地震作用下二层岩滑坡变形场和应力场的有限元分析
地质灾害滑坡防治中的关键技术及其处理方法
地质灾害滑坡防治中的关键技术及其处理方法摘要：地质滑坡是较为常见的一种地质灾害，其形成条件、诱发因素的复杂性、多样性和不稳定性，致使预测和治理难度加大。
本文就结合笔者多年工作经验，对滑坡防治中关键技术及其处理方法进行了简要的分析与探讨，希望可供相关参考。
关键词：地质灾害；滑坡防治；关键技术；处理方法一、形成滑坡的条件及主要特征（1）、滑坡灾害形成条件1、地形特点。
主要包括斜坡和洼地地段，在这些地方地表水和地下水容易汇集壮大；河流的凹岸和缓坡，因其容易受到雨水冲刷和水流侵蚀往往形成滑坡；上陡下缓的堆积体地段和下伏基岩向外倾斜的斜坡；黄土地区阶梯前缘的缓坡地段等。
2、地层条件。
容易风化或见水易软化的软质岩层；夹有软弱夹层的硬质岩；上松下密的黏土、膨胀土层和堆积而成的黏性土地层等在具备贮水功能、聚水条件和地层有隔水软弱面时易形成滑坡。
3、地质构造。
倾向性较大的斜坡和断层交接面以及不整合面、岩层层理面，连通节理面、褶曲两翼的倾斜面等软弱结构层（面），由于地质结构的脆弱性易形成滑坡。
4、环境因素。
水、气候、地裂、地震等自然因素。
5、外在因素。
乱砍乱伐，破坏植被等人为破坏地表的行为。
（2）、滑坡判别特征1、形态特征。
滑坡主要呈现圈椅状或马蹄状环形谷。
上部常有裂缝、中部是起伏的坑洼；前缘有鼓丘且常伴有扇形裂缝、后缘有陡壁和擦痕；两侧有羽状的裂缝并常常形成双沟谷现象。
滑坡时常会形成鼻状凸丘和多级平台，有的还会伴随凹地积水、房屋倾斜、道路开裂和建筑倒塌等现象。
2、土层特征。
滑坡发生时地层的完整性遭到破坏：岩层层位、产状或构造与外围不连续；有的岩层发生重叠或顺序颠倒；地表出现张性裂缝，并掺杂有树叶及泥土等参杂物。
3、水文特征。
发生滑坡灾害时，地下含水层发生断裂，完整性和连续性遭到破坏。
具有单独的含水层的滑坡体，此时水文特征变得毫无规律可言：水位变化、方向错乱、滑动带前缘位置溢出泉水等。
二、滑坡防止中的关键技术及处理方法（1）、抗滑桩1、滑坡治理中抗滑桩的设计第一，确定桩群平面布置，确定桩距桩位。
矿山排土场边坡稳定性分析及安全评价-20110618 外考 李小春
一.相关规范的解读
《有色金属矿山排土场设计规范 GB 50421-2007》
一.相关规范的解读
《有色金属矿山排土场设计规范 GB 50421-2007》
一.相关规范的解读
《建筑边坡工程技术规范》 GB 50330-2002
5.1.2 根据边坡岩土类型和结构，综合采用工程地质类比法和刚 体极限平衡计算法进行 5.1.3对土质较软、地面荷载较大、高度较大的边坡，其坡脚地 面抗隆起和抗渗流等稳定性评价应按现行有关标准执行
矿山排土场边坡 稳定性分析及评价
李小春 研究员
中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室
钢铁企业总图运输设计规范 金属非金属矿山排土场安全生产规则 AQ_2005-2005 有色金属矿山排土场设计规范 GB50421-2007 岩土工程勘察规范 GB 50021-2001 金属非金属矿山安全规程 GBl6423—2006 岩土工程勘察技术规范 YS 5202-2004 《 金属非金属矿山安全规程 》GB l6423-2006
地转移入河床
经过3个过程：(1)滑动岩土
滑坡转化型泥石流
体的广泛库伦破坏；(2)由 高孔流体压力导致的部分或 完全液化；(3)滑坡平动动
工程类比/ 有限元/离
散元
能转化为颗粒振动内能
三.排土场的失效模式识别与计算方法
四.稳定性分析方法的分类
名称
原理
具体方法
选取原则
定 性
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
工程类比
对已有边坡和待分析边坡从各个方面进行对比、归 纳和总结，判断边坡稳定性
编号 1 2
3
正常级排土场特征
排土场基础较好或不良地基经过有效处理
排土场各项参数符合设计要求和排土场作业管理要求，用余推力法计算的安全系数大于 1.15，正常生产的 排水沟及泥石流拦挡设施符合设计要求的
slope stability analysis by finite elements -回复
