基于综合分析法的滑坡稳定性研究与治理效果评价*

罗春雷，陈锐林，夏祥忠，胡 迪，张 超，邓小波

(湘潭大学 土木工程与力学学院，湘潭 411105)

基于综合分析法的滑坡稳定性研究与治理效果评价*

罗春雷，陈锐林，夏祥忠，胡 迪，张 超，邓小波

(湘潭大学 土木工程与力学学院，湘潭 411105)

不平衡推力法是滑坡稳定性分析中应用最为广泛的一种极限分析法，其计算简洁并且能够为治理工程提供滑坡推力设计值，但需人为确定坡体的滑动面，使其在相邻滑块倾角变化较大时计算结果偏大.鉴于此，基于综合分析方法以某滑坡实例为研究对象做了详细计算分析，结果表明：应用ABAQUS模拟计算得到的边坡塑性区形态与现场实测滑动面相近，滑动面位置基本处于边坡的强风化岩与中风化岩交界面；不平衡推力法所得安全系数(Fs=1.183)与数值分析所得结果(Fs=1.02)较为接近.提出了预应力锚索抗滑桩+锚杆框格梁的滑坡治理方案，有效的阻断滑坡塑性区的发展和控制坡体变形，处治后边坡自重工况下Fs=1.76，处于稳定状态.

折线型滑面；不平衡推力法；有限元强度折减法；稳定性系数

折线滑动是边坡一种基本的滑移失稳形式，其滑面分布形态更接近于工程实际滑坡形态.对于此类滑坡稳定性的准确分析，能够更好地为现场边坡稳定性分析和治理提供有力的技术支持[1-2].不平衡推力法是一种简单实用的滑坡稳定性分析方法，适用于任意形状的滑动面，不需要经过复杂的迭代计算而给出能够满足一般工程需要的稳定系数值.但是不平衡推力法难以准确地判定潜在滑动面的位置.学者们进行了大量理论分析和计算，研究了不平衡推力法计算结果偏大的原因，提出相邻滑块滑面倾角变化不得大于10°的使用条件[4-7]；文献[8]提出一种改进法，其计算的收敛速度更快，结果精度更高，为滑坡稳定性分析提供了新的思路.文献[9]基于抗滑稳定矢量和原理，推导了新的滑坡推力计算公式，很好地解决了计算精度受各滑块滑动面倾角变化大小的影响.随着计算机的使用及普及，许多大型数值分析软件相继出现，有限元法作为数值分析方法中最为成熟的一种方法，因其在计算前不需要假定边坡的潜在滑动面、能直观看到岩土体应力应变情况等优点，在岩土工程中得到了广泛的使用[10].因而，如果能将基于极限平衡理论的不平衡推力法与有限元法两者的优点相结合，综合分析考虑，可为后续的滑坡治理工程的开展提供更合理的理论依据和设计参数.

1 工程概况

1.1 工程简介

滑坡位于湖南某河谷、丘陵地区，滑坡由前后2个单体滑坡(北部Ⅰ号滑坡体和南部Ⅱ号滑坡体)组成.北部Ⅰ号滑坡体，已滑动，体积17.29×104m3；南部Ⅱ号滑坡体，正在发展变形中，体积8.46×104m3，总体积25.75×104m3，为中型牵引式滑坡.根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZT0219-2006)，该滑坡的防治工程级别为Ⅰ级.此次，本文后续滑坡稳定性研究以Ⅱ号滑坡体为研究对象，Ⅰ号滑坡体不作考虑(滑坡平面简图见图1).

图1 滑坡平面简图

1.2 水文与工程地质条件

(1)地形地貌

滑坡区属浅变质岩中低山地貌，山体呈东西走向，地势整体南高北低，海拔高程300～1100 m，沟谷较发育，且多呈“V”型谷，山坡陡峻，坡角一般20°～40°，局部地段可达50°左右.

(2)地层岩性

滑坡区分布出露地层有第四系残坡积层(Qel+dl)、上元古界板溪群五强溪组(Pt3bnw).残坡积层分布于斜坡表面，主要为成分粉质黏土；下伏基岩为上元古界板溪群五强溪组，板状构造，表层风化强烈，岩质软，下部为中风化，岩质较硬.岩土强度参数如表1所示.

