【某公路段滑坡稳定性分析计算案例8400字】

某公路段滑坡稳定性分析计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u24742某公路段滑坡稳定性分析计算案例 13231.1定性分析评价 1257721.2定量分析评价 2185961.2.1计算方法的确定 262261.2.2稳定性计算原理 210161.2.3计算数据准备 322081.2.4计算结果分析 5237551.3滑坡数值模拟分析 6202401.3.1FLAC3D软件简介 6113621.3.2有限差分强度折减法原理 7140131.3.3模型的建立 9134811.1.4结果分析 1061671.5小结 181.1定性分析评价通过现场地质调查以及对现有资料的分析，结合滑坡变形破坏特征，对滑坡进行定性分析：（1）通过现场调查结果发现，G227线达瓦段滑坡已出现多处变形破坏特征。在现场调查期间仍存在加剧变形的迹象，主要的表现为裂缝不断进行扩展和下错。（2）从地形地貌看，G227线达瓦段滑坡前缘为高差达80~100m的临空陡崖，具有良好的临空条件。而斜坡中部地形微凹，有利于地表水的入渗和地下水径流的汇集，对滑坡的稳定性产生不利影响。（3）从地层岩性看，G227线达瓦段滑坡主体以含碎块石粉质粘土和人工填筑土为主，结构较为松散，内部粘聚力差，抗剪强度低，而且透水性较强，在降雨和地下水的作用下滑坡体的强度降低，滑坡体含水量和其容重增加，致使滑坡体的下滑力增大，滑坡整体稳定性降低。通过定性分析判断，G227线达瓦段滑坡在自然条件下处于基本稳定——欠稳定状态，在暴雨条件下处于不稳定状态。在降雨或地震等其他条件的作用下，滑坡整体会发生失稳滑动，对附近的居民及房屋设施的安全造成损害。为了进一步对滑坡的稳定性进行分析，因此需要采取定量分析和数值模拟分析方法进行深入的分析研究。1.2定量分析评价1.2.1计算方法的确定作为边坡工程中的基本问题，滑坡的稳定性分析随着科学技术的发展出现了诸如数学力学分析法、模型模拟试验法、破坏概率法、原位观测法以及信息论方法与风险决策等多种分析方法。在数学力学分析法中，基于摩尔库伦（Mohr-Coulomb）强度理论为本构模型的极限平衡法是滑坡稳定性定量计算中应用最广泛、理论最成熟的方法。根据G227线达瓦段滑坡的形态特征、结构特征及变形特征情况，将采用适用于折线形滑面的传递系数法进行滑坡稳定性分析的定量计算。1.2.2稳定性计算原理传递系数法是实际工程中最为常用的滑坡稳定性定量计算方法。其计算原理是将滑动方向和滑动速度大体一致的滑体视作一个计算单元，在沿着滑动主轴方向的地质纵断面上，根据滑面的岩土性质、产状以及地面的转折点，将滑体划分为若干条块，再由后向前计算各个条块分界面上的剩余下滑力，即是该部位的滑坡推力，最后一块的剩余下滑力就是整个滑坡的下滑力。图4-1滑坡推力计算模型滑坡稳定性计算公式按折线型公式计算。依据《滑坡防治工程勘查规范》（DZ/T0218-2006）中的土质滑坡极限平衡理论，相关计算公式如下所示。（1）计算稳定性系数kf公式：Kf=i=1n−1Wi其中：RTj=iφNTDiRDi=（2）计算滑坡剩余下滑推力PiPi=Ks其中：抗滑力：R下滑力：T传递系数：：φ=式中：Kf——滑坡稳定系数φj——第i块的剩余下滑力传递至i+1时的传递系数（j=i）WiCi∅iLiαiβiA——地震加速度（重力加速度g）ruNwiPi——第i条块的推力（KN/m）Pi−1——第i条块的剩余下滑力（KN/m）Ks1.2.3计算数据准备（1）计算参数的确定1）重度选取：滑土体和滑带土物质组成主要为含碎石粉质粘土，根据土工试验结合当地工程经验，取天然重度为19.30kN/m，饱和重度为20.40kN/m。2）地表荷载：在稳定性分析计算中按照现场调查的实际情况考虑地表荷载的影响，公路荷载按25kPa，房屋荷载按20kPa考虑。