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基于GEO


2010 年第 11 期

铁 道 建 筑 Railway Engineering

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1995(2010)11-0075-03 文章编号:1003-

SLOPE 软件对滑坡的稳定性分析 基于 GEO校小娥
( 北京城建勘测设计研究院有限责任公司, 北京 100101)
<

br />摘要:采用修正后的 EI-Centro 地震波作为滑坡 体 动 力 响 应 的 输 入 波, 用 GEO-SLOPE 软 件 的 SLOPE / 运 W 模块, 采用拟静力法计算得到滑坡 在 天 然 和 地 震 状 态 下 的 安 全 系 数 并 确 定 其 最 危 险 滑 动 面 , 时 运 同 用动力有限元分析方法得到安全系数时程图。在此基础上进行综合分 析, 价 八 浪 沟 滑 坡 在 不 同 峰 值 评 的地震动荷载作用下滑坡稳定性的变化规律。 关键词:GEO-SLOPE 拟静力法 安全系数 动力有限元分析 地震动荷载 中图分类号:P642. 22;TP391. 77 文献标识码:B 稳定性现状。应用二维数值模拟软件对地震滑坡体进 行数值模拟, 输入不同加速度峰值, 分析地震动荷载作 变 用下的剪应变增量 和 位 移 分 布 特 征。 从 稳 定 性、 形 特征及应力场三方面分析了滑坡的稳定性。

地震滑坡是地质灾害中的次生灾害。当地震发生 时, 所诱发的滑坡、 崩塌、 泥石流等次生灾害非常严重, 比地震直接造成的危害程度要大得多。在对八浪沟滑 坡进 行 现 场 调 查 的 基 础 上, 用 GEO-SLOPE 模 拟 软 运 件的 SLOPE / W 模 块, 用 拟 静 力 法 与 动 力 有 限 元 相 采 以地震 加 速 度 作 为 反 映 地 震 荷 载 的 主 要 结合的方法, 基于有限元理论, 开展了地震作用下滑坡的动力 因素, 学分析, 分析滑坡 稳 定 性。 用 QUAKE / W 模 块 分 析 软 研究地震力和滑坡稳定性之间的关系, 对 件进行求解, 地震动荷载作用下滑 坡 稳 定 性 进 行 分 析;评 价 滑 坡 的
31 11 收稿日期:2010-05 - ;修回日期:2010-08作者简介:校小娥(1977 — ) , 陕西渭南人, 女, 硕士研究生。

1

滑坡形态特征
通过本次勘查, 八浪沟滑坡长约1 000 m, 宽约 560

m, 23 ~ 55 m, 厚 为规模巨大的岩质顺层老滑坡。滑坡 褐灰色, 中 体主要物质为岩体顺层滑动而形成的黄褐、 密、 潮湿的块石土, 层 有 少 量 的 褐 黄 色、 灰 色 的 粉 表 黄 质黏土。滑体厚度在 纵 横 方 向 变 化 大, 滑 坡 物 质 组 但 成一 致。 据 钻 探 和 探 井 揭 露, 床 为 三 叠 系 中 统 滑 ( T2a) 砂岩夹板岩、 灰岩。
[ 唐世栋, 3] 王永兴, 真 华. 饱 和 软 土 地 基 中 群 桩 施 工 引 起 的 叶 J] 2003, 31(11) :1290-1294. 超孔隙水压力[ . 同济大学学报, [ 王育兴, 钧. 打 桩 施 工 对 周 围 土 性 及 孔 隙 水 压 力 的 影 响 4] 孙 [J] 岩石力学与工程学报, . 2004, 23(1) :153-158. [ 张建新, 5] 赵建军, 世 光. 群 桩 沉 桩 引 起 的 超 孔 隙 水 压 力 的 孙 . 2009, 39(1) :76-78. 室内模型及试验分析[J] 工业建筑, [ 刘欢迎, 6] . 周克明. 孔隙水压力计的几种不同埋设方法[J] 人 2004(3) :63-68. 民珠江, [ 赵秀绍, 7] 孙瑞民, 凤 灵. 孔 隙 水 压 力 计 埋 设 过 程 中 的 问 题 杨 . 2007(6) :47-50. 研究[J] 金属矿山, [ 宰金珉. 岩土工 程 测 试 与 监 测 技 术[M ] 北 京:中 国 建 筑 出 8] . 2008. 版社, [ 张功新, 9] 莫海鸿, 志 良. 孔 隙 水 压 力 测 试 和 分 析 中 存 在 的 董 . 2006, ( 10 ) :353525 问题及 对 策[J ] 岩 石 力 学 与 工 程 学 报, 3538.