slope stability analysis by finite elements -回复slope stability analysis by finite elements 是一种使用有限元方法进行边坡稳定性分析的技术。
这种方法使用计算机建模和数值模拟来评估边坡的稳定性，并确定可能发生滑坡或坡面破坏的潜在风险。
在本文中，我们将逐步解释该分析技术的步骤和原理。
1. 介绍有限元方法有限元方法是一种数值分析方法，用于求解复杂结构的力学问题。
它将结构划分为许多小元素，并在每个元素内近似解决方程。
边坡稳定性分析通过有限元方法计算平衡状态和边坡力学参数，以评估边坡的稳定性。
2. 收集数据在进行边坡稳定性分析之前，需要收集以下数据：- 地质地理信息：包括地表属性、地质构造、土层分布等。
- 材料特性：包括土壤和岩石的力学特性，如刚度、摩擦角、内摩擦角等。
- 施工历史：包括先前的坡面加固措施和地下水控制措施。
- 边坡几何：包括边坡的高度、坡度、截面形状等。
3. 生成有限元模型在对边坡进行有限元数值模拟之前，需要生成一个几何模型。
这可以通过CAD软件或其他计算机辅助设计工具完成。
几何模型应该准确地反映实际的边坡几何特征。
4. 确定边界条件边界条件是有限元模型中的边界约束和加载。
对于边坡稳定性分析，边界条件可能包括：地表和坡面的外力加载、地下水位和边坡底部的约束等。
这些边界条件对于获取真实的边坡响应至关重要。
5. 确定材料特性根据收集的土壤和岩石力学特性数据，将这些参数输入到有限元模型中。
这些参数可以是土壤或岩石的体积模量、剪切模量、摩擦角等。
确保这些参数准确反映实际材料的特性。
6. 设定分析参数分析参数包括收敛准则、时间步长、加载速率等。
这些参数的选择应基于实际情况和具体要求。
通常，收敛准则可用于控制计算的精度和稳定性。
7. 执行数值模拟分析一旦准备好有限元模型，设定好边界条件、材料特性和分析参数，即可执行数值模拟分析。
数值模拟文献综述——地质工程
滑坡数值模拟研究文献综述滑坡是一种常见的地质现象，在山区常常有较高的发生频率。
基于滑坡对人类安全和生产资料的威胁，国内外学界和机构都积极投入到对这类地质灾害的研究和治理工作当中来。
尤其是近数十年，随着计算机技术的快速更新升级，数值模拟方法被广泛运用到了滑坡这一领域。
本文就发展较快的有限元和离散元等方法成果作简单的收集和整理，并简单谈谈个人的认识。
一、数值模拟研究现状1.1 国外研究现状国外针对滑坡的研究起源于瑞典，起初的研究较为零散。
随着经济发展，人们遇到的滑坡逐渐增多，这使得对滑坡的研究也逐步深入和系统化。
再到上个世纪后半叶，学者借助计算机开发出了各类数值模拟技术，尝试分析滑坡演变的原理和治理方法。
Bernardie S等[1]结合统计学和力学方法，利用一个计算降雨与位移的传递系数的脉冲响应模型和一个反映地下水压力的一维力学模型耦合，成功再现了滑坡在一般运动状态下的位移模式。
根据降水数据，对某一段时间内的滑坡位移进行了模拟，获得了较好的预测效果。
Marcato G等[2]针对在地震波地面效应下陡山斜坡的碎屑堆积层进行了建模，并着重关注可能触发的潜在滑坡运动。
研究采用离散元方法和UDEC代码来研究斜坡的运动。
结果证明，地震波的垂直分量对系统的变形影响很小，而水平分量则对变形的影响显著，即使是很小的地震波在水平方向上也可能使斜坡发生显著的运动。
Chryssanthakis P等[3]结合挪威西部的一个岩质滑坡，应用二维非连续介质代码UDEC 和BB（Barton-Bandis联合模型）分别构建了滑坡模型。
其中UDEC模型并不考虑孔隙水压力，结果显示坡体稳定；BB模型则在运行中使滑坡边界上的孔隙水压力递增，在水位上升的过程中斜坡的下部发生了滑坡。
数值研究的成果早前的报告吻合，说明孔隙水压力是发生岩质滑坡的主要因素。
Harada E等[4]通过使用三维离散元法对滑坡进行数值模拟，并从不同角度对模型性能进行分析，建立了一个动态可视化的灾害预警模型以降低山侧城镇的受灾损失。
基于FLAC3D对某边坡天然及地震工况下稳定性分析
基于FLAC3D对某边坡天然及地震工况下稳定性分析◎ 彭志盛 中交四航局第二工程有限公司摘 要：本文以海外某工程开挖边坡为实例，结合室内试验参数，基于RMR分类法并参考经验公式进行岩土体参数估算，进一步评估4m或6m锚杆支护的边坡在天然工况下的稳定性并在地震工况下的运用拟静力法分析其稳定性。
