基于FLAC3D的滑带土抗剪强度指标反演分析

程 伟 王 芳 张继周

（1、宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021 2、宁夏公路勘察设计院，宁夏 银川 750001）

滑坡滑带土抗剪强度参数的取值合理与否对于准确评价滑坡稳定性是至关重要的[1]。因此，滑带土的合理取值与否，对于滑坡的设计和治理有着非常重要的意义[2]。在岩土工程中，选取合理的岩土体抗剪强度参数对正确分析滑坡稳定性和治理至关重要，尽管在这一方面国内外专家和学者做了大量研究，但是影响选取滑带土抗剪强度参数的因素十分复杂并没有得到满意的结果。因此要根据实际工程情况采取不同的方法选取滑带土抗剪强度参数就十分有必要了[3]。目前，选取滑带土抗剪强度参数的方法主要有实验法、工程类比法以及反演分析[4]这三种方法。其中工程类比法就是以实验法为基础，结合和参考附近地区类似岩土体相关的抗剪强度经验数据来确定滑带土抗剪强度参数[5]。由于有的工程试验资料有限，因此工程类比法存在着不足。不足之处在于：（1）较少的实验组数导致最终取值并不能完全反应实际的抗剪强度；（2）滑带土抗剪强度参数之间相关的关系并未能反应出来；（3）由于滑带土抗剪强度参数的不确定性和区域不同的时候可能不相同等性质，决定了在运用该方法的时候会存在人为因素，导致最终取值不太准确[1]。对于实验法而言，由于受到实验仪器和实验方法的限制，仍不能全面地模拟滑坡的实际滑动过程，所得抗剪强度参数不能确切地反映滑动带的实际情况。因此，反演法就作为确定滑带土抗剪强度参数一种行之有效的方法,它是在已经知道滑坡安全系数和滑坡滑面形状的基础上，假设滑坡在处于极限平衡状态下来反算滑坡滑带土的抗剪强度参数，由于反算法良好的综合性的特点，可以将外部没有考虑到的因素考虑到具体的反算当中去，使得滑坡稳定性分析结果和实际更加吻合[6]。为此，本文在工程地质勘察报告提供的滑坡计算参数的基础上利用FLAC3D数值模拟软件反演该滑坡（已滑塌)滑带土抗剪强度（C和φ），为后面滑坡稳定性分析和治理提供滑坡滑带土计算参数参考值。

1 基于FLAC3 D的滑带土抗剪强度参数反演分析

1.1 计算原理

1975年兴科维奇在滑坡稳定性中首次使用了强度折减法，受制于当时的计算条件，这种方法应用较少。随着计算机技术的高速发展，强度折减法逐渐成为了滑坡稳定性分析中的主流计算方法[7]。强度折减法定义为：在外荷载相同的情况下，滑坡体即将发生破坏时剪切强度与实际情况下滑坡抗剪强度的比值定义为抗剪强度折减系数Fs[7]。临界状态时的黏聚力C和内摩擦角φ为:

其中，Ctrial为折减后的粘聚力；φtrial为折减后的内摩擦角；Fs为折减系数。

1.2 建立模型

为了利用FLAC3D数值模拟软件反演出滑带土的抗剪强度参数，根据地质勘查报告，所有滑坡均选择开挖后的滑坡作为数值模拟的模型来反演滑带土抗剪强度参数。利用FLAC3D自带建模软件EXTRUSION依据工程地质剖面图建立了二号现状滑坡的三维模型。如图1所示。模型的左下角为坐标原点，X方向为坡体主滑方向，Z方向为坡体高度，Y方向为坡体宽度。二号现状滑坡开挖后的三维数值模型图模型水平方向长130m，宽5m，高57m，共2952个节点，1420个单元格。设置边界条件：模型底面、前后面、左右面全部约束，顶面自由。对滑坡地层模型进行赋值，其中：1组为滑体黄土；2组为滑体泥岩；3组为滑带泥岩；4组为滑床黄土；5组滑床泥岩。

图1 滑坡的三维数值模型图

1.3 计算参数的选取

模型采用摩尔-库伦模型（mohr），在模拟计算分析时，需要4个参数：内摩擦角（friction）、粘聚力（cohesion）、剪切模量（shear）、体积模量（bulk）[8]。其中体积模量K和剪切模量G可以通过弹性模量E和泊松比μ来转换计算，计算公式如下所示：

基于工程地质勘查报告提供的滑坡各土层参数的基础上，确定了滑坡分别在天然状态、饱和状态下的相关工程地质参数，确定了滑带土抗剪强度参数（内摩擦角φ和粘聚力C）反演取值范围。滑坡模型所用的参数如表1。

表1 滑坡材料参数

1.4 计算结果

根据工程地质勘查报告，在天然工况下选取φ=8°～12°，对C从7kPa开始取值，每次增量为2kPa,取到14kPa。在暴雨工况下，取φ=6°～11°，对C从3kPa开始取值，每次增量为2 kPa，取到11 kPa。

根据FLAC3D模拟出滑带土在天然状态下C、φ值不同组合下滑坡的稳定性系数以及饱和状态下C、φ值不同组合下滑坡的稳定性系数，结果如表2、3所示，然后由表得出C、φ值不同时下滑坡的稳定系数曲线，即为φ-Fs、C-Fs曲线和天然状态下稳定系数Fs=1.01 和暴雨工况下稳定系数Fs=0.98 的C-φ关系曲线如图2所示。

表2 滑带土天然状态下抗剪强度参数反演分析表

表3 滑带土饱和状态下抗剪强度参数反演分析表

图2 抗剪强度关系

1.5 敏感性分析

如图2所示C-φ曲线上都是Fs等于1.01 和0.98 时C、φ值的不同组合，结合工程地质勘查报告所提供的数据，在工程地质勘察报告提供数据的区间内先确定敏感性较低的一个值，然后得到另外一个值。

利用FLAC3D数值模拟软件，分别固定C、φ值其中一个值，调整另外一个值求得滑坡安全系数，如表4所示，由表4分析出滑带土抗剪强度参数对滑坡稳定性的敏感性，分析可得出每当粘聚力C降低1kpa，相应的滑坡安全系数将减小0.02；当内摩擦角φ每降低1°，滑坡安全系数将减小0.09。由此可得：粘聚力相对于内摩擦角对滑坡稳定性敏感性低。

表4 敏感性分析表

1.6 计算结果

由敏感性分析可知：粘聚力对滑坡稳定性敏感性较内摩擦角（φ）低，因此，根据工程勘察报告，先取敏感性较低的粘聚力C,然后根据反演值确定内摩擦角φ。最终反演参数如表5所示，参考图3、图4可以发现，数值模拟滑移面与实际滑面位置基本一致，证明了在不同c、φ值组合下，滑坡数值模拟反演效果的合理性。

表5 滑带土参数反演值

图3 天然状态剪切应变增量云图

图4 饱和状态剪切应变增量云图

2 结论

在工程地质勘查报告的基础上，确定二号现状滑坡（已滑塌）滑带土抗剪强度参数（C和φ）的取值范围以及其他土层相关计算参数，利用FLAC3D分别反演出滑带土在自然状态和饱和状态下的计算参数（C、φ），计算可得：在天然状态下反演结果：C=10，φ=11，在饱和状态下反演结果：C=6,φ=10。把反演出的数据带入模型中得到的反演滑面和实际滑面基本一致，反映了参数反演的合理性。