3）降雨选取：根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》，由于滑坡的防治工程等级为Ⅰ级，设计降雨强度为重现期20年一遇的暴雨。4）C，φ值的选取：为了选取合理准确的工程参数，抗剪强度参数C，φ的取值通过试验值和滑坡右侧相邻的工程项目《木里县达瓦小学滑坡应急勘查报告》中的参数取值作为参考，同时根据滑坡变形破坏特征，选择2-2′剖面按照暴雨工况下的稳定系数取0.99进行参数反算，最终根据《滑坡防治工程勘查规范》中的反演公式4-3、公式4-4计算取值确定参数。具体物理力学参数取值如表4-1所示。c=Fsφ=tan−1表4-1岩土体物理力学参数取值表项目土名重度γ（KN/m3）内摩檫角φ（°）粘聚力C（kPa）岩土对挡墙基底摩擦系数μ承载力特征值fak（kPa）饱和抗压强度（Mpa）含碎块石粉质粘土天然19.3015.019.00.3150/饱和20.4012.015.0强风化板岩25.0//0.54005.5中风化板岩26.0//0.45120020.0（2）计算工况的确定为了全面分析计算G227线达瓦段滑坡在各种工况下的稳定状态，综合分析滑坡的岩土体特征及其各种荷载情况，选定如下三种工况计算滑坡的稳定性，其中暴雨工况为设计工况，地震工况为校核工况。1）工况Ⅰ：天然状态（自重），考虑滑体自重对滑坡的影响，按照现场调查的实际情况考虑地表荷载的影响。2）工况Ⅱ：自重+暴雨，降雨状态下，应考虑降雨入渗坡体处于饱水状态，考虑由渗透压力产生的滑面分力对滑坡的影响。3）工况Ⅲ：自重+地震力，考虑地震荷载对滑坡的影响。滑坡推力计算中设计安全系数的选取，综合考虑滑坡的重要性及危害性，根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》（DZ/T0219-2006），三种工况下的设计安全系数取值如下所示：工况Ⅰ：Ks=1.30；工况Ⅱ：Ks=1.10；（3）计算剖面的确定根据G227线达瓦段滑坡平面图所示，由于滑坡自身存在两个次级滑动面，因此分别把穿过滑坡次级滑动面的3条剖面1-1′，2-2′，3-3′作为滑坡的稳定性计算剖面。计算块段划分见图4-2、图4-3、图4-4。图4-21-1′剖面稳定性分析计算剖面图图4-32-2′剖面稳定性分析计算剖面图图4-43-3′剖面稳定性分析计算剖面图1.2.4计算结果分析照上述工况及计算方法，对G227线达瓦段滑坡的三个剖面按进行滑坡稳定性计算，结果如表4-2所示。表4-2G227线达瓦段滑坡稳定性计算结果表所属剖面工况稳定系数稳定性评价安全系数最末条块剩余下滑力（kN/m）1-1′剖面天然1.065基本稳定1.30187.00暴雨0.994不稳定1.10296.00地震1.036欠稳定1.10619.002-2′剖面天然1.048欠稳定1.30135.00暴雨0.990不稳定1.10400.00地震1.019欠稳定1.10526.003-3′剖面天然1.070欠稳定1.3073.00暴雨0.998不稳定1.10251.00地震1.042欠稳定1.10479.00根据计算结果，对滑坡进行稳定性分析评价，参照《滑坡防治工程勘查规范》（DZ/T0218-2006）将稳定性划分为四级。如表4-3所示。表4-3滑坡稳定性状态分级表稳定性系数Fs1.00＜Fs1.05＜FsFs稳定状态不稳定欠稳定基本稳定稳定根据上述传递系数法计算结果，对G227线达瓦段滑坡稳定性计算结果分析如下所示：（1）在天然状态下，G227线达瓦段滑坡的1-1′剖面处于基本稳定状态，2-2′剖面和3-3′剖面处于欠稳定状态。（2）在暴雨（饱和）状态下，G227线达瓦段滑坡的1-1′剖面、2-2′剖面以及3-3′剖面均处于不稳定状态。（3）在地震状态下，G227线达瓦段滑坡的1-1′剖面、2-2′剖面和3-3′剖面均处于欠稳定状态。从总体来看，木里县G227线达瓦段滑坡变形明显，裂缝发育，稳定性差，在天然工况下总体处于欠稳定状态，在暴雨（饱和）工况处于不稳定状态，在地震工况下处于欠稳定状态。