结果表明：采用RMR法并结合边坡实际工程地质条件，参考已有经验公式对边坡岩土体参数进行估算在实际工程中是可行的，计算结果相对保守；天然工况或地震工况条件下，采用4m或6m锚杆进行支护时，稳定性系数均满足规范中对安全系数的要求，边坡处于基本稳定状态；但安全起见，建议对该边坡采用6m锚杆进行支护。
关键词：：FLAC3D；强度折减法；拟静力法；稳定性分析1.前言当前稳定性分析有定性和定量分析两类方法。
极限平衡法，极限分析法等是定量分析方法中比较常见的[1]。
无论极限平衡法或是极限分析法具因其模型简单、计算方便，在工程实践中作为首选方法进行广泛应用，但分析边坡破坏发生和发展过程方面却力有不逮[2]；针对此问题，基于强度折减法理论的数值模拟软件FL AC3D通过搜索潜在滑动面及其位置可以有效解决极限平衡法的不足，计算呈现结果更加直观。
进行数值模拟计算时，参数的选取至关重要，参数选取准确与否对计算结果影响重大，而当前岩土体，尤其是岩质材料的参数取值时往往进行以下简化：以岩石（岩块）室内试验所得性质代替真实岩体。
工程实践中极少遇到未风化岩体，天然环境中的岩体受风化作用产生广泛分布的节理裂隙，影响岩体完整性，并使得真实岩体在物理力学性质上与岩块存在较大差异。
本文以某工程挖方边坡为例，对岩体材料基于更科学的方法进行取值，采用强度折减法进行天然工况及地震工况下分析边坡稳定性。
2.强度折减法强度折减法中稳定性系数即边坡达到临界状态与初始状态对应的抗剪强度之比。
岩体抗剪强度应用过程如下式所示。
式中：C d——折减后的粘聚力；φd——折减后的内摩擦角；C——折减前的粘聚力；φ——折减前的内摩擦角；F d——折减系数。
第二章 破坏模式及稳定性分析
如果使有限元计算保持足够的计算精度，那么有限 元法较传统的方法具有如下优点：
(a)能够对具有复杂地貌、地质的边坡进行计算;
(b) 考虑了土体的非线性弹塑性本构关系，以及变形对应力的 影响； (c) 能够模拟土坡的失稳过程及其滑移面形状。由图可见滑移 面大致在水平位移突变的地方，也是在塑性区塑性发展最充 分的地方，呈条带状；
tg j tg
[2C j cos( ' ) 2 t sin( ' )] sin
gH sin sin( ')
4.5 传递系数法——折线形滑动
计算剖面
4.5 传递系数法——折线形滑动
地震力
计算荷载
P
面
重力 土：重度取值
CL W
浸润
D Ft
Nw
(FLAC)
《建筑边坡工程技术规范》中的基本规定
边坡: 岩质边坡与土质边坡。岩质边坡的破坏形式按下表划分：
确定岩质边坡的岩体类型应考虑主要结构面与坡向的关系、结构 面倾角大小和岩体完整程度等因素。确定岩质边坡的岩体类型时， 由坚硬程度不同的岩石互层组成且每层厚度小于5m的岩质边坡宜 视为由相对软弱岩石组成的边坡。当边坡岩体由两层以上单层厚 度大于5m的岩体组合时，可分段确定边坡类型。
研究边坡稳定性的重要依据，因此，地层岩性的差异往往是 影响边坡稳定的主要因素。 不同地层不同岩性各有其常见的变形破坏形式，古老的 泥质变质岩系，如千枚岩、片岩等地层，都属于易滑地层，
在这些地层形成的边坡，其稳定性必然较差。
3 影响边坡稳定性的因素
2）地质构造和地应力
地质构造主要指区域构造特点、边坡地质的褶 皱形态、岩层产状、断层和节理裂隙发育特征以及区 域新构造运动活动特点等。它对边坡岩体的稳定，特 别是对岩质边坡稳定性的影响十分显著。在区域构造 比较复杂的地区，边坡的稳定性较差。
边坡岩体稳定性分析
分
析
第
九 二、受力条件分析
章
在工程使用期间，可能滑动岩体或其边界面上承
边
受的力的类型及大小、方向和合力的作用点统称
坡
为受力条件。
岩
边坡岩体上承受的力常见有：岩体重力、静水压
体
力、动水压力、建筑物作用力及震动力等等。
稳 1.地震作用
定 水平地震作用：FEK=1G
性
分
析
第 九 章
边
坡
岩
体 2.水压力：包括渗透静水压力和渗透动水压力。
析
Fr
G sin
第 九
tg j
2C j sin
章
tg gH sin sin( )
边 坡 岩
滑动体极限高度Hcr为
Hcr
2C j
g[sin(
sin cos j )sin( j )]
体 忽略滑动面上内聚力(Cj=0)时
稳 定
tg j tg
第
九 章
一、几何边界条件分析
边 几何边界条件分析的内容是查清岩体中的各类结
坡
构面及其组合关系，确定出可能的滑移面、切割 面。
