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0 引言
滑坡失穩(wěn)災(zāi)害對道路工程建設(shè)和正常運營都會造成重大經(jīng)濟損失，長期以來受到科技工作者和工程師的重視，并發(fā)展出多種分析和評價滑坡穩(wěn)定性的方法，如楔體法、Fellcnius法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern和Price法、Spencer法以及對數(shù)螺旋法等，這些方法目前仍然是工程計算中解決實際問題的基本方法。但由于這些方法沒有考慮巖體應(yīng)力 一應(yīng)變特性，因此，滑坡巖土體失穩(wěn)時，不能求解其內(nèi)部各處應(yīng)力和變形的分布規(guī)律。
應(yīng)用有限元法可以計算滑坡體內(nèi)部應(yīng)力，并直接求解滑動面上的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力，進一步計算邊坡穩(wěn)定系數(shù)，因此，其求解的滑坡穩(wěn)定系數(shù)比極限平衡法更為精確合理。
本文以湖北省宜昌至恩施高速公路K177+000-K178+400段滑坡為實例采用有限元分析軟件 COSMOS/M進行分析計算，建立一套切合工程實際的滑坡穩(wěn)定性有限元分析方法。
1力學(xué)分析模型
1.1 巖土體材料的拉裂破壞分析
土體材料抗拉強度很低，當(dāng)拉應(yīng)力超過其抗拉強度時，將發(fā)生拉裂破壞。垂直裂紋方向不能再承受拉應(yīng)力。而當(dāng)裂紋閉合后，雖然不能承受拉應(yīng)力，但可以承受壓應(yīng)力，因此，土體拉裂破壞計算分析是一種強非線性問題。為了進行有限元分析，對拉裂破壞作如下假定:(1) 拉裂裂紋發(fā)生在最大拉伸主應(yīng)力的垂直力.向; (2)拉裂后，將使該方向的應(yīng)力變?yōu)榱? (3)裂紋閉合后，該方向仍能承受壓應(yīng)力，但不能承受拉應(yīng)力。
1.2 巖土體滑動面的接觸摩擦模型
滑坡體滑動面的約束處理采用硬彈簧和軟彈簧以描述接觸摩擦模型，按受力性質(zhì)滑動面可分成固定型、滑動型和張開型3種，滑動面的約束處理具有很強的非線性特性，需要迭代運算閉。初始計算時，滑動面的切向和法向均采用硬彈簧約束，第一次計算結(jié)束后，摩擦力 (切向力)達到最大值的切向彈簧用軟彈簧代替，其余切向彈簧用次軟彈簧代替，并檢驗滑動面單元屬于上述3種情況中的哪一種。
首先檢驗切向彈簧力是否滿足Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，即
若土體平衡時滑動面單元 (節(jié)點)的切向力 Fr大于可能產(chǎn)生的最大切向力Frmax，則屬于滑動型，否則屬于固定型;若法向彈簧力為拉力，則屬于張開型。
其次，開始進行迭代計算時，對于固定型，沿切向彈簧方向施加有限元計算得到的切向力;對于滑動型，則沿切向彈簧方向施加最大切向力Frmax，剩余力在迭代運算時逐步釋放并由其他彈簧承擔(dān)，直至達到最后的平衡狀態(tài);對于張開型，其法向采用軟彈簧代替，令法向彈簧剛度為零，施加的切向力考慮為零或者有一定的切向凝聚力。
上述過程通過二次開發(fā)程序自動完成，實際土體滑坡往往屬于滑動型的接觸摩擦模型。
2 有限元分析模型
2.1 滑坡體的離散數(shù)值化及有限元計算模型建立
離散數(shù)值化就是以滑體主滑動方向為x軸，以垂直于滑動方向為 Y軸建立一套相對坐標(biāo)系，將滑坡區(qū)域平面地形圖劃分成給定間跟的平面網(wǎng)格。從平面地形網(wǎng)格圖上取出平行于 X軸的鉛垂剖面，剖面上各網(wǎng)格點平面坐標(biāo)和地面高程已知，地面高程和滑動面高程之差就為滑體厚度。劃分網(wǎng)格時將現(xiàn)有的地質(zhì)鉆孔點置于坐標(biāo)網(wǎng)格點上，由地質(zhì)勘探資料確定各鉆孔處的滑動面高程，通過 X方向和Y方向線形內(nèi)插方法確定其他各網(wǎng)格點的滑動面高程。