1.3滑坡数值模拟分析1.3.1FLAC3D软件简介FLAC（FastLagrangianAnalysisofContinua），最早是由美国的ITASCA咨询公司于1986年开发的一款2D仿真模拟程序软件，并于上世纪九十年代初引入中国，而FLAC3D是在二维计算程序FLAC2D的基础上发展而来的。作为一款优秀的有限差分程序软件，FLAC3D包含大量的材料本构模型，如摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）本构模型、多节理本构模型、应变硬化/软化本构模型、D-Y本构模型、Drucker-Prager本构模型以及修正的剑桥本构模型等11种本构模型，可以针对岩体、土体以及其它不同材料的结构特性，进行三维受力模拟。由于FLAC3D的单元材料可以使用线性和非线性的本构模型，当材料在外力的作用下发生屈服后，网格还可以产生与其相对应的移动和变形。对于材料塑性破坏和塑性流动的模拟，FLAC3D采用了“混合离散法”，相比于一般的有限元软件中采用的模拟方法更加具有合理性和准确性。同时，FLAC3D通过采用动态运动方程，可以消除在静态的模拟系统上的不稳定过程中所存在的数值障碍。因此基于以上的优点特性，FLAC3D可实践应用于岩土工程、地质工程、水利工程以及采矿工程等多个领域问题的分析和研究，在岩土力学分析中具有极好的实用价值。1.3.2有限差分强度折减法原理对于土质边坡来说，其稳定性进行计算分析的数值模拟方法一般分为两类：第一种基于极限平衡法，通过采用有限元模拟软件对边坡进行计算分析，求出其应力和应变的变化情况，并在众多假定的滑动面上分别求出其抗滑力和滑动力的数值，抗滑力与下滑力的比值就是其滑动面的安全系数，其中最小的安全系数所对应的滑动面即为边坡在破坏时的滑动面；第二种基于强度折减法，无需提前假定滑动面的位置和大小，而是直接将边坡土体的强度指标C、φ分别除以一个折减系数进行折减，通过折减直到土体达到临界破坏状态，此时的强度指标与原有的强度指标的比值即为边坡的稳定性安全系数。而FLAC3D采用的有限差分强度折减法相比于基于有限元的强度折减法，可以应用于更为复杂的边坡情况，通过充分考虑断层和结构面的影响，可以更加直观地显示边坡的变形破坏过程，从而发现滑动面的位置和形状。因此，FLAC3D采用的有限差分强度折减法在三维边坡的稳定性分析研究领域中得到了广泛的应用。（1）有限差分法有限差分法（finitedifferencemethod）是解决定解问题的一种较为可行的数值解法。其基本思路是把定解问题的定义域通过离散点进行网格划分，将原方程中的微商通过数值微分公式替换为差商，以有限差分方程组近似地代替原方程来进行求解即可得到定解问题在其离散点上的数值解。最后利用插值法求出定解问题的定义域近似解。有限差分方法因为其简便灵活的特点，在计算机领域具有极强的实用性。（2）强度折减法强度折减法（strengthreductionmethod）最早于1975年由Zienkiewicz等人提出并首先在分析边坡方面得到了应用。在1996年，Duncan对岩土体通过强度折减达到临界破坏状态后的安全系数进行了进一步的定义。这种强度折减方法在有限差分中的应用可以简单表述为：通过使用一个折减系数Fs，对坡体的抗剪强度指标C、φ进行折减得到新的抗剪强度指标C1、φ1，然后使用折减系数对新的抗剪强度指标CC1tanφτ1通过强度折减，能够更好的分析边坡的破坏模式和失稳过程，是较为可靠且应用较为广泛的边坡稳定性数值模拟分析方法。图4-5FLAC3D求解流程图（引自：FLA3D手册）1.3.3模型的建立（1）模型尺寸确定及网格划分滑坡模型是通过采用AutoCAD绘制出来的滑坡剖面图，并在此基础上完成建立的。首先通过现场野外调查以及对滑坡剖面图的分析研究，确定选取2-2′剖面作为计算模型，并通过AutoCAD软件对G227线达瓦段滑坡的2-2′剖面建立计算模型并生成sat文件。