3

结论
进行 现 场 试 验, 心 准 备, 好 试 验 方 案, 试 验 精 做 将

过程中可能出现的 问 题 考 虑 周 全, 会 事 半 功 倍。 一 将 般来说, 在深厚软土 地 区 一 孔 埋 设 孔 隙 水 压 力 计 最 好 不要超过 3 个, 最深 和 最 浅 的 孔 隙 水 压 力 计 埋 设 较 为 中间部分的孔隙水压力计由于缩孔, 埋设较为困 容易, 难, 且要注意封孔。 采 用 本 文 所 述 的 方 法 有 效 地 解 决 深厚软土地区因缩孔 不 易 埋 设 孔 压 计 问 题, 埋 设 方 且 定位准确, 有效地防止了上下孔连通问题。 便快速,
参 考 文 献

[ 余闯, 1] 杜广印, 松 玉. 预 应 力 薄 壁 管 桩 群 桩 施 工 引 起 的 超 刘 J] 2009, 39(8) :69-71. 静孔隙水压力试验研究[ . 工业建筑, [ 姜朋明, 2] 吕云霞, 中 雄. 群 桩 施 工 中 孔 隙 水 压 力 变 化 规 律 胡 . 2008, 34(5) :128-130. 及其影响[J] 四川建筑科学研究,

( 责任审编

葛全红 )

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November, 2010

2

计算模型及参数的选取
1) 网格划分:简化 后 的 计 算 模 型 如 图 1 ( a) 所 示。

3
3. 1

计算结果
最危险潜在滑面稳定性分析 4 滑坡体的地质结构, 分 为 3 层, 个 区 域。天 然 共

根据该软件特点, 在 滑 面 也 需 人 为 确 定 其 后 缘 拉 裂 潜 图 边界及前缘剪出口位 置, 中 箭 头 所 示 的 就 是 可 能 潜 后 在滑动面形成时, 缘 拉 裂 部 位 及 其 剪 出 口 位 置。 在 有限元计算中, 为了真实模拟几何状态, 使网格划分密 度满足计算的精度要 求 并 节 约 计 算 时 间, 常 对 单 元 通 网格按 6 节点三角形二次单元进行划分。 2) 边界条件:由于 所 取 数 值 模 型 受 周 边 岩 体 的 约 束, 故模型采用位移约束边界。底部和左边界约束 X、 Y 两个方向的位移, 右边界只约束 Y 方向的位移, 坡面 无约束, 为自由平面。其中 X 方向朝坡面临空方向为 Y 正、 方向与重力方向相反为正。 3) 屈服 准 则: 采 用 理 想 弹 塑 性 模 型, 服 准 则 采 屈 用 mohr-Coulomb 强度准则。

状态下最危险滑 面 发 生 在 坡 脚 地 形 转 折 端 处 ( 见 图 1 ( b ) ) ,滑 面 底 界 处 于 块 石 土 及 黏 土 层 中。 根 据 Morgenstern-Price( 摩 根 斯 坦 ) 、 Janbu ( 简 布 ) 和 Bishop ( 毕肖普) 三 种 不 同 方 法 得 出 最 危 险 滑 面 的 稳 定 系 数 ( 或安全系 数 ) 分 别 为 1. 280、 255 和 1. 285, 天 然 1. 即 边坡处于较高的稳定状态。 3. 2 地震荷载下的滑坡稳定性及应力、 应变分析 1) 拟静 力 法 分 析 地 震 动 荷 载 下 模 型 的 建 立 及 最 危险潜在滑面相应的安全系数, 见图 2。 2) 动力 有 限 元 法 分 析 地 震 动 荷 载 下 的 安 全 系 数 时程曲线, 见图 3。 3) 动荷载作用下稳定性结果分析如表 1。