岩 几何边界条件分析的目的是确定边坡中可能滑动
体 岩体的位置、规模及形态，定性地判断边坡岩体
稳 的破坏类型及主滑方向。
定 几何边界条件的分析可通过赤平投影、实体比例 性 投影等图解法或三角几何分析法进行。
章
边 坡
1、卸荷回弹 •在成坡过程中，由于 荷重不断减少，边坡岩
岩 体在减荷方向(临空面)
体 产生伸长变形，即卸荷
稳 回弹。
定 •天然应力越大，向临
性 空方向的回弹变形量也
rocscience-Slide二维边坡稳定分析
设定边界条件和材料参数
边界条件
设定边坡的底部边界条件，如固定或自由边界，以及侧向边界条 件，如水平位移限制等。
材料参数
输入各材料层的物理力学参数，如重度、内聚力、内摩擦角、渗 透性等。
水文条件
考虑地下水对边坡稳定性的影响，设定地下水位、渗透系数等水 文参数。
运行分析和查看结果
运行分析
根据所选择的分析方法和设定的参数，运行rocscience-Slide程序进行分析。
rocscience-Slide具有直观的用 户界面和强大的后处理功能，方 便用户进行数据处理和结果展示
。
功能特点
自定义材料参数
用户可以根据需要自定义材料的物理力学 参数，如重度、内聚力、内摩擦角等。
多种分析方法
rocscience-Slide提供多种边坡稳定 性分析方法，用户可根据实际情况 选择合适的方法进行分析。
定义材料层
在边坡剖面中，定义不同 材料层，包括土壤、岩石 等，并设置各层的物理力 学参数。
选择分析方法
极限平衡法
采用极限平衡原理，通过搜索最危险滑动面，计 算边坡的安全系数和潜在滑动面。
有限元法
利用有限元方法，对边坡进行应力应变分析，评 估边坡的稳定性。
边界元法
应用边界元技பைடு நூலகம்，解决边坡稳定分析的边界值问 题，提高计算效率。
案例三：边坡加固设计分析
边坡描述
本案例涉及一个已经发 生滑动的边坡，需要进 行加固设计以防止进一 步滑动。
加固措施
采用抗滑桩和预应力锚 索进行加固，抗滑桩间 距5米，锚索长度20米 。
分析结果
加固后计算得到的安全 系数为1.5，表明加固措 施有效地提高了边坡的 稳定性。
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地震作用下二层岩滑坡变形场和应力场的有限元分析
摘要]重庆市万州区二层岩滑坡在地震力作用下可能出现失稳状况。本文采用
ANSYS 有限元软件模拟分析了该滑坡在自重、竖直向地震力和水平向地震力三种
情况作用下坡体内变形场和应力场的变化规律，从而验证了水平向地震力是可能
导致该滑坡失稳的主要因素。
关 键 词：应力场和变形场；地震力；有限元；二层岩滑坡
Finite element analysis of two layers of rock landslide’s deformation field and
stress field under the action of earthquakePU Zhao，WANG Hao(Chongqing 607
Investigation Industry General Company，Chongqing 400056，China)Abstract：Two
layers of rock landslide in district of Wanzhou Chongqing City may appear unstable
situation under the action of earthquake. This paperemploys finite element software
ANSYS to simulate and analyse stress and deformation field under the action of gravity,
the vertical seismic force and thehorizontal seismic force separately, related results
verify the conclusion that horizontal seismic is main factor lead to the failure of
landslide.Key words：stress and deformation field；the earthquake force；finite