与其他有限元分析软件采取的数据输入方式不同，由于FLAC3D是通过采用fish语言输入命令流的方式来进行驱动的，而对于较为复杂三维模型，采用FLAC3D进行建模等前处理工作较为困难，因此需要前处理工作较为简单方便的ANSYS来进行辅助建模工作。因此需要把AutoCAD的sat文件导入到Ansys中进行建模以及划分网格等前处理工作，然后把生成的文件转化为flac3d文件导入至FLAC3D6.0软件中完成建模，最后生成G227线达瓦段滑坡计算模型图（图4-6）。根据G227线达瓦段滑坡计算模型图4-6所示，共划分为4层：基岩（板岩）层为1号，2号和4号为含碎块石粉质黏土层，滑带土为3号，4号为滑坡土体。滑坡计算模型的长宽高分别为160m×85m×94m，即X方向160m、Y方向85m、Z方向94m。共划分为32574个节点，17436个计算单元。图4-6G227线达瓦段滑坡计算模型图（2）滑坡模拟方案的确定木里县G227线达瓦段滑坡是受地形条件的影响，在降雨的作用下，雨水渗入滑坡后缘的公路路基中，在其浸泡作用下软化并发生沉降，路基在沉降过程中向外挤压，推挤斜坡土体，加上该处斜坡前缘临空面高陡，导致斜坡发生整体滑动变形。因此降雨成为G227线达瓦段滑坡发生滑动的主要因素。因此相关的数值模拟分析应考虑以下两种计算工况：1、在天然状态下，坡体在自重应力的作用下的位移、应力、应变和塑性区的分布情况。2、在降雨条件下，坡体在饱和状态的位移、应力、应变和塑性区的分布情况。（3）边界条件及地层参数赋值在计算模型的左、右边界的水平方向上由于其位移为零，在模型底边的边界施加约束，在计算模型的左右面施加Y方向上的约束，在计算模型的前后面施加X方向上的约束，在Z方向上法向约束。根据现场调查，由于滑坡区地形起伏不大，对G227线达瓦段滑坡的模拟主要采用假三维模型，在数值模拟中各工况下的参数取值主要根据野外调查和现场资料报告以及《工程地质手册》等相关的规范标准来进行确定取值。具体的地层参数赋值如表4-4所示。表4-4地层参数赋值表土名重度γ（KN/m3）内摩擦角φ（°）粘聚力C（kp）泊松比弹性模量E（Mpa）含碎块石粉质粘土天然19.315190.318.5饱和20.41215板岩2540100000.228.9×103由于G227线达瓦段滑坡的滑体主要为含碎块石的粉质粘土，因此在数值模拟过程中采用的本构模型为适用于土体的摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）本构模型。1.1.4结果分析通过FLAC3D对G227线达瓦段滑坡进行计算分析，在天然工况和暴雨工况这两种情况下，可以计算求得滑坡的稳定性计算结果。以及分别得到滑坡的整体位移云图、水平与竖向位移云图、最大主应力和最小主应力云图、剪应变云图和塑性区云图。根据各种模拟结果云图，可以对G227线达瓦段滑坡的稳定性情况做出更为直观清晰的分析。通过数值模拟，可以得到滑坡模型在自重应力条件下的最大不平衡力迹线图。通过最大不平衡力迹线图可以得出：计算在2550步之前收敛迅速，当达到2550步时开始出现反复迹象，之后又开始收敛直至4750歩后最终达到收敛，最大不平衡力趋于零值，这验证了建立计算模型是正确的。最大不平衡力迹线如图4-7所示。图4-7G227线达瓦段滑坡模型最大不平衡力迹线图（1）稳定性计算分析FLAC3D基于有限差分强度折减法，通过计算分析求得G227线达瓦段滑坡2-2′剖面在天然工况下的稳定性系数为Fs=1.05，处于欠稳定状态；在暴雨工况下的稳定性系数为Fs=0.92而通过采用传递系数法计算得知，G227线达瓦段滑坡2-2′剖面在天然工况下的稳定性系数为Fs=1.048，处于欠稳定状态（见图4-8）；在暴雨工况下的稳定性系数为通过对比可知，两种计算结果与稳定性评价趋势基本一致。计算结果比较如表4-5所示。