為了進行滑坡應(yīng)力應(yīng)變和穩(wěn)定性分析，需要建立平行于主滑動帶方向的二維剖面有限元分析模型。為了減小建模工作量，通過編制的二次開發(fā)程序，將滑坡體數(shù)值離散化的地面高程、滑動面高程、網(wǎng)格點坐標(biāo)等數(shù)據(jù)寫人COSMOS/M建模命令流文件，從而實現(xiàn)自動建模。每個斷面的命令流首先以計算剖面上各地面網(wǎng)格點和對應(yīng)的滑動面網(wǎng)格點形成一封閉曲線后生成一平面，按照給定的單元邊長對該平面自動劃分三角形單元。
2.2 滑體邊界條件處理
滑坡體有限元分析涉及到滑坡體和滑床之間的滑動接觸問題，接觸面上各節(jié)點的位移不連續(xù)，有限元分析中難以模擬滑動摩擦情況，為此，對每個剖面進行有限元分析時，通過二次開發(fā)程序在滑動面每個節(jié)點上施加切向和法向2個彈簧單元，切向彈簧應(yīng)力模擬該點剪應(yīng)力，法向彈簧應(yīng)力模擬該點正應(yīng)力。彈簧單元一端與節(jié)點相連，另一端位移和轉(zhuǎn)動自由度全部施加約束，通過彈簧單元的位移大小可較好地模擬滑坡體和滑床之間相對滑動趨勢。
3 滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)計算分析原理
眾所周知，各種土坡穩(wěn)定性分析均建立在極限平衡概念的基礎(chǔ)上。首先假定一個任意復(fù)雜的曲面形式破壞面，在極限平衡狀態(tài)下，穩(wěn)定系數(shù)為抗滑力與滑動力的比值，即
斜率大的破壞面上，有限元計算得到的節(jié)點(單元)切向力要比可能產(chǎn)生的最大切向力(cli+Fni tanφ)要大，與實際不符，需將所有的切向彈簧用軟彈簧代替并加上相應(yīng)的切向力。對于沒有達到最大切向力的彈簧，施加有限元計算得到切向彈簧力;對于大于最大切向力的彈簧，則施加最大切向力，重新進行有限元分析和迭代運算。大于最大切向力的彈簧力逐步釋放，剩余力由其他彈簧承擔(dān)，直至達到收斂的平衡狀態(tài)，最終計算穩(wěn)定系數(shù)。
4 算例分析
滬蓉國道湖北省宜昌至恩施高速公路高坪一吉心段存在4個潛在滑坡，并且施工便道開挖改變了滑坡體原有的自然平衡狀態(tài)，對工程施工與安全運營存在著安全與質(zhì)量隱患，本文利用COSMOS/M有限元分析程序?qū)υ摱巫畲蟮?#滑坡體進行了穩(wěn)定性分析。
4.1 滑坡體概況
該區(qū)域出露的地層主要為三疊系中統(tǒng)巴東組中段，巖性為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，為滑坡區(qū)主要分布地層。研究區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。
4#滑坡位于K177+900-K178+000段，滑坡后緣為粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖出露的陡坡，前緣為坡度較大的斜坡陡坎，后緣高程705一765m，前緣高程650-655m。主滑動方向220°，平均寬度 140m，縱長 170 m，平均厚22m。鉆孔控制范圍內(nèi)滑坡滑移帶埋深17.05-30.30m，滑帶土以粘性土夾少許碎石為主，遇水后強度降低幅度大，滑帶土厚度0.10-0.30m。
4.2 滑坡體有限元模型的計算剖面和計算參數(shù)
對滑坡體按照 X、Y方向以5m間距進行網(wǎng)格劃分后，確定各網(wǎng)格點的平面相對坐標(biāo)，選取滑坡體主滑動面及其左右兩側(cè)共 6個控制滑動面作為計算剖面，取計算剖面厚度不為0的有效區(qū)域進行有限元網(wǎng)格劃分。有限元分析計算參數(shù)和滑動面如表1所示。
4.3 有限元計算結(jié)果分析
4.3.1 滑坡體應(yīng)力計算結(jié)果分析
每個計算剖面的表面拉應(yīng)力區(qū)和關(guān)鍵點拉應(yīng)力值如表2所示，表2中所給出的拉應(yīng)力區(qū)是指從起點到終點連續(xù)出現(xiàn)拉應(yīng)力的區(qū)域。