表1 岩土强度参数

(3)滑面特征

根据现场勘查结果，初步判断潜在滑动面为强风化岩与中风化岩的交界面，滑动面主要受岩土界面的起伏而变化，大致呈折线形，滑带土层厚约为0.3 m.

(4)水文

2 滑坡形成机制分析

依据滑坡规模、地形地貌以及滑坡受力情况，综合判定Ⅱ号滑坡变形破坏模式为中型牵引式顺层滑坡.滑坡形成机理：(1)滑坡区域位于沟谷岸坡，顺层坡，坡度约20～40°，且坡脚由于人类工程活动形成了临空面，为滑坡发育提供了地形条件；(2)下伏粉质粘土夹碎石，基岩表层风化强烈，结构面破碎，是滑坡形成的物质基础；(3)岩土体的结构松散，地表水、大气降水等极易从渗入坡体内部，是滑坡形成的诱因.

3 滑坡失稳有限元模拟

采用ABAQUS大型有限元软件对折线滑动模式下的堆积层滑坡破坏模式及塑性区的分布进行数值研究，有基本假定如下：(1)模型满足平面应变条件；(2)各土层为均质土，并符合Mohr-Coulomb准则；(3)不考虑地下水的作用.

通过设置场变量FV1(FV1=0.5～2.0)，实现在ABAQUS中对边坡岩土抗减参数折减，根据强度折减安全系数的定义，可知：

ci=c/FV1

(1)

φi=arctan(tanφ/FV1)

不同时段塑性区分布图(详见塑性区分布图2～4)表明，一开始是在边坡顶部分出现屈服，随t的不断增大逐渐向下发展、延伸，当t=1.35时，塑性区基本贯通，此时Fs=1.02，其中边坡坡脚是变形值最大的部位，塑性变形达到5 mm.

自重状态下边坡的塑性应变区域(可近似视为滑裂面)可基本视为沿着岩土界面的贯通平面，塑性区的分布状态和形状与现场勘查测定的滑动面(现场实测滑动面如图5所示)基本一致，说明采用有限元强度折减法的边坡失稳模拟结果以及用于确定滑动面分布情况是可行的，符合工程实际情况.

图2 t=1.29塑性区分布

图4 t=1.35塑性区分布

图3 t=1.32塑性区分布

图5 实际滑动面

4 稳定性计算

采用不平衡推力法计算滑坡稳定性时，首要步骤是依据边坡的稳定性状态确定岩土体抗剪强度指标的取值：当边坡已经完全失稳形成滑坡时取残余抗剪强度cc、φc，也就是滑带土的抗剪强度，对于正在变形发展尚未滑动的边坡则取其峰值强度c、φ.

应用得到的滑动面确定不平衡推力法计算模型，为保证治理工程具有足够的安全储备，计算时取残余抗减强度指标.采用的简化不平衡推力法计算公式如下：

(2)

Pi=KTi-Ri+Pi-1ψi-1

(3)

式中：ψi——传递系数，ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi；Pi——条块i的滑坡推力设计值；Pi-1——条块i-1传递给条块i的剩余下滑力数值；Ti——条块i的下滑力：Ri——条块i的抗滑力：

4.1 计算工况选取

滑坡治理根据其危害对象程度及潜在经济损失，确定本滑坡防治工程等级为Ⅰ级，根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219-2006)第5.4章节相关规定，确定滑坡稳定性计算工况、荷载组合及抗滑稳定安全系数见表2.

表2 稳定性计算工况组合

4.2 计算模型选取

选取主滑剖面E-E'作为稳定性的计算模型，滑动面的位置根据勘察资料以及下文有限元强度折减法计算所得塑性区综合确定(主滑剖面E-E'简图如图6所示).

图6 稳定性计算模型简图

4.3 稳定性计算结果

上述稳定性计算结果表明(见表3、表4)，工况Ⅰ下边坡处于稳定状态；工况Ⅱ下坡体处于临界状态，安全系数Fs=1.034.

表3 稳定性计算结果(1)

表4 稳定性计算结果(2)

5 滑坡治理方案与效果评价

5.1 滑坡治理方案

抗滑桩位置是根据场地的地质条件，滑体厚度，后缘滑坡稳定性，是否会发生越顶破坏及整个工程造价综合考虑的，而滑坡抗滑桩设计推力取值依据拟设计抗滑桩条块所在位置的滑坡推力取值，抗滑桩设计推力取值见表5.

