SLOPE_W程序在土质边坡稳定性分析中的应用_高涛

西安科技大学学报

Vol.26 No.2Jun.2006

JOURNALOFXI.ANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY

文章编号:1672-9315(2006)02-0184-05

SLOPE/W程序在土质边坡稳定性分析中的应用

高 涛1,毛巨省1,罗建峰2,3,郅 彬1,刘会林4

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西西安 710054;2.西安科技大学能源学院,陕西西安 710054;

3.靖远煤业集团有限责任公司,甘肃白银 730913;4.中铁16局集团有限责任公司,北京 101100)

摘 要:简述了3种基于极限平衡理论分析边坡稳定性分析的方法,利用SLOPE/W程序对延安西市路西沟凤凰山滑坡进行了稳定性分析。建立了各级滑坡的计算模型,得出了分别采用Bishop法和Jan-bu法在未考虑地下水和考虑地下水的两种情况下各级边坡的安全系数。将SLOPE/W程序分析结果和剩余下滑力法计算结果进行比较分析,表明应用SLOPE/W程序进行土质边坡稳定性分析有较大的工程意义。另外,SLOPE/W程序模拟结果表明,水是影响边坡稳定的关键因素。关键词:SLOPE/W程序;土质边坡;稳定性分析;地下水中图分类号:TU441+.35 文献标识码:A

ApplicationofSLOPE/Winthestabilityanalysisofsoilslope

GAOTao1,MAOJu-xing1,LUOJian-feng2,3,ZHIBin1,LIUHu-ilin4

(1.SchoolofArchitecturalandCivilEngineering,Xi.anUniversityofScienceandTechnology,Xi.an710054,China;

2.SchoolofEnergy,Xi.anUniversityofScienceandTechnology,Xi.an710054,China;3.Jingyuan

MiningGroupCo.Ltd.,Baiyin730913,China;4.ChinaRailway16BureauGroupCo.Ltd.,Beijing101100,China)

Abstract:Threeslopeanalysismethodsusinglimitequilibriumtheoryareintroduced,thencombiningwithrealprojectofFenghuangMountainslopeatXishiRoadinYan.an,thestabilityoftheslopeisanalyzedwithSLOPE/Wprogram.Theanalysismodelisfounded,andthesafetyfactorofeachstepslopeiscalculatedseparatelybymeansofBishopandJanbumethodsundertheconditionswithoutun-dergroundwaterandwithundergroundwater.Thecomparisonbetweenthecomputerstimulatingre-sultsandtheresultscalculatedbymeansofsurplusthrustforceismade,whichindicatesthatthesta-bilityanalysisofsoilslopewithSLOPE/Wprogramisreliableandthatwaterisakeyfactortoslopestability.

Keywords:SLOPE/Wprogram;soilslope;stabilityanalysis;undergroundwater

0 引 言

滑坡是一种重要的地质灾害,给人类的生命财产带来了严重威胁。滑坡可导致交通中断、河道堵塞、厂矿城镇掩埋或建设受阻等工程灾害。另外,要开发我国丰富的水利水电资源,攻克高边坡稳定难关是一个突出的问题

[1-2]

。边坡稳定性定量分析是边坡加固治理研究的基础,也是加固设计的依据,任何经济、合理、有效的边坡

加固治理措施都源自对边坡安全系数和临界滑动面位置的合理确定[3]。为了得到临界滑动面和最小安全系数,通常采用试算方法,即根据岩土工程勘察报告提供的工程区域的地质情况,假定若干可能的滑动面,对每个可能

y收稿日期:2005-05-16

作者简介:高 涛(1982-),男,河南开封人,硕士研究生,主要从事岩土工程的学习和研究工作.

第2期 高 涛等 SLOPE/W程序在土质边坡稳定性分析中的应用

185

的滑动面进行试算,确定最小安全系数对应的滑动面。文中利用GEO-SLOPE软件包中的SLOPE/W程序对一土质边坡的稳定性进行分析,并与工程上常用的剩余下滑力法计算结果进行了比较分析。

1 分析方法简介

利用极限平衡法对边坡的稳定性进行了分析。该方法的基本特点是,只考虑静力平衡条件和土的Mohr-Coulomb破坏准则,也就是说,通过分析土体的破坏那一刻的平衡来求得问题的解。极限平衡理论的主要思想是将滑动土体进行条分,由极限状态下土条所受力和力矩的平衡来分析边坡稳定性种分析方法。文中所用极限平衡理论的方法有以下几种。