图1

八浪沟滑坡

图2

地震动荷载作用后最危险潜在滑面及相应安全系数

图3

地震动荷载作用后安全系数时程曲线 表1 八浪沟滑坡安全系数 中震Ⅶ(0. 15 g) 1. 022 0 0. 932 M 1. 095 J 1. 101 0 1. 093 M 1. 125 中震Ⅶ(0. 10 g) 1. 093 J 1. 132 0 1. 127

分析方法 动力有限元 M 拟静力

大震Ⅸ(0. 40 g) 0. 657 J 0. 766 0 0. 759

中震Ⅷ( (0. 20 g) 0. 865 M 0. 934 J 0. 939

0. 761

J, Janbu 法、 Ordinary 法。 注: M, 0 分别代表 Morgenstern-Price 法、

由于地震动的综 合 作 用 极 其 复 杂, 文 的 计 算 过 本 程中对地震动影响边坡稳定性的作用采取了比较简化 可能会使分 析 结 果 与 实 际 地 震 作 用 下 这 些 边 的方式, 坡的稳定性及其失稳过程有所差异。 由表 1 可以看出, 着 地 震 动 峰 值 加 速 度 的 增 大 随

边坡稳定性逐渐降 低。 较 小 地 震 动 作 用 下, 加 速 度 当 峰值为 0. 10 g 的地震动荷载作用后, 拟静力法得出安 动力有限元法分析结果 全系数在 1. 125 ~ 1. 132 之间, 其最低安全系数在 1. 093 左右。边坡的安全系数虽有 所降低, 此时边坡 仍 处 于 稳 定 状 态。 当 地 震 动 强 度 稍

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基于 GEO-SLOPE 软件对滑坡的稳定性分析

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大时, 滑坡在加速度峰值为 0. 15 g 的地震动荷载作用 后, 边坡的 稳 定 性 进 一 步 削 弱, 坡 安 全 系 数 降 低 为 滑 1. 095 ~ 1. 101 之 间 左 右。 动 力 有 限 元 法 分 析 结 果 其 最低安全系数在 1. 022 左右, 边坡处于基本稳定状态。 当加速度峰值为 0. 2 g 时, 静 力 法 得 出 安 全 系 数 在 拟 0. 932 ~ 0. 939 之间, 动力有限元法得到滑坡的最低 安 全系数降至 0. 865。这表明 地 震 动 荷 载 作 用 下 边 坡 的 稳定性将大幅度减弱, 边坡可能会失稳, 因此在边坡设 计中必须考虑地 震 作 用 的 影 响。 滑 坡 在 大 震 作 用 下, 加速度峰值为 0. 4 g 时, 静 力 法 分 析 结 果 其 安 全 系 拟 数在 0. 759 ~ 0. 766 之间, 动力有限元法分析其最低安 全系数平均值为 0. 657, 边坡已经失稳。

