關(guān)祥

摘 要：目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)規(guī)范中推薦或者強(qiáng)制性規(guī)定滑坡穩(wěn)定性分析采用極限平衡法。由于極限平衡法本身的局限性，存在諸多不合理之處，如何對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)使之更加合理已成為巖土工程中的重要課題之一。針對(duì)巖質(zhì)滑坡存在明顯的軟弱滑動(dòng) 帶的特點(diǎn)，提出了有限元計(jì)算過(guò)程中不同滑動(dòng)帶的處理方法，結(jié)合工程中常用的不平衡推力傳遞法，給出了滑坡穩(wěn)定性的有限元分析方法，將其應(yīng)用于芡草沱滑坡，并與基于剛體極限平衡原理的不平衡推力傳遞法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，表明其計(jì)算方法可靠，可直接應(yīng)用于實(shí)際工程。

關(guān)鍵詞：巖質(zhì)滑坡；軟弱滑動(dòng)帶；穩(wěn)定性；有限元分析

目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)規(guī)范中推薦或者強(qiáng)制性規(guī)定 滑坡穩(wěn)定性分析采用極限平衡法。由于長(zhǎng)期采用極限平衡法，人們積累了豐富的使用經(jīng)驗(yàn)，已被廣大工程技術(shù)人員所接受，但是，由于都是假定巖土體為理想剛塑性材料，把巖土體作為剛體按極限平衡 的原理進(jìn)行力（或力矩）的分析，完全不考慮巖土體內(nèi)部的應(yīng)力與變形，所求出的安全系數(shù)只是所假 定的滑裂面上的平均安全度。實(shí)踐表明，穩(wěn)定與變 形有著相當(dāng)密切的關(guān)系，坡體失穩(wěn)往往伴隨著較大的垂直沉降與側(cè)向變形。有限元法恰好能夠彌補(bǔ)它是將強(qiáng)度折減技術(shù)與彈塑性有限元方法相結(jié)合，通過(guò)針對(duì)某一強(qiáng)度折減系數(shù)下進(jìn)行邊坡的彈塑性有限元分析，得到邊坡內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、位移場(chǎng)，然后，再根據(jù)位移、廣義剪應(yīng)變等描述變形程度的 某種物理量作為評(píng)判指標(biāo)，定量地描述邊坡的潛在 塑性破壞區(qū)及其程度與發(fā)展趨勢(shì)，據(jù)此基于一定的 經(jīng)驗(yàn)評(píng)判準(zhǔn)則，確定邊坡的極限平衡狀態(tài)，并將由此所確定的相應(yīng)強(qiáng)度折減系數(shù)作為邊坡的穩(wěn)定系 數(shù)。從不同的角度對(duì)強(qiáng)度折減有限元分析方法進(jìn)行了理論探討和應(yīng)用，并給出了算例，但其 算例多為均質(zhì)材料，應(yīng)用于復(fù)雜的巖質(zhì)滑坡尚需進(jìn) 行深入研究。為了便于工程應(yīng)用，采用上述第一種思路，針對(duì)巖質(zhì)滑坡存在明顯的軟弱滑動(dòng)帶的特點(diǎn)，本文提出了有限元計(jì)算過(guò)程中不同滑動(dòng)帶的處理方法，結(jié)合工程常用的不平衡推力傳遞法，給出了滑坡穩(wěn)定 性的有限元分析方法。將其應(yīng)用于芡草沱滑坡，并與基于剛體極限平衡原理的不平衡推力傳遞法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，表明其計(jì)算方法可靠，可應(yīng)用于實(shí)際工程。

1 巖質(zhì)滑坡穩(wěn)定性分析原理

采用有限元分析存在明顯軟弱滑動(dòng)帶的巖質(zhì)滑坡的穩(wěn)定性，首先，根據(jù)滑坡地質(zhì)特征建立物理力 學(xué)模型和結(jié)合滑坡巖土體類型及滑動(dòng)帶特征進(jìn)行分區(qū)，并對(duì)其進(jìn)行離散化；然后，選擇合適的巖土體本構(gòu)關(guān)系，確定相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)；接著，施加約束 條件和荷載進(jìn)行非線性有限元分析，得到滑坡內(nèi)應(yīng) 力場(chǎng)；最后，利用有限元所得的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計(jì)算。

1.1有限元二維應(yīng)力分析方法簡(jiǎn)介ANSYS是目前最流行的大型通用有限元計(jì)算軟件之一，具備強(qiáng)大的非線性功能、能夠模擬大變形等優(yōu)點(diǎn)，本次計(jì)算采用了該軟件平臺(tái)。對(duì)于有限元分析步驟在此不予介紹，僅介紹本研究所采用的本構(gòu)模型及屈服準(zhǔn)則和非線性問(wèn)題的求解。

