三维弹塑性接触有限元滑坡稳定性分析.pdf

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第12卷第2期
地质力学学报
Vol 12 No. 2
2006年6月
JOURNAL OF GEOMECHANICS
Jun.2006
文章编号:1006-6616(2006)02-0150-10
三维弹塑性接触有限元滑坡稳定性分析
许建聪',尚岳全2,田晓娟
(1.同济大学土木工程学院,上海2000;2.浙江大学建筑工程学院,浙江杭州310027;
中国地质科学院地质力学研究所,北京100081)
摘要:为了准确评价碎石土滑坡的稳定性,通过资料搜集整理和分析、现场工程
地质调查与勘探和室内外的物理力学试验,采用三维弹塑性接触有限元算法计算碎
石土滑坡的整体稳定性系数和分析滑坡的稳定性。研究结果表明,采用三维弹塑性
接触有限元强度折减法计算碎石土滑坡的稳定性系数,可以考虑滑坡体的空间效
应,使计算结果更加精确;在碎石土滑坡变形解体破坏过程中,在空间上滑体塑性
应变和滑面上岩土体抗剪强度的发挥程度是不一致的;根据三维弹塑性接触有限元
算法计算的滑面接触摩擦应力计算二维剖面碎石土滑坡稳定性系数的方法比较适宜
于该类型滑坡稳定性的分析评价,能够比较客观、准确地反映滑坡所处的实际状
关键词:岩土力学计算;滑坡;弹塑性有眼元;接触算法;稳定性分析
中图分类号:TU457
文献标识码;A
0引言
滑坡是自然界常见的一种地质灾害。滑坡稳定性分析的主要任务是计算滑坡稳定性系
数、评价当前滑坡的稳定性状态和可能的变化发展趋势,以便作为滑坡整治工程设计的依
据
目前应用于滑坡稳定性分析的方法主要有基于极限平衡的传统法和有限元法。虽然目前
工程界普遍采用极限平衡法分析滑坡的稳定性,并作为边坡设计的主要依据,但是,在传统
的滑坡稳定性分析极限平衡法中,为了便于分析计算的进行,做了许多近似假设-。如在
求稳定性系数时通常需要事先假定滑裂面为直线、折线和圆弧等,不考虑土体内部的应力应
变关系,不考虑支挡结构的作用,等等。因此,采用传统分析方法不能得到滑体内的应力
变形分布状况,也不能求得岩土体本身的变形和支挡结构对滑坡变形及稳定性的影响,无法
分析滑坡破坏的发生和发展过程。而且,由于滑坡的滑裂面是三维的,现有的极限平衡分析
方法大多基于滑裂面的平面假定,并且现有的三维极限平衡分析方法实际上是二维“条分
收稿日期:2005-12-28
基金项目:国家自然科学基金项目(40372118)资助。
作者简介:许建聪(1967-)、男,工学博士,同济大学土本工程学院博士后,主要从事岩土工程与工程地质、地下结
构工程、防灾减灾工程及防护工程等方面的科研工作。E-mail:xs0702@163.com
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第2期
许建聪等:三维弹塑性接触有限元滑坡稳定性分析
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法”的拓展?。所以,传统分析方法的这些先天缺点使它在应用中受到一定的限制,尤其
在大型边坡和重要工程的边坡整治分析中,大多仅把它用于初步计算和估计。
有限元法不仅满足力的平衡条件,而且还考虑了岩土体应力、变形关系和支挡结构的作
用,能够得到滑坡在荷载作用下的应力、变形分布,模拟出符合实际的滑坡滑移面。正因为
有限元法的这些优点,近年来它己广泛应用于滑坡的稳定性分析中。
采用有限元法来分析滑坡的稳定性,有二维分析法和三维分析法。目前对滑坡稳定性的
有限元分析大多都集中于二维分析,而二维分析的结果推广到实际滑坡的稳定性分析应用
时,往往存在较大的误差。近年来,随着计算机技术的发展,已有部分学者开展了三维弹塑
性有限元边坡稳定性分析S?。但是,目前,在三维弹塑性有限元边坡稳定性分析中一般都
采用薄层单元模拟滑动面?,视滑床为弹性体,采用点强度稳定性系数法和整体强度折减
法求边坡稳定性系数。这些三维弹塑性有限元边坡稳定性分析大部分应用于均质土坡和岩质
边坡中,而采用三维弹塑性接触有限元强度折减法分析滑坡稳定性还未见报道。
碎石土滑坡常常是填土、残积、坡积、崩塌或滑坡堆积以及硬岩全风化物等成因的松散
堆积土形成的结构松散的边坡。对该类型滑坡的稳定性分析与处理,不仅要花费大量的财力
与时间去确定滑坡边界条件,同时选择稳定性计算方法也至关重要。
由于碎石土滑坡滑体总是沿着下伏基岩面滑动,所以对碎石土滑坡进行稳定性分析时
只有采用解决高度状态非线性问题的接触算法,才能对该类型滑坡所处的实际状态进行准确
的评价。同时,二维有限元法难于逼真地模拟具有复杂地质、地形和地势的滑坡,只有考虑
空间效应的三维稳定性分析,才能反映该类型滑坡所处的实际状态。为了准确评价碎石土滑
坡的稳定性,在此拟采用三维弹塑性接触有限元算法分析浙江龙(游)丽(水)一级公路官
家碎石土滑坡的稳定性,以便为该类型滑坡的稳定性分析评价提供可资借鉴的方法。
1滑坡工程地质条件
官家滑坡位于浙江省50省道龙丽一级公路K9+940~K10+200之间。2002年底,公路
左侧山坡出现裂缝。随后立即对裂缝进行了回填,并在上面覆盖了塑料薄膜。随着时间的推
移,受降雨等的影响,2003年4月期间,山坡上多处出现新的裂缝,规模明显变大,同时
前缘出现小规模崩塌及泉点等现象。虽然稍后采取了削坡卸荷、抬高路面等处理办法,但在
降雨及地下水作用下山坡上仍有新的裂缝出现,原有裂缝继续张开,护坡墙出现裂缝,公路
内侧路基岀现隆起。该滑坡投影面积约3.09x10m2,滑坡平均厚度23.87m,滑坡体积约
7.38×10°m3,该滑坡为大型中深层碎石土滑坡。
根据地表及钻孔揭露,官家滑坡体的组成物质为残坡积碎石土、含碎石粉质粘土,滑床
为较完整的基岩。滑坡体结构如图1所示。
2三维弹塑性接触有限元算法模型的选择
官家滑坡属于碎石土滑坡,该类型滑坡的滑体将始终依附于下伏的基岩面滑动。因此,
在分析滑坡稳定性时,必须采用不分离接触弹塑性有限元模型模拟滑坡体位移、塑性应变
等,获得滑坡整体稳定性系数、滑坡体沿滑面的滑动位移、滑动状态以及滑面上的接触摩擦
应力等,才能对该类型滑坡做出准确评价。