1)简化毕肖普(Bishop)法[5]308:该方法考虑了土条间的作用力,这是对传统的瑞典条分法的重要改进。该方法忽略各土条之间的切向条间力,认为条间力的合力是水平的,同时假设破坏面是圆弧面,且定义边坡安全系数为沿整个滑动面上的抗剪强度与实际产生的剪应力的比值。该方法的计算结果比较接近实际,常用于土质、软岩质及碎岩边坡的稳定性分析。

2)简布(Janbu)法[5]312:Janbu提出了同时满足力和力矩平衡的/通用条分法0。这一方法区别于其他方法的一个重要方面,就是通过假定土条侧向力的作用点而不是作用方向来求解安全系数。采用非圆弧面,按条块滑动平衡确定条间力,按推力线确定法向力的作用点,简化计算条间切向力为零,然后再对稳定系数进行修正。

3)剩余下滑力法[6]:剩余下滑力是指滑坡体向下滑动的力与抵抗向下滑动力之差。剩余下滑力计算常用折线法,又称传递系数法。这种方法适用于斜坡土石体沿坚硬的土层或岩层层面滑落时,滑动面已知的情况(滑动面由工程地质勘察确定)。计算时假定:滑动面为折线形;滑体作整体滑动,不考虑相互间的挤压和拉裂;滑坡推力方向平行于相应各段滑面的方向,作用点位于两段界面的中点;顺滑坡主轴取1m宽的土截片作为计算的基本截面,不考虑截片两侧面的摩擦力;建立公式时,假设滑体处于平衡状态。计算简图如图1所示。

按照以上假设,建立滑坡由上向下的剩余下滑力传递公式如下

Pn=Pn-1[cos(Hn-1-Hn)-sin(Hn-1-Hn)tanUn]+KTQnsinHn-QncosHntanUn-cnln

式中 U);KT为滑坡推力安全系数。n为第n段滑坡体沿滑面上的摩擦角,(b

如果传到最后一段滑坡体的剩余推力不大于0,说明整个斜坡是稳定的,此时对应的KT即为滑坡的安全系数。

图1 滑坡推力计算简图

Fig.1 Calculationofslopethrustforce

(a)沿滑坡主轴方向纵剖面 (b)第n段隔离体

[4]

。它是目前应用最多的一

2 工程地质概况

凤凰山滑坡位于延安市中心西南约1.5km处的西沟南侧,洞沟东侧。滑坡体东西长约140m,南北宽约410m,面积约为0.06km2。滑坡土体厚度约为2.3~37.8m,滑坡体积约为50万m3。地面标高为997.0~1118.0m,高差大约为121m。根据岩土工程勘察资料,滑坡区地层土主要由第四纪全新世近期人工填土、第四纪全新世坡、洪积黄土状土、滑坡堆积物,第四纪晚更新世风积黄土、残积古土壤,第四纪中更新世风积黄土、残积古土壤和侏罗纪砂页岩构成。地下水位标高为1032.20~1043.64m,局部地下水以下降泉形式缓慢渗出,冲沟中的地下水位埋深为3.91~7.15m,相应水位标高为1026.20~1038.18m,属上层滞水类型。主要由大气降水补给,水量不大,水位连续性差,以地表蒸发和下降泉形式排泄。

3 SLOPE/W模型的建立与求解

3.1 SLOPE/W程序简介

SLOPE/W是一个功能强大的土质边坡稳定性分析程序。该程序应用极限平衡方法,能对复杂的土层和滑

动面形状及多种孔隙水压力状况建立2-D计算模型,对边坡进行稳定性分析。SLOPE/W可以考虑地下水、土体裂缝、坡顶堆载等影响边坡稳定性的因素。用SLOPE/W进行边坡稳定性分析,首先根据岩土工程勘察资料186

西安科技大学学报 2006年

提供的剖面图,确定研究区域的几何尺寸,建立2-D几何模型。滑动面的定义有两种方法:第一种,根据工程地质条件和经验定出一系列可能的滑动面的切线及与之对应的滑动中心,程序采用/地毯式0的搜索方法得到临界滑动面组合。该分析方法的破坏滑动面均为圆弧形。第二种,根据岩土工程勘察资料,经过边坡软弱部位做出折线滑动面,并给定一个滑动中心。SLOPE/W可以同时定义几个可能滑动面,来确定临界滑动面。

