黄土地区滑坡稳定性有限元分析

李国圣

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 概述

滑坡是指斜坡上的土体或者岩体在一定条件下变形、破裂、向坡下运动的自然物理地质现象。滑坡虽是山体斜坡的一种自然或者人为变形现象，但当其威胁到人类的生存或者工程的建设时，就成为了一种灾害。它能够中断交通，堵塞河道，摧毁厂矿，掩埋村镇，造成人员伤亡和巨大的经济损失。

组成滑体的岩土在我国不同地区有着不同的分布规律，而且产生滑坡的原因，滑坡外貌特征，滑坡运动特点也不尽相同，整治方法也有一定的差异。据此将滑坡分成六大类:黏性土滑坡、黄土滑坡、堆填土滑坡、堆积土滑坡、破碎岩石滑坡及岩石滑坡。黄土滑坡的滑体物质主要由第四纪各种成因的黄土及黄土类土组成，本文涉及的滑坡地处山西吕梁黄土地区，为典型的黄土类型滑坡。

2 工程概况

本工程为山西吕梁地区柳林县境内一铁路工程，该滑坡位于某大桥桥台与隧道进口处(如图1)，该处地层从上至下依次为:晚更新世(Q3)新黄土，中更新世(Q2)老黄土，三叠系下统和尚沟组(T1h)泥质砂岩、泥岩互层。

图1 滑坡照片

经过对该处现场地质调绘和分析发现，该处为一黄土土质滑坡，滑坡产生的机理如下:

①该处地层上部以新黄土为主，下伏较薄的老黄土，新黄土中粉粒含量较高，黏粒含量较少，结构较疏松，受环境侵蚀作用强烈，稳定性较差，滑动面易切穿该地层。

②黄土具大孔隙结构及垂直节理，有利于表水下渗，特别是多雨季节表水下渗较严重。该处黄土的下伏地层为泥岩与泥质砂岩互层，当表水下渗至此层时，由于泥岩相对隔水，水易于将土石界面处黄土浸润软化，力学性能急剧下降，从而形成贯通的滑动面。

③该坡体前缘为一河沟，由于泥岩与泥质砂岩之间差异风化，导致滑体前缘下伏基岩风化崩解严重，坡体前缘临空面发育加速，从而为滑坡的进一步发展提供了有利的条件。

3 滑坡的有限元分析

经过现场的工程地质测绘，该处滑坡平面位置如图2所示。

图2 滑坡平面位置

有限元分析的基本思想是将连续的求解区域离散成按一定方式，通过一定的力学准则连接在一起的单元组合体，可以求解复杂的模型。其基本求解过程为:建立模型，划分网格，求解模型及利用后处理器查看计算结果。下面以该滑坡一个主轴剖面为基础，建立ANSYS模型进行求解分析。由于水对滑坡的影响较大，自然状态及饱水状态下的稳定性可能有较大的不同，现分别分析自然状态及饱水状态下滑坡的稳定性，滑带土的力学指标如表1所示。

表1 滑带土的物理力学指标

根据上述条件建立有限元模型，在求解之后对其结果进行分析，可得滑坡在自然状态及饱水状态下的安全系数云图(如图3、图4所示)。

图3 自然状态下边坡安全系数云图

图4 饱水状态下边坡安全系数云图

由图3、图4可知，在自然状态及饱水状态下，边坡在各处的安全系数不尽相同，在b处边坡的安全系数较高，均在1.0以上，坡体的此部分相对稳定。在滑坡的前缘处，由于该处临空，安全系数较小，处于临界状态，在自然状态下相对稳定，在饱水状态下可能会发生塑性流动。在坡体的a处，该处为滑坡体的后缘，可以看出，该处在自然及饱水状态下安全系数均较小，部分区域已发生塑性流动。综合分析可知，滑坡体的各处受力状态差别较大，部分区域发生了塑性变形，由于塑性区域并未贯通，滑坡体整体表现为稳定状态。饱水时滑体整体的安全系数小于自然状态，且塑性区会有进一步贯通的趋势。

4 结论

(1)介绍了常见滑坡的类型，通过对工区边坡的工程地质条件分析，得出了该滑坡的形成机理，从而在直观上判定了该处滑坡的存在。

(2)运用有限元的方法对该处滑坡进行稳定性分析，得出了该处滑坡在自然及饱水状态下的稳定状态及塑性区分布图。对两种工况下的安全系数云图进行分析，认为该处滑坡在饱水状态下安全系数较小，塑性区域较大，有进一步贯通的趋势。由于该工程为铁路初测阶段，后将线路进行了调整，躲开了该处滑坡。

(3)通过上述的有限元分析可得出，运用ANSYS有限元分析来判定滑坡的稳定性，不必事先假定滑动面。而是通过计算滑坡体内部各处的应力状态，之后通过ansys后处理器，分析坡体各处的受力状态，进而得出坡体塑性区具体的分布状况，为坡体的治理提供较科学的指导。

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