但局部不稳定, 即浅表 坡整体上还处于基本稳定状态, 层堆积物有滑落的可能性。 3) 在加速度峰 值 为 0. 2 g 的 地 震 动 荷 载 作 用 下, 随着峰值加速度的增加, 水平位移呈明显上升, 最大水 也主要 发 生 在 滑 体 表 层 及 滑 动 前 平位移为 28. 01 cm, 而 缘临空面附近。堆积 体 存 在 朝 坡 外 整 体 滑 动 趋 势, 前缘临空面附近发生滑坡的可能性最大。此部分堆积 体在地震动荷载作用 下, 应 力 随 着 地 震 动 加 速 度 的 剪 增加其量值也逐渐增加。剪应变集中带已经自上而下 坡脚处剪应变向上延伸, 最大剪应变也达 贯通至中部, 到 6. 743E-3。上部 堆 积 体 的 水 平 应 力 与 剪 应 力 均 变 化明显, 都有增大趋势, 水平总应力最大值出现在基覆 界面处, 0. 8 ~ 1. 0 MPa; 坡 体 剪 应 力 值 增 大 为 0. 9 为 MPa。由此可见, 在此强度的地震动 荷 载 作 用 下, 坡 滑 上部堆积体边坡有发 生 局 部 失 稳 的 可 能 性, 滑 体 有 即 并 整 体 向 坡 外 滑 动 的 趋 势, 以 此 初 步 确 定 滑 动 面 的 范围。 4) 当地震动荷 载 达 到 峰 值 0. 4 g 时, 积 体 中 剪 堆 应变集中带沿基岩面 整 个 贯 通, 大 剪 应 变 也 达 到 了 最 1. 34851E-2。水平方向的残余位移局部也已经达到了 74. 69 cm 左 右, 应 变 集 中 带 部 位 剪 应 力 值 已 达 1 剪 MPa。由此可见, 八浪沟滑坡高程3 000 m 以下部分堆 积体将发生整体滑动, 失稳模式是后缘先发生破坏、 沿 基岩面的整体失稳。
参 2006:11-12. 社, [ 冯思归, 2] . 梁明学. 金温铁 路 K202 工 点 边 坡 稳 定 性 分 析[J] 2009(4) :93-95. 铁道建筑, [ 蒋爵光. 用赤平投影进行 节 理 岩 体 稳 定 性 分 析 的 方 法[J] 3] . 1985(2) :37-44. 西南交通大学学报, [ 周应华, 4] 周德培, 江. 双 坡 面 临 空 岩 质 边 坡 滑 动 破 坏 模 式 邵 . 2006, 24(4) :446-448. 下的稳定性分析[J] 山地学报, [ 凌贤长, 5] M] 蔡德所. 岩体力学[ . 哈尔滨:哈尔滨 工 业 大 学 出 2002. 版社, [ 李海波, 6] 肖克强, 亚 群. 地 震 荷 载 作 用 下 顺 层 岩 质 边 坡 安 刘 . 2007, ( 12 ) : 238512 全系数 分 析[J ] 岩 石 力 学 与 工 程 学 报, 2394. 考 文 献

4

结论
地震动荷载作用 下 的 位 移、 力 和 剪 应 变 增 量 分 应

从理 论 上 很 好 地 解 释 了 边 坡 从 静 态 进 布特征经分析, 入动态所发生的巨大变化。充分说明地震发生瞬间对 主要结论如下: 边坡稳定性的影响极大, 1) 与地震前的天 然 状 态 相 比, 坡 在 加 速 度 峰 值 边 为 0. 1 g 的地震 动 荷 载 作 用 下, 大 水 平 位 移 出 现 在 最 为 坡体上部堆积体, 6. 25 cm;水 平 总 应 力 表 现 沿 坡 体 但局部不均匀, 基覆界面处水平 深度呈明显增大趋势, 应力最大值为 0. 3 ~ 0. 7 MPa。分析剪应 力 模 型, 坡 滑 比 体基覆界面处 的 最 大 剪 应 力 为 0. 6 MPa, 天 然 状 态 下最大值增加 0. 2 MPa。相应剪应变主要发生在滑 坡 体后缘下部, 滑带 块 石 土 与 基 岩 交 界 内。 最 大 剪 应 变 值为 2. 45E-3, 在此地震动荷载作用下, 八浪 滑 坡 整 体 上处于较高的稳定状态。 2) 在加速度峰值为 0. 15 g 的地震动荷载作用下, 水平位移 主 要 发 生 在 滑 体 表 层 及 滑 动 前 缘 临 空 面 附 滑坡后缘基岩部位变形不明显, 坡体表层覆盖物出 近, 现最大水平 位 移 为 13. 07 cm。 随 着 峰 值 加 速 度 的 增 加, 地震时堆积体水 平 应 力 总 体 表 现 沿 坡 体 深 度 呈 明 显增大趋势, 但局 部 不 均 匀。 水 平 总 应 力 最 大 值 出 现 在基覆界 面 处, 值 为 0. 5 ~ 0. 9 MPa; 而 坡 体 剪 应 力 数 最大剪应力出现在滑坡体后缘下部, 滑 也受地震影响, 带块 石 土 与 基 岩 交 界 内, 值 为 0. 7 MPa。 一 条 剪 应 数 变集中带已明显可见, 剪 应 变 仅 出 现 在 滑 坡 体 后 缘 但 及 坡 脚 处,且 扩 展 范 围 较 小,最 大 剪 应 变 值 为 3. 6812E-3。 由此可见, 在此地震动荷载作用下, 八浪滑

[ 韩颖. 岩质边坡楔 形 体 稳 定 分 析[D] 杭 州:浙 江 大 学 出 版 1] .

( 责任审编

赵其文 )

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