基于FLAC 3D的推移式滑坡变形破坏模式及稳定性分析

邱煜珩，舒中潘,张 军,任占强

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 611756;2.四川省地质工程勘察院集团有限公司,四川成都 610072)

滑坡是我国山区常见的地质灾害之一。依照滑坡的变形破坏模式不同，可将滑坡分为牵引式与推移式两类。前者主要发生自下而上的变形，表现为后退式渐进破坏；而后者主要发生自上而下的变形，表现为前进式渐进破坏[1]。不同变形破坏模式的滑坡在危害程度和治理方式上均存在显著差异。

目前在工程上对滑坡的变形破坏模式及稳定性的分析主要基于现场勘察结果，选取特征剖面采用极限平衡法计算稳定系数进行判定，是目前工程界普遍采用的分析方法。但极限平衡条分法在计算原理上对滑坡体进行了诸多简化，将滑坡岩土体假定为刚性，难以反映滑体内部应力应变特征，稳定系数计算亦偏于保守，易造成治理工程的浪费。为此，诸多学者[2-4]采用多种有限元数值模拟软件(FLAC 3D、Plaxis、Ansys等)对滑坡的变形破坏模式及其稳定性进行分析。有限元数值模拟方法主要的优势在于，能够分析滑坡变形破坏过程中的滑体运动特征及应力-应变分布特征，确定滑坡变形破坏模式，并可以求解较为符合真实情况的稳定系数，减少治理费用。

本文以四川省某覆盖层土质滑坡作为研究对象，建立滑坡三维地质模型。并基于有限差分软件FLAC 3D，分别对处于天然、暴雨状态下滑坡的变形特征及稳定系数进行研究，最后与工程上常用的极限平衡条分法结果进行对比验证，为类似工程的分析及防治提供参考。

1 工程概况

滑坡地处四川省邛崃市天台山镇紫荆村，属构造侵蚀中山区地貌类型，前后缘相对高差为120 m。滑坡主滑方向为40 °，总体积约为23.8×104m3，为中型覆盖层土质滑坡。滑坡区介于两侧山脊之间，与两侧山脊一起构成槽型汇水地形。

滑坡上覆土体为第四系全新统崩坡积物(Q4col+dl)，主要为碎块石土。滑体两侧土体较薄，约9 m，中部土体较厚，约15 m。滑带土为粉质黏土，厚度约0.3 m。下伏基岩为侏罗系蓬莱镇组(Jp)泥岩夹砂岩。

2 三维地质模型及边界条件

滑坡为覆盖层土质滑坡，故本文将滑坡三维地质模型分为三部分：覆盖层土体、滑体及下伏基岩。模型长473 m，宽240 m，高230 m。包含339 367个单元，61 710个节点，计算模型示意图如图1所示。

图1 滑坡计算模型

模型底部边界固定x、y、z方向速度约束；前后边界固定x方向速度约束；两侧边界固定y方向速度约束；地表自由。

3 分析工况与参数选取

滑坡区雨量充沛且为一槽型汇水地形，常年受降雨影响，滑体土与滑带土物理力学性质弱化。据现场勘查结果，滑坡发生明显变形前曾连续多日降雨，致使滑体后缘发生局部滑塌，前缘发育多条鼓胀裂缝。表明滑坡稳定性主要受降雨影响。故本文主要对滑坡天然和暴雨状态进行稳定性分析，由室内试验得知滑体基覆界面处滑带土物理力学性质与滑体土相差较大，考虑滑带土厚度相对于模型尺寸较薄，在基覆界面处设置分界面，赋以滑带土物理力学参数，以分析滑体土与滑带土共同作用下的滑坡稳定性。

为优化计算速度，对于天然、暴雨两种状态的分析采用了拟动力分析方法[5]，即分析滑体土与滑带土受降雨作用重度增至饱和状态和抗剪强度降低引起的滑坡变形破坏。主要参数如表1所示。

表1 岩土体物理力学参数

4 基于FLAC 3D的滑坡变形破坏模式及稳定性分析

本节主要结合滑坡位移、最大剪应变增量、塑性区及稳定系数综合分析滑坡的变形破坏模式以及不同状态的稳定性。

4.1 滑坡位移特征

天然状态滑体位移特征如图2所示。滑体主要发生变形破坏位置位于中上部。受滑坡区地形地貌影响，滑体上部左右两侧坡体变形大于中间坡体。位移量值最大处位于右侧坡体后缘，约为0.08 m。滑坡位移沿主滑方向位移迅速衰减。

图2 天然状态滑坡总位移云图

暴雨状态滑体位移特征如图3所示。滑坡发生整体变形破坏。滑体上部横向变形规律与天然状态相同，位移最大值为0.61 m，约为天然状态的8倍；而中下部横向变形则较为均匀。这是由于滑体上部负地形特征明显；而滑体中下部两侧坡体与中间区域高差并不大。滑坡位移扩展至前缘，位移值约为0.11 m。