表5 抗滑桩设计推力取值

根据计算和模拟结果制定了预应力锚索+方形抗滑桩+锚杆框格梁滑坡防治工程的处治方案，治理方案布置如下(如图7所示).

Ⅱ号滑坡前缘采用锚杆框格梁治理，框格梁为非嵌入式，锚杆间距3.0×3.0 m，长12 m，锚固段长5 m，采用1φ28钢筋，框格梁采用C30砼浇筑，截面尺寸400×300 mm.

Ⅱ号滑坡坡体设置1排抗滑桩，桩长16 m，其中嵌入中风化板岩以下8 m，桩身尺寸为2.0×3.0 m，桩间距4.0 m，桩身采用C30砼浇筑；设2排锚索，第一排锚索采用6Фs21.6钢绞线，间距5.0 m，采用，锚孔孔径150 mm，倾角15°，锚固段长度6.5 m，总长度16.0 m；第二排锚索采用5Фs21.6钢绞线，锚孔孔径150 mm，倾角15°，锚固段长度5.0 m，总长度13.5 m.

图7 Ⅱ号滑坡支护结构简图

5.2 加固效果评价

建立支护结构作用下的边坡三维数值模型(模型参数取值详见表6)，分析其坡体变形情况.

表6 支护参数取值

图8表明，边坡在治理后塑性区的分布较治理前有着明显改变，因为抗滑桩的存在阻断了塑性区的发展，其不再是沿着坡体岩土界面延伸直至贯通坡脚，而是桩前上部坡体在达到一定变形值后，土体沿着抗滑桩墙面向上滑动，当塑性区沿桩身向上贯通，对应安全系数Fs=1.76，说明边坡在自重状态下处于稳定状态，符合设计要求；设置的预应力锚杆框格梁，使得坡脚处的塑性变形值大幅减小，坡体变形主要集中在上部，加固效果显著.

图8 治理前后塑性区分布对比

6 结语

(1)应用ABAQUS大型有限元分析软件模拟了Ⅱ号滑坡在自重工况下的整个失稳过程，计算得到的塑性区形态与现场实测滑动面相近，滑动面位置基本处于边坡的强风化岩与中风化岩交界面，并以此建立了后续不平衡推力法的计算模型.工况Ⅰ时边坡处于稳定状态；工况Ⅱ下边坡处于为临界状态，安全系数Fs=1.034；不平衡推力计算结果与数值分析所得安全系数(Fs=1.02)接近.

(2)预应力锚索抗滑桩+锚杆框格梁的滑坡治理方案，有效的阻断滑坡塑性区的发展和控制坡体变形，处治后的边坡处于稳定状态，自重工况下Fs=1.76，满足规范要求，可为类似工程提供参考.

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LandslideStabilityandEvaluationofTreatmentEffectBasedonComprehensiveAnalysisMethod

LUO Chun-lei, CHEN Rui-lin, XIA Xiang-zhong, HU Di, ZHANG Chao, DENG Xiao-bo

(College of Civil Engineering&Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

Unbalanced thrust method is the most widely used limit analysis method in landslide stability analysis. Its calculation is simple and can provide landslide thrust design value for the control project, but it is necessary to determine the sliding surface of the slope. When the inclination of the block is large, the calculation result is too large. In this paper, a large number of calculation and analysis are carried out based on the comprehensive analysis method. The results show that the plasticity of the slope is similar to that of the measured sliding surface by ABAQUS simulation. The sliding surface is basically at the strong wind metamorphic rocks and metamorphic rock interface; The safety factor (Fs=1.183) of the unbalanced thrust method is close to the result obtained by numerical analysis(Fs=1.02). This paper puts forward the landslide control scheme of prestressed anchor cable anti-slide pile and anchor box girder beam, which can effectively block the development of landslide plastic zone and control the deformation of slope body, and the slope is in steady state,Fs=1.76.

folded sliding surface; imbalance thrust force method; strength reduction FEM

2017-06-06

教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20104301120004)；教育部科学技术重点项目(211127)；湖南省教育厅优秀青年项目(10B105)；第49批中国博士后科学研究基金(20110491260).

罗春雷(1992-)，男，硕士研究生.研究方向：结构工程.通信作者：陈锐林(1971-)，男，副教授，研究方向：桥梁结构设计理论和车桥耦合振动、风车桥系统动力学.

TU43

A

1671-119X(2017)04-0071-06