界与第二阶段开挖靠近抗滑桩一侧的临空面，变形位移几乎增加了一个量级，这说明第三阶段的开挖对斜坡的整体稳定性产生了较大的影响。

图5 斜坡第三阶段开挖后位移图

第三阶段的开挖直接导致了后部牵引区产生了更大的变形，从而导致双排抗滑桩的受力增加，位移变大，见图6。其中低排抗滑桩最内侧的桩体顶部的位移变化最大，总体就桩体的变形破裂迹象而言，低排抗滑桩变形破坏比高排抗滑桩严重，低排抗滑桩与高排抗滑桩由内侧向外侧变形量逐渐降低。

图6 第三阶段开挖后桩体位移云图

（3）暴雨工况下监测点位移及最大不平衡力变化情况。降雨之后，2号监测点在正东方向上的位移增加至3.5cm；在Z方向上下降至12.5cm左右。降雨对滑坡后部牵引区产生了显著的影响。降雨对3号监测点正东方向和Z方向的位移影响较小，对正北方向的位移产生了一定的影响，说明降雨之后前部抗滑区向正北方向产生蠕滑的可能性较大。1号监测点正北方向与Z方向都存在位移量，其中正北方向位移变化量较大。降雨条件下监测点位移及最大不平衡力变化情况见图7。

图7 降雨条件下监测点位移及最大不平衡力变化情况

模型在降雨条件下最大不平衡力收敛但不趋于0，说明模型发生了塑性破坏或流动，即斜坡堆积体的位移仍然会持续增加。

4 斜坡变形破坏机制

通过现场调查分析及地质模型计算结果，影响该滑坡复活的主要因素为松散的岩土体结构、地形地貌、人类工程活动。该滑坡变形破坏过程主要划分为三个阶段：

（1）卸荷回弹变形阶段。第一阶段开挖首先从南明河岸坡开始，主要对堆积区前缘坡脚进行开挖，对堆积体尚未产生显著影响，但从一定程度上释放了前部抗滑区的应力，使堆积体产生了一定的卸荷回弹变形。

（2）蠕滑变形阶段。第二阶段开挖对后部堆积体的稳定性产生了较强的消极作用，降低了堆积体的抗滑力，此阶段开挖是导致后部牵引区堆积体沿基岩与堆积体界面产生蠕滑变形的主要原因。

（3）卸荷回弹变形与滑移—拉裂阶段。第三阶段的开挖释放堆积体内部残余应力，坡体产生了明显的卸荷回弹变形，坡体沿内部软弱带向临空面方向产生位移。后部牵引区与中部滑移区在第三阶段开挖后产生整体滑动，在后部牵引区出现了多条横向拉张裂缝、在中部滑移区的左右边界产生了多个剪切口以及羽状裂隙。

该滑坡是在不利的地质条件基础上，由不合理的人工开挖导致的，其演化发展的地质力学模式为蠕滑—滑移—拉裂。

5 结论

（1）第二阶段的开挖改变了斜坡堆积体的应力状态，主要诱发了第二阶段开挖临空面后部堆积体及桩体向正北方向产生位移；第三阶段在斜坡中前部的大量开挖降低了堆积体整体稳定性，导致了受第三阶段开挖影响范围内的堆积体与桩体位移量的增加。在降雨条件下，斜坡受开挖影响范围内堆积体的位移持续增加。（2）松散的岩土体结构、上陡下缓地形地貌是茶山沟斜坡堆积体局部复活的主要内因，人类工程活动的大量开挖是外因，在内因和外因共同作用下使堆积体局部复活诱发滑坡。滑坡复活变形破坏的地质力学模式为蠕滑—滑移—拉裂。