图3 暴雨状态滑坡总位移云图

4.2 滑坡应力-应变特征

4.2.1 最大剪应变增量

滑坡最大剪应变增量反映了滑体内部发生剪切变形的区域，其贯通性亦可表明滑坡失稳特征。

由图4、图5可知，天然状态最大剪应变增量集中于滑坡中上部。滑体从上至下剪应变增量显著减小，表明上部土体局部滑塌造成的推挤作用沿斜坡向下迅速衰减。

图4 天然状态滑坡最大剪应变增量云图

图5 天然状态滑坡最大剪应变增量剖面

由图6、图7可知，暴雨状态最大剪应变增量扩展至整个滑体范围，其最大值出现在滑坡上部。表明滑坡上部易发生大规模剪切破坏，对中下部滑体推挤作用明显，滑体下部变形逐渐积累，最终形成整体贯通的剪切变形。沿深度方向滑体最大剪应变增量基本分布于滑带以上岩土体中，表明滑坡已发生沿滑带的整体滑动。

图6 暴雨状态滑坡最大剪应变增量云图

图7 暴雨状态滑坡最大剪应变增量剖面

4.2.2 塑性屈服区域

滑坡的塑性屈服区域用以表征滑坡发生塑性变形的位置。由图8、图9可知，天然状态塑性屈服区域主要集中在滑坡上部。滑体上部右侧坡体剪切塑性屈服范围较大，印证滑坡上部右侧为较易发生剪切变形部位。滑坡后缘边界存在小范围拉张塑性区，表明后缘易形成张拉裂缝。沿滑体深度方向，滑体上部塑性屈服区域较厚，沿斜坡向下厚度变薄且未形成贯通的剪切屈服面。

图8 天然状态滑坡塑性屈服区云图

图9 天然状态滑坡塑性屈服区剖面

由图10、图11可知，暴雨状态滑坡塑性屈服范围扩展至整个滑体。表明滑坡发生了整体的剪切变形，呈现后缘张拉-整体剪切的变形特征。后缘张拉塑性区发生横向扩展，表明滑坡后缘拉应力带扩大，土体发生拉张破坏。沿深度方向剪切屈服扩展至滑带处，且沿斜坡向下在滑体内完全贯通，表明滑坡已经发生沿滑带的整体滑动。

图10 暴雨状态滑坡塑性屈服区云图

图11 暴雨状态滑坡塑性屈服区剖面

经FLAC 3D内置强度折减法计算得天然状态稳定系数为1.143，暴雨状态下稳定系数为1.012。综合滑坡位移、最大剪应变增量、塑性区及稳定系数结果，表明滑坡天然状态变形破坏模式表现为后缘首先开裂，土体局部失稳产生向坡下的滑塌，增加滑体中部荷载，滑体剪切变形向中部逐渐积累，呈现前进式渐进破坏特征，滑坡整体处于稳定状态，具有一定强度储备。而暴雨状态滑坡上部发生大范围滑移变形，对中下部滑体的推挤作用显著增加，剪切变形扩展至整个滑体，为典型的推移式滑坡。滑坡处于临界失稳状态，强度储备极低。

5 基于极限平衡条分法的滑坡稳定性分析

本节采用工程上常用的极限平衡条分法，选用滑坡主滑方向三条剖面(图12～图14)求解滑坡稳定系数，并与数值模拟方法求得的三维滑坡稳定系数对比分析滑坡稳定性。由于极限平衡条分法广为使用，故原理和公式在此不再叙述。据滑坡防治相关规范，确定滑坡防治安全等级为Ⅲ级，安全系数Kst如下：天然状态Kst=1.15，暴雨状态Kst=1.10。滑坡稳定性评价的分级标准见表2，极限平衡条分法计算结果见表3。

表2 滑坡稳定性评价分级标准

图12 滑坡1-1’剖面条分示意

图13 滑坡2-2’剖面条分示意

图14 滑坡3-3’剖面条分示意

由表3可知，滑坡在天然状态下稳定系数大于1.10，整体处于基本稳定状态。而在暴雨状态下稳定系数均小于1.00，滑坡处于失稳状态。横向上看，滑坡右侧坡体最不稳定，左侧稳定性次之，中部再次。这与三维滑坡数值模拟的横向变形规律较为一致。对比三维滑坡数值模拟稳定系数计算结果对滑坡稳定状态判断基本相同，但三维滑坡在天然和暴雨状态下稳定系数均略高于极限平衡条分法结果。究其原因，三维滑坡的稳定系数计算考虑了岩土体间应力应变关系以及滑体与周围土体的摩阻力，故所得数值偏大，但更符合真实滑坡变形破坏情况。

表3 极限平衡条分法稳定系数计算结果

6 结论

本文主要运用FLAC 3D软件对滑坡变形破坏模式及稳定性进行分析，并与极限平衡条分法结果对比，主要结论如下：

(1)基于FLAC 3D软件对三维滑坡模型进行分析，天然状态滑坡变形破坏模式为后缘土体局部滑塌失稳，剪切变形向滑体中部逐渐积累，呈现前进式渐进破坏特征；暴雨状态滑坡上部发生大范围滑移变形，剪切变形扩展至整个滑体。滑坡符合推移式滑动特征，为典型的推移式滑坡。

(2)基于强度折减法计算三维滑坡稳定系数，滑坡天然状态稳定系数为1.143，具有一定强度储备。而暴雨状态稳定系数为1.012，滑坡处于临界失稳状态，强度储备极低。

(3)对比极限平衡条分法计算得到的稳定系数和滑坡稳定性判断可知，两种方法对滑坡稳定性判断基本相同，由于三维滑坡稳定系数计算考虑了岩土体间应力应变关系以及滑体与周围土体的摩阻力，故求得稳定系数略高，但更符合真实滑坡的变形破坏。在工程治理时可运用两种计算方法综合考虑，减少滑坡治理费用。