基于不平衡推力法和强度折减法的滑坡稳定性研究

刘新华， 张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031)

中国国土面积的69.1%由山区组成，在山区修建公路或者铁路时，往往会遭遇危及人民生命财产安全的滑坡灾害[1-2]。在施工过程中，由于开挖深路堑极易扰动滑坡体，因此目前大多采用开挖隧道的方式来通过滑坡地段。施工的扰动对滑坡有很大的影响，因此关于隧道对滑坡影响规律的研究是必要的。

目前已有一定的研究基础：郭松[3]以柴家坡隧道为例，研究了隧道及滑坡的变形机理及相互作用，并提出了相应整治措施。王国欣等[4]综合地质条件、施工情况和监控量测结果，认为滑坡的产生主要和地质、水文及人为因素有关。周德培、张鲁新等[5-6]综合东荣河蠕动性滑坡的现场勘测、滑坡检测和室内试验结果，研究了滑坡成因和隧道变形机理及特征，并辅以模型试验进行验证其准确性，为该类型滑坡体的隧道病害防治措施提供了理论依据。毛坚强等[7]以某一建于滑坡中的隧道为例，将滑动面视为接触边界，应用接触问题的有限元算法研究滑坡隧道的受力变形特征。陶志平等[8]通过室内模型试验研究了滑坡与隧道的相互作用机理和隧道变形规律，为滑坡隧道变形问题提供了依据。陈守义[9]对滑坡地段开展了室内地质力学模型试验，研究了坡体-隧道的相互作用机理和变形特征。吴红刚等[10]将隧道-滑坡体体系依据隧道与滑动面的相对空间位置分类为平行、正交、斜交3种，并研究了不同体系受力变形模式。

可见，针对滑坡产生、发展、防治措施，当下国内外学者作了大量研究，但大多主要考虑隧道力学响应，而针对隧道施工对坡体稳定性影响的研究却不多。因此本文基于不平衡推力法和有限元强度折减法深入研究不同位置的隧道开挖扰动对滑坡的影响规律，给类似工程提供了参考。

1 工程背景

该滑坡为川藏铁路沿线上的深层牵引式岩质古滑坡，坡体几何参数见表1。

表1 滑坡体几何参数

其平面图和3D实体效果见图1。

图1 滑坡平面图和三维实体效果图

2 不平衡推力法分析滑坡稳定性

由于该滑坡各点倾角相差较小，滑坡面可近似当做折线形滑坡面，针对折线形条件下的滑坡稳定性分析，本次采用不平衡推力法，也称为传递系数法或剩余推力法,其假定条件为：计算时单个土条宽度取作1 m，土条间的条间合力平行于上一块土条的底面。

2.1 滑块划分及计算结果

以滑面和地表坡度的变化为依据，将坡体分为26个滑块，块细分图和计算结果如图2、表2所示。

表2 滑块细分计算结果

图2 滑动主轴断面细分滑块

其中，S为面积(m2)，φ为倾角(°)，L为长度(m)，Ri为抗力(kN/m)，Ti为滑力(kN/m)，Ri-Ti为合力(kN/m)，Ri/L、Ti/L、(Ri-Ti/)L分别为均布抗力、均布滑力和均布合力(kN/m2)。

2.2 结果分析

2～8号滑块抗力较大，视为抗力主要提供区域，其中6号滑块的均布抗力最大，为944.06 kPa。4～9号滑块滑力较大，视为滑力主要提供区域，其中7号滑块的均布滑力最大，为723.93 kPa。

可以由计算结果划分滑动段和抗滑段，其中 1～7号和8～11号区域分别主抗滑段和主滑段； 12～22号和23～26号区域分别为抗滑段和滑动段。在上述4个区域中的控制点分别为2、8、14、23号滑块，因此数值模拟时取隧道位置分别位与这4个滑块下，滑动带与隧道拱顶间的距离取为1.5倍隧道洞径(1.5D)。

3 有限元强度折减法分析滑坡稳定性

3.1 模型参数

基于上述研究，此次数值模拟考虑隧道位置位于2、8、14、23滑块下的4种情况，滑块底部到隧道的距离为1.5D，围岩取V级围岩。模型网格参见图3～图6，滑坡体与基岩之间有一滑动带。

图3 隧道位于2号区域下1.5D位置

图4 隧道位于8号区域下1.5D位置

图5 隧道位于14号区域下1.5D位置

结合地勘资料和JTG D70-2004《公路隧道设计规范》，模型参数见表3～表5。

表3 围岩计算力学参数

表4 初期支护计算力学参数

表5 滑坡体带计算力学参数

3.2 计算结果

塑性区是判断滑坡滑动破坏的主要依据之一，所以需要对滑体的塑性状态进行评价分析。图7、图8反映滑坡的稳定性状态，其中左图为各工况下(隧道处于不同位置)，隧道开挖后的状态，右图为各工况下抗剪系数折减达到失稳临界状态，根据以下模拟结果，对两时刻的滑体塑性状态变化规律进行分析。

图7 Ⅴ级基岩中扰动位于不同位置时的等效塑性应力云图

图8 Ⅴ级基岩中扰动位于不同位置时的等效塑性区云图

3.2.1 等效塑性应力分析

滑体危险区域可由等效塑性应力图反映，可与不平衡推力法分析得出的滑体各区段特征进行比较。根据不平衡推力法分析中的结论，主抗滑段为1～7号区域； 主滑段为8～11号区域；12～22号区域和23～26号分别为抗滑段和滑动段。由有限元计算云图可以看出等效塑性应力范围位于上述4个区域的交汇处，并且最大数值位于抗滑段和主滑段之间。对比可知不平衡推力法与采用数值模拟计算结果一致。

3.2.2 等效塑性应变区分析

对于滑体塑性应变区，Ⅴ级基岩的情况下，隧道开挖后滑体塑性应变区范围和量值按从大到小排序依次为8号、23号、2号、14号滑块区域。表明在8号区域下修建隧道时，最为危险，在14号区域下修建隧道，较为安全。

坡体前缘最先进入不稳定状态，对整体稳定性的影响最大，为主要危险区域。可通过对前缘区域施作挡土墙等加固措施提高坡体稳定性。

4 结论

基于不平衡推力法和有限元强度折减法2种方法的计算和模拟，对比分析得到结论，可为类似工程提供参考：

(1)极限平衡法和数值模拟对于抗滑段和滑动段的计算结果是一致的，这在一定程度上验证了数值模拟的合理性。

(2) 从滑体塑性应变情况可以得出，在8号区域下修建隧道时是最为危险的，而在14号区域下修建隧道较为安全。

(3) 滑坡体前缘为主要危险区域，其变形过大会导致整体失稳，对前缘区域加固可有效提高坡体稳定性。