SLOPE/W采用条分法,计算边坡的安全系数效率高,另外,该程序的可视图形化界面能够使我们直观的看到最危险滑动面、对应的滑动中心的位置和相应的安全系数。另外,对于稳定性不足的边坡,该程序提供了锚杆、挡土墙等支护方法,并可重新计算出经过治理以后边坡的安全系数,验证加固治理方案是否满足工程要求。

3.2 模型的建立

文中以图2所示边坡剖面为例,对该边坡的稳定性进

行定量验算,与剩余下滑力法分析结果进行比较分析,说明SLOPE/W用于土质边坡稳定性分析的优越性。根据该工程岩土工程勘查资料,将边坡分为三级:第一级为古滑

图2 边坡剖面简图Fig.2 Typicalsectionofslope

坡,第二级为次级古滑坡,第三级为正在发育的工程滑坡。其发展趋势表现为由下往上逐级牵引滑动。由于边坡坡顶有向背坡方向滑塌现象,所以在研究范围内不考虑土体的水平推力。

对于自由滑坡体,程序要求在对滑坡体进行分层(按一般由上向下依次分层)时,各层土服从Mohr-Coulomb破坏准则,最下土层的下部还应有一层力学模型为Bedrock的土层,即保证滑动面出现的可能范围,不可通过/基岩0。设土条1右侧为/基岩0,土体模型为Bedrock。考虑到滑动面可能通过地平面以下的土体,将各土条长度延伸至地平面以下10m处,满足分析要求。

图3 一级滑坡分析模型

Fig.3 Analysismodeloffirststepslope(a)未考虑地下水 (b)考虑地下水

图4 二级滑坡分析模型

Fig.4 Analysismodelofsecondstepslope(a)未考虑地下水 (b)考虑地下水

根据该工程岩土工程勘察资料提供的土体物理力学参数,将该边坡滑带土体划分为16块竖向土条,提供了各竖向土条的几何参数和物理力学参数,不能像一般作土层分析那样水平划分各土层,作者考虑到实际工程分第2期 高 涛等 SLOPE/W程序在土质边坡稳定性分析中的应用

187

析的可行性与客观性,建立了SLOPE/W计算模型。计算结果表明,这种建模方法是合理的。各级边坡稳定性分析模型如图3~图5所示,模型中各土条编号如图2所示。

表1 土体物理力学参数表

Tab.1 Physico-mechanicalparametersofsoils

土层编号1-1112-1415-16

粘聚力/kPa14.7014.90

8.00

内摩擦角/(b)

16.9017.00

11.00

天然重度/kN#m-3

18.918.9

18.9

浮重度/kN#m-3

8.98.9

8.9

图5 三级滑坡分析模型

Fig.5 Analysismodelofthirdstepslope(a)未考虑地下水 (b)考虑地下水

3.3 模型的求解

模型求解时,分别选用Bishop法和Janbu法,在考虑地下水影响和未考虑地下水影响两种情况下,求得各级滑坡的安全系数。剩余下滑力法不能考虑地下水对边坡稳定性的影响,而SLOPE/W程序能够方便地更换分析方法和考虑了地下水对边坡稳定性的影响。剩余下滑力法的计算结果未考虑地下水对边坡安全系数的影响,但实际上,地下水的存在对边坡的稳定性有很大影响。用SLOPE/W进行边坡稳定性分析时,求出了未考虑地下

水和考虑地下水影响两种情况下的边坡安全系数。考虑地下水影响的安全系数作为工程设计依据,更加可靠、安全。各级滑坡安全系数计算结果如图6所示。

剩余下滑力法及SLOPE/W程序计算所得安全系数比较见表2。

图6 各级滑坡分析模型及安全系数

Fig.6 Calculatedsafetyfactorofeachstepslope

(a)未考虑地下水 (b)考虑地下水

表2 两种方法计算所得安全系数比较表

Tab.2 Comparisonofcalculatedresultsusingdifferentmethods

滑坡分级

剩余下滑力法未考虑地下水

1.0121.0120.990SLOPE/W程序

Bishop法

未考虑地下水考虑地下水

1.0480.9731.0530.938

0.9860.890Janbu法

未考虑地下水考虑地下水

0.8810.8300.9490.853

0.9100.827一级滑坡

二级滑坡三级滑坡188

西安科技大学学报 2006年

4 计算结果分析

在未考虑地下水影响的情况下,从表2计算结果分析可知,Bishop法的计算结果与剩余下滑力法计算结果差别不大,一级和二级滑坡的安全系数均稍大于1.0,尚处于临界稳定状态;三级滑坡的安全系数稍小于1.0,可能已经发生轻微滑动。造成两种方法计算结果差别的原因有以下几方面:第一,两种方法本身的假设条件不同;第二,剩余下滑力法计算过程中存在计算误差;第三,由于SLOPE/W程序在建立模型时滑动中心位置是根据工程经验确定的。