滑坡體的應(yīng)力計算可通過滑坡土體容重變化模擬天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)。由于兩種狀態(tài)下土體容重相差不大且僅考慮材料的線彈性特性，因此，滑體內(nèi)部應(yīng)力在兩種狀態(tài)下也相差不大。從各滑坡體拉應(yīng)力計算結(jié)果來看，各滑坡體關(guān)鍵剖面的表面不同高程處均會出現(xiàn)連續(xù)拉應(yīng)力區(qū)或者局部拉應(yīng)力點，正是由于滑體表面存在這些連續(xù)拉應(yīng)力區(qū)才會使得滑坡體出現(xiàn)拉應(yīng)力裂縫，最終導(dǎo)致滑體產(chǎn)生滑動。
滑坡體的拉應(yīng)力區(qū)基本上分布在滑坡體的中后緣部位，表面最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在滑體的后緣，最大拉應(yīng)力處是滑體在自重作用下最容易出現(xiàn)拉裂縫的地方。若遇降水，滑坡土體處于一定程度的飽水狀態(tài)，除土體自重增加以外，土體的抗剪強度也要下降，滑坡體的穩(wěn)定性降低，上述拉應(yīng)力區(qū)的任何部位都有出現(xiàn)拉裂縫的可能性。因此，在進行滑坡治理時應(yīng)對各滑坡體出現(xiàn)拉應(yīng)力的區(qū)域給予重視。
4.3.2 滑坡體穩(wěn)定安全系數(shù)計算分析
根據(jù)有限元計算結(jié)果可以得到各個計算剖面的滑動面上受力情況，表3給出了主滑動面在不同工況下的具體受力計算結(jié)果。
根據(jù)選擇的各計算剖面上抗滑力和下滑力大小可以采用式(3)計算滑坡體各計算剖面的穩(wěn)定安全系數(shù)，式 (3) 中的Li、Fni和Fri二由有限元計算程序計算直接得到，各計算剖面的穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果如表4所示。同時為了驗證計算結(jié)果的合理性，對主滑動面穩(wěn)定安全系數(shù)還進行了推力系數(shù)法計算，計算結(jié)果也列于表4。
從上述計算結(jié)果可以看到，4�；麦w主滑動面平均傾角為32.06，滑床地勢較陡，表4中列出的計算剖面穩(wěn)定系數(shù)均較小，該滑體是一個不穩(wěn)定體，飽水狀態(tài)下穩(wěn)定安全儲備更小。5個剖面的拉應(yīng)力區(qū)分布較大，從人工陡坎向上到滑體后緣都是拉應(yīng)力區(qū)，各個滑動剖面的最大拉應(yīng)力較大且都處于滑體的最后緣，因此該滑體有兩種滑動的可能:一是整個滑坡體在滑體后緣形成拉裂縫整體下滑;二是人工陡坎以上坡體首先以陡坎為剪出口產(chǎn)生滑動，滑動后的堆積體堆積在施工便道以下的滑體上使其自重增加，從而可能產(chǎn)生推移式滑動。
該滑坡體主滑動面穩(wěn)定安全系數(shù)的有限元法計算結(jié)果和推力系數(shù)法計算結(jié)果比較接近，表明將有限元法應(yīng)用于滑坡穩(wěn)定性分析中是可行有效的。同時，本文所建立的滑坡穩(wěn)定性分析有限元方法中考慮了滑動面上應(yīng)力釋放與應(yīng)力重分配的迭代計算，使得有限元方法計算的主滑動面穩(wěn)定安全系數(shù)小于推力系數(shù)法計算結(jié)果，表明本文的有限元方法計算結(jié)果更接近滑坡體實際受力狀態(tài)，滑坡體穩(wěn)定安全系數(shù)更符合實際情況。
5 結(jié)論
通過滑坡穩(wěn)定性有限元分析可以得到如下結(jié)論:
(1)二次開發(fā)程序可以大大減小滑坡穩(wěn)定性分析有限元法建模工作量。
(2)有限元分析方法能夠有效地進行滑坡穩(wěn)定性分析，可以計算滑坡體內(nèi)部應(yīng)力，并直接求解滑動面上的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力。
(3)采用硬彈簧和軟彈簧描述滑動面接觸摩擦模型能夠有效模擬滑坡體滑動過程。
(4)考慮滑動面上出現(xiàn)裂紋后應(yīng)力釋放與應(yīng)力重分配的迭代計算，使得有限元方法計算的穩(wěn)定安全系數(shù)更接近滑坡體實際受力狀態(tài)，滑坡體穩(wěn)定安全系數(shù)更符合實際情況。
(5)通過有限元計算能夠得到滑坡體內(nèi)部拉應(yīng)力區(qū)分布范圍，有效指導(dǎo)滑坡治理。
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