表4-52-2′剖面稳定性计算结果比较表计算方法传递系数法强度折减法稳定性系数稳定性评价稳定性系数稳定性评价天然工况1.048欠稳定1.05欠稳定暴雨工况0.99不稳定0.92不稳定（2）位移分析通过对G227线达瓦段滑坡的整体位移云图（图4-8、图4-9）分析可知，天然工况下滑坡整体的最大位移量为0.292m，滑坡的位移整体集中在滑坡的后缘，而滑坡前缘的位移量相对较小。而在暴雨工况下，滑坡整体的最大位移量为0.851m，相比于天然工况位移量增加了0.559m，说明在降雨作用下滑坡整体产生变形滑动，位移量增大。对于天然状态下沿X轴方向的水平位移云图（图4-10），最大水平位移量为0.193m。滑坡变形从后缘开始，这与现场调查的滑坡变形特征情况相符：滑坡后缘首先发生沉降并向下产生挤压，推挤下部土体。这证明G227线达瓦段滑坡最初为推移式滑坡。对于暴雨工况（图4-11），滑坡整体产生的水平位移变形相比于天然工况明显增大，而此时滑坡前缘的水平位移要大于滑坡后缘的水平位移，最大位移量高达0.828m。说明在降雨作用下，滑坡的滑塌范围不断扩大，由于滑坡前缘临空面高陡，进而导致牵引中部与前部坡体产生拉裂缝，使中前部坡体整体下滑，并进一步牵引滑坡后缘变形。这证明了G227线达瓦段滑坡后期在降雨作用下，由推移式滑坡转变为牵引式滑坡的结论。而对于天然状态下沿Z轴方向的竖向位移云图（图4-12），总体来看滑坡竖向位移主要集中在滑坡后缘，最大竖向位移量为0.219m，主要是由坡体自身的重力作用引起的沉降。而在暴雨状态下（图4-13），由于受降雨作用的影响，滑坡后缘土体强度降低，含水量和容重增加，导致沉降进一步增大，最大竖向位移量为0.512m。而在滑坡前缘前出口位置出现了竖直向上的位移，说明滑坡在变形滑动中在剪出口位置出现了反翘隆起现象。图4-8天然工况下滑坡整体位移云图图4-9暴雨工况下滑坡整体位移云图图4-10天然工况下滑坡水平位移云图图4-11暴雨工况下滑坡水平位移云图图4-12天然工况下滑坡竖向位移云图图4-13暴雨工况下滑坡竖向位移云图（3）应力分析G227线达瓦段滑坡在天然工况下沿Z轴方向的竖向应力云图如图4-14所示。由于最大主应力主要因坡体的自重引起，所以沿Z轴方向的竖向应力分布曲线呈彩虹层状分布，与滑坡的坡表形态大体相同。对于滑坡在天然工况下的应力分布情况（见图4-15、图4-16），应力场分布较为均匀，应力由坡表向内逐渐递增，最大主应力与最小主应力的最大值都位于坡体底部，最小值位于坡体表面。最大主应力的最大值为2.243Mpa，最小值为0.0116Mpa；最小主应力的最大值为0.551Mpa，最小值为0.0425Kpa。滑坡体的应力分布符合一般坡体应力分布的规律特征。而在暴雨工况下，滑坡的最大主应力与最小主应力的应力分布情况与天然工况下的应力分布情况类似（见图4-17、图4-18）。最大主应力和最小主应力随着滑坡体深度的增加也随之变大，且坡体表面局部区域出现拉应力，但拉应力数值较小，说明滑坡在降雨的作用下发生滑动时产生了拉裂破坏的趋势。图4-14天然工况下滑坡沿Z轴方向竖向应力云图图4-15天然工况下滑坡最大主应力云图图4-16天然工况下滑坡最小主应力云图图4-17暴雨工况下滑坡最大主应力云图图4-18暴雨工况下滑坡最小主应力云图（4）应变分析通过对天然工况与暴雨工况下的滑坡剪应变云图（图4-19、图4-20）分析可知，滑坡剪应变主要分布在岩土层分界面的位置，并且剪应变增量向其两侧逐渐减小。滑坡在暴雨工况下的剪应变增量整体比天然工况下的剪应变增量大。通过比对发现，在滑坡前缘剪出口的位置出现了应力集中现象，其滑坡剪应变增量最大，在天然状态下的最大剪应变增量为0.0563，饱和状态下最大剪应变增量则为3.4105。结合总体来看，滑坡最危险滑面位于滑坡的中下部，在滑坡的后缘虽然尚未形成有效的贯通，但从整体来看已有贯通的趋势。这说明滑坡已经处于欠稳定-不稳定状态，在降雨作用下很有可能发生失稳滑动，这与之前滑坡的稳定性计算分析结果相符合。图4-19天然工况下滑坡剪应变云图图4-20暴雨工况下滑坡剪应变云图