在考虑地下水的情况下,SLOPE/W程序计算机模拟,应用Bishop法的计算结果与不考虑地下水时的结果差别较大。特别是一级和二级滑坡,在未考虑地下水情况下,安全系数均大于1.0,考虑地下水后,安全系数均小于1.0,这直接影响到边坡稳定性的判断。究其原因,水是影响滑坡稳定性的一个重要因素,水大量渗入边坡土体,会造成土坡介质力学性质指标的变化,使土体吸水饱和,容重增大,强度降低,并可能在边坡土体内部产生地下水渗流,从而使边坡的下滑力增大,抗滑力减小,安全系数降低,改变了土坡原有的受力状态[7]。另外,地下水的渗流对坡体介质的溶解溶蚀和冲蚀改变了边坡体的内部构造而导致边坡滑动。

对于应用Janbu法在SLOPE/W程序计算机模拟时,水对于滑坡的稳定性的影响仍较大,但其整体计算结果比前两种方法均小,偏于安全。

利用SLOPE/W程序计算结果对边坡稳定性进行综合评价,第一、二级古滑坡尚处于临界稳定状态,但已十分接近极限平衡状态;第三级滑坡处于蠕滑阶段,在降雨时极有可能突然下滑。若第三级滑坡滑动,随后必将牵引第二级、第一级滑坡滑动,因此,必须对该边坡采取必要的治理措施。该结论与现场监测结果完全吻合。这里对该边坡的加固治理方案不作讨论。

5 结 论

建立分析模型时,以人为划分的竖向土条作为模型中的土层,符合工程实际;SLOPE/W程序模拟结果与剩余下滑力法计算结果接近,说明应用SLOPE/W程序进行土质边坡稳定性分析有较大的工程意义;考虑了地下水的影响,研究表明,地下水对土质边坡稳定性的影响是显著的;建议在边坡治理工程中重视边坡排水工作,使边坡土体处于自然干燥状态,有利于边坡的长期稳定。

参考文献:

[1] 陈祖煜.土质边坡稳定分析:原理#方法#程序[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[2] 谷拴成,张士兵.岩石高边坡弯曲破坏的力学分析[J].西安科技学院学报,2003,23(1):11-13.[3] 高 智,肖 卫,卓 芸.浅谈土质路堑边坡变形与稳定性[J].山西建筑,2004,30(7):104-105.[4] 赵宇坤,刘汉东,李庆安.黄河下游堤防稳定性分析方法适应性研究[J].人民黄河,2004,26(12):5-7.[5] 钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算[M].第二版.北京:中国水利水电出版社,1996.[6] 华南理工大学,东南大学.地基及基础[M].第三版.北京:中国建筑工业出版社,1998.

[7] 汪益敏,陈页开,韩大建,等.降雨入渗对边坡稳定影响的实例分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(6):920-924.

(上接第178页)参考文献:

[1] 国际岩石力学学会试验室和现场试验标准化委员会.岩石力学试验建议方法[M].上集.北京:煤炭工业出版社,1982.[2] FairhurstCE,HudsonJA.单轴压缩试验测定完整岩石应力-应变全曲线ISRM建议方法草案[J],岩石力学与工程学

报,2000,(6):802-808.

[3] 朱建明,徐秉业.岩石类材料峰后滑移剪膨变形特征研究[J].力学与实践,2001,23(5):19-22.[4] 闫立宏,吴基文.煤岩单轴压缩试验研究[J].矿业安全与环保,2001,28(2):14-16.

[5] 任建喜,葛修润.岩石破坏全过程的CT细观损伤演化机理动态分析[J].西安公路交通大学学报,2000,20(2):12-15.[6] 傅宇方,祁宏伟.岩石破裂过程中围压效应的数值试验研究[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2000,19(5):

488.

[7] 刘冬梅,谢锦平.岩石变形断裂过程的全息干涉法实测研究[J].岩石力学与工程学报,2001,20(A01):944-947.