element；two layers of rock landslide
随着三峡工程建设的进行，库区地质灾害问题引起了党中央国务院及国家有
关部门和重庆市、湖北省各级政府及相关部门高度重视。库区滑坡灾害首当其冲，
二层岩滑坡即是由重庆市级相关部门批准提前实施的项目之一。
二层岩滑坡位于重庆市万州区长江北岸一级支流内，属天城移民开发区枇杷
坪管辖，滑坡面积约23.0×104m2，威胁对象涉及二层岩村2 组和3 组，滑坡体上
居民人口达410 人[1]，一旦滑坡发生，后果非常严重。理论计算表明，二层岩滑
坡在地震作用下稳定性有所下降，本文拟采用有限元数值模拟方法分析地震作用
下二层岩滑坡内部应力场及变形场，揭示由地震作用导致的滑坡稳定性下降的内
在机理。
1 二层岩滑坡简述
二层岩滑坡位于长江左岸（北岸）的一级支沟?万平桥河沟的东侧,滑坡后缘
高程270~280m，前缘高程130~160m。滑坡区地形变化较大，总体上形成二级台
阶，东西长450~470m，南北宽500~560m，主滑方向252°，总方量约380×104m3，
属大型滑坡。二层岩滑坡滑体物质主要为块碎石土、粉质粘土和粘土。块碎石成
份为泥质砂岩、砂岩和泥岩，大多数为强风化，少量为中风化，易碎，大小混杂。
粉质粘土和粘土呈棕-褐黄色，硬塑-可塑状态。滑床主要为上沙溪庙组紫红色泥
岩、砂质泥岩和黄灰-浅灰色泥质砂岩，岩石风化较强烈，滑面附件大多数为强风
化。
二层岩滑坡体上的房屋和地面变形明显，整体处于欠稳定状态。
2 二层岩滑坡有限元建模
依据二层岩滑坡稳定性计算典型剖面图，在AutoCAD 中处理生成相应.sat 文
件，导入有限元软件ANSYS 中[2]，得到二层岩滑坡的有限元模型，如图1 示。
Fig.1 The finite element analysis model of two layers of rock landslide有限元模拟分析需要的
相关参数可根据勘察结果，通过室内试验资料结合经验类比、反演分析法等确定，列于表1。
表1 滑体、滑带、滑床的物理力学参数建议值
Table 1 Recommended physical mechanics parameters of slip mass,slip zone and sliding bed
3 有限元计算结果分析
3.1 考虑自重作用的二层岩滑坡变形场和应力场
此次有限元数值模拟中，重力加速度按9.8m/s2 计，设置相关参数后计算该模型在自重
作用下的应力场及变形场，结果提取如下图2 和3。
3.2 考虑竖直向地震力作用的二层岩滑坡变形场和应力场
根据国家地震局《中国地震烈度区划图》（1990），万州区属于弱震区，竖直向地震力
系数按0.03 取值，提取二层岩滑坡在竖直向地震力作用下的变形场和应力场，如图4 和5。
3.3 考虑水平向地震力作用的二层岩滑坡变形场和应力场
根据国家地震局《中国地震烈度区划图》（1990），万州区属于弱震区，水平向地震力
系数按0.05 取值，提取二层岩滑坡在水平向地震力作用下的变形场和应力场，如图6 和7。
3.4 对比分析
滑坡的发生表观上表现为滑体土的水平向位移，针对图2,4 和6，发现该滑坡在自重作用
下坡体水平向位移最大值为0.3788m，在竖直向地震力作用下坡体水平向位移最大值为
0.3902m，在水平向地震力作用下坡体水平向位移最大值为0.4304m，单从这一点上看，影响
该滑坡稳定性的主要是水平向的地震力，它的存在导致滑坡水平向位移增大，极端情况下可
能导致该滑坡失稳。
分析图3,5 和7 发现，滑坡在水平向地震力作用下坡体内水平向应力分布与其他两种情
况存在较大的区别，水平地震力作用下，坡顶出现两处较大应力，单单看水平向应力并不能
说明什么，具体分析还需要看其他各方向的应力情况，此处不多介绍。
4 结 语
本文以重庆市万州区二层岩滑坡为例，采用ANSYS 有限元软件模拟分析了该滑坡在自重、
竖直向地震力和水平向地震力等三种情况作用下，坡体内变形场和应力场分布规律，从而验
证了水平向地震力对该滑坡稳定性的劣化作用。
参考文献(References)：
[1] 李志军等.重庆市三峡库区三期地质灾害防治工程Ⅰ类应急抢险项目-万州区二层岩滑
坡详细勘查报告[R].成都:四川省华地建设工程有限责任公司,2005.
[2] 赖永标等.土木工程有限元分析典型范例[M].北京:电子工业出版社,2007.