1.1.1本構(gòu)模型及屈服準(zhǔn)則巖土材料的本構(gòu)關(guān)系有多種，考慮到滑坡材料的力學(xué)特征，選取Drucke卜Prager模型（D-P模型[S1）。該模型是在考慮靜水壓力影響的廣義Mises屈服準(zhǔn)則基礎(chǔ)上建立的，屈服準(zhǔn)則采用了Drucker-Prager 準(zhǔn)則，其流動(dòng)準(zhǔn)則既可以使用相關(guān)流動(dòng)準(zhǔn)則，又可以使用不相關(guān)流動(dòng)準(zhǔn)則。D.P模型的優(yōu)點(diǎn)是采用簡(jiǎn)單的方法考慮了靜水壓力對(duì)屈服和強(qiáng)度的影響，參數(shù)少，計(jì)算簡(jiǎn)單，同時(shí)也考慮了巖土類的剪脹性，缺點(diǎn)是沒(méi)有反映材料三軸拉壓強(qiáng)度的不同、純靜水 壓力可引起巖土類材料的屈服和破壞及應(yīng)力Lade 角對(duì)塑性流動(dòng)的影響。此材料模型適用于巖石和土 壤等顆粒狀材料。D.P模型除了輸入密度、彈模和泊松比外，尚需要輸入3個(gè)參數(shù)：粘聚力c、內(nèi)摩擦角口和膨脹角仇。對(duì)于c和9，這里不再介紹。仇為用來(lái)控制 體積膨脹大小的參數(shù)，對(duì)于壓實(shí)的顆粒狀材料，當(dāng) 材料受剪時(shí)顆粒會(huì)發(fā)生膨脹，如果膨脹角仍=0，則不會(huì)發(fā)生體積膨脹：如果仇=妒，則會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的體積膨脹。

1.1.2非線性問(wèn)題的求解對(duì)于非線性問(wèn)題的求解，常用的有逐步遞增載荷和平衡迭代兩種。一種近似的非線性求解，是將載荷分成一系列的載荷增量，在幾個(gè)載荷步內(nèi)或在一個(gè)載荷步的幾個(gè)子步內(nèi)施加載荷增量。在每一個(gè)增量的求解完成后，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)載荷增量之 前程序，調(diào)整剛度矩陣以反映結(jié)構(gòu)剛度的非線性變化。遺憾的是純粹的增量近似不可避免地隨著每一個(gè)載荷增量積累誤差，導(dǎo)種結(jié)果最終失去平衡。ANSYS程序通過(guò)使用牛頓.拉普森 平衡迭代克服了這種困難，它迫使在每一個(gè)載荷增 量的末端解達(dá)到平衡收斂（在某個(gè)容限范圍內(nèi)）。然后程序使用非平衡載荷進(jìn)行線性求解，且核查收斂性。如果不滿足收斂準(zhǔn)則，重新估算非平衡載荷，修改剛度矩陣，獲得新解，持續(xù)這種迭代過(guò)程直到問(wèn)題收斂。

1.2滑動(dòng)帶在計(jì)算中的處理方法大量計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于滑動(dòng)帶采用不同的處理方法，對(duì)應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。因此，應(yīng)針對(duì)滑坡的特點(diǎn)選取符合實(shí)際的滑動(dòng)帶處理 方法對(duì)于保證計(jì)算精度是十分必要。本文針對(duì)處于不同滑動(dòng)階段的滑坡和不同的滑動(dòng)帶特征，提出了3種處理方式：（1）滑動(dòng)帶厚度非常小，滑坡尚未滑動(dòng)時(shí)，在有限元計(jì)算中將滑動(dòng)帶作為單元界線能夠比較真實(shí)地模擬滑坡的應(yīng)力狀態(tài)；（2）滑動(dòng)帶厚度非常小，滑坡已處于緩慢滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在有限元計(jì)算中將滑動(dòng)帶作為節(jié)理單元或接觸單元能夠較真實(shí)地模擬滑坡的應(yīng)力狀態(tài)；（3）滑動(dòng)帶厚度較大時(shí)，無(wú)論滑坡是否處于滑動(dòng)狀態(tài)，在有限元計(jì)算中將滑動(dòng)帶作為軟弱夾層能夠較真實(shí)地模擬滑坡的應(yīng)力狀態(tài)。

1.3穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工程實(shí)踐中，一般采用極限平衡法來(lái)定義滑坡穩(wěn)定性系數(shù)。將有限元與極限平衡法相結(jié)合，既能反映滑坡的穩(wěn)定和變形之間的密切關(guān)系，又能用工程界所熟悉的穩(wěn)定系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)滑坡的整體穩(wěn)定性計(jì)算。

2 計(jì)算實(shí)例

2.1滑坡概況以芡草沱滑坡為例，其滑體由砂質(zhì)粘土夾碎塊石和碎裂巖體混合組成。砂質(zhì)粘土呈褐黃色，淺黃色及黃灰色，中等密實(shí)，干燥狀態(tài)下強(qiáng)度較高，濕潤(rùn)狀態(tài)下有較好的粘性和可塑性；碎塊石成分以 泥灰?guī)r、泥質(zhì)砂巖為主，泥巖、砂質(zhì)泥巖次之，呈棱角狀粒徑一般為5～15 cm，最大顆粒可達(dá) 30 cm：碎裂巖體由巴東組第二段、第三段和第四段 的砂質(zhì)泥巖、泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r經(jīng)過(guò)變位破壞而成，中間多夾有砂質(zhì)粘土、粘土及碎塊石，滑體總厚度為42.37"-"114.13 m。