强度折减法框架下芜湖市吕山金矿高边坡稳定性分析

以经典边坡为算例，研究了不同坡高，坡角，流动法则对边坡稳定性的影响，以及结合工程实例，首先建立二维模型，模拟边坡在不同工况下的稳定性及边坡破坏机理。最后建立三维有限元模型，对比二维和三维边坡在重力荷载条件下的安全系数，并探讨了不同地震加速度方向和值组合下边坡的安全系数，提出并对抗滑桩加固边坡进行数值模拟
第 1 章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.1.1 课题的研究背景

滑坡指地表斜坡上大量的土石整体下滑的自然现象。对建筑物、公路、农田、森林会造成很大破坏[1]。2016 年 7 月 1 日，贵州大方县理化乡偏坡村金星组发生山体滑坡灾害事故[2]，导致 11 户 30 人被埋，事故最终导致 1 人死亡，23 人失联。2017 年 6 月 22 日以来，湖南省湘西州连续发生强降雨导致泸溪县武溪镇上堡村一组富农山庄附近山体滑坡，事故中 3 名失踪群众被发现，已不幸遇难。2017 年 6月 24 日，四川省茂县叠溪镇新磨村突发山体高位垮塌[3]，造成河道堵塞 2 公里，100 余人被掩埋，经专家分析，这是一起降雨诱发的高位远程崩滑碎屑流灾害。25日下午在茂县新闻发布会上，据国土资源部专家初步分析，此次茂县叠溪镇新磨村发生的地质灾害确定为山体滑坡，滑坡体大概有 1800 万方，滑坡最大落差约1600m，平面滑动距离 2.5-3.0km。2019 年 9 月 5 日凌晨，受强降雨影响，云南昭通市巧家县马鞍村烂泥菁村民小组发生滑坡与泥石流灾害，发生房屋被冲毁和人

员被掩埋，灾情发生后，小河镇党委、政府立即组织干部职工赶赴现场开展救援和疏散工作，巧家县启动自然灾害救助应急预案 3 级响应，省市县镇村救援人员全力搜救。权威消息证实，此次灾害导致 9 人失联。近年来安徽省滑坡灾害频发，造成巨大的损失，2016 年 7 月 2 日，安徽省岳西县青天乡多处山体发生滑坡，全乡塌方多达 250 处，并且 209 省道因山体滑坡受阻。2016 年 7 月 14 日，安徽省枞阳县跃进圩出现 120m 长的深度滑坡，一旦出现溃堤，倒灌的湖水直奔数公里外的乡镇。在经过驻扎在当地中学的第 12 集团军百将团 150 名官兵和当地 60 余名党员进行连续 7 个小时的抢险之后，险情被成功排除。2018 年 7 月 15 日，受近期强降雨天气影响，宿松县北浴乡马厂附近，一个至少 10 万 m³的山体正以不规则的速度向河道内垮塌，险情步步进逼。如果这半座山滑入河中，会形成一个巨大的堰塞湖。一旦堰塞湖溃破、水流突然下泄，集镇上的机关、医院和 100 多户将被横扫一空。

1.2 国外研究现状

1975 年，英国科学家 Zienkiewics[6]首次提出通过不断的折减岩土力学材料参数来计算岩土工程的极限荷载和稳定安全系数。Ugai[7](1989)将岩土体假定为理想的弹塑性材料，利用有限元强度折减法对直立边坡、倾斜边坡及非均质边坡等边坡类型进行分析研究，发现强度折减法有较强的适应性和可行性。Dawson 等[8]（1999）采用强度折减技术分别讨论了粗、细网格条件下边坡的稳定安全系数，得出细网格下所获得的解更精确。Griffiths DV，Lane P A 等[9](1999)使用有限元强度折减法对均质、带有垫层、带有软弱夹层等不同类型的土坡进行稳定分析，认为有限元法满足计算要求，分析高效简洁实用 。Lane 和 Griffiths[10](2000)将坡体内的浸润线简化为直线，采用强度折减有限元法分析了水位在骤降与缓降条件下岸坡的稳定性。Cai 和 Ugai[11](2004)采用渗流和变形非耦合的方法，利用强度折减技术分析了降雨入渗作用下坡体的渗流场和稳定系数，验证了强度折减法的适用性
第 2 章 有限元基本方程及本构模型

2.1 有限元法的基本理论

有限元（Finite Element Method，简称 FEM），有时也被称为有限元分析（FiniteElement Analysis,简写 FEA），是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统。在这种方法中一个物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单、独立的点的组成的几何模型。在这种方法中这些独立的点的数量是有限的，因此被称为有限元。由实际的物理模型中推导出来的平衡方程式被使用到每个点上，由此产生了一个方程组。这个方程组可以用线性代数的方法来求解。有限元分析法（FEA）已应用的非常广泛，即使是很复杂的应力问题的数值解，用有限元分析的常规方法就能得到。在实践中，有限元分析法通常由三个主要步骤组成：（1）预处理：用户需要建立物体待分析部分的模型，在此模型中，该部分的几何形状被分割成若干个离散的子区域，称为“单元”。各单元在一些称为“结点”的离散点相互连接。这些结点中有的有固定的位移，而其余的有给定的载荷。（2）分析：把预处理模块准备好的数据输入到有限元程序中，从而构成用线性或非线性代数方程表示的系统，u 和 f 分别为各结点的位移和作用的外力。矩阵的形式取决于求解问题的类。（3）后处理：分析的早期，用户需仔细地研读程序运算后产生的大量数字，即型。程序运行结束后，对所求的解根据有关准则进行分析和评价。后处理使用户能简便提取信息，了解计算结果。

2.2 多相连续体力学基本方程

相是指系统中宏观上看来化学组成、物理性质和化学性质完全均匀的部分。同一相不一定连在一起，连在一起的并不一定是一相。土是由固体颗粒（固相）、土中水（液相）和土中气（气相）体三相组合。各相的性质、相对含量及相互作用是决定土体物理力学性质的主要因素。固相构成土的骨架部分。它按构成物质分为无机矿物颗粒、有机质和盐类结晶；液相是指土孔隙中存在的水，它按构成物分为结晶水、液态水、冰及水蒸气；气相指土中气体，分为与大气连通的自由气体以及与大气不连通的封闭气体两类。对于土体这样的混合介质，在受到外荷载作用下，各相中产生的应力存在相互约束的关系，各相的变形也存在相互约束关系。前者可采用有效应力原理描述，后者可采用变形连续方程来描述。

第 3 章 边坡失稳判据及主要影响因素分析............................................................. 13

3.1 二维均质土坡模型建立.................................................................................... 13

3.2 边坡失稳的判据................................................................................................ 13

3.3 失稳判据的比较................................................................................................ 15

3.4 边坡失稳影响因素分析.................................................................................... 16

第 4 章 强度折减法在工程实例中的应用................................................................. 20

4.1 项目概况........................................................................................................ 20

4.2 二维地质模型的构建及参数取值................................................................ 24

4.3 强度折减系数法下边坡稳定性分析............................................................ 24

4.4 降雨入渗作用下边坡稳定性分析 .............................................................. 26

第 5 章 强度折减法在三维模型中的应用................................................................. 36

5.1 边坡三维稳定分析的必要性........................................................................ 36

5.2 强度单折减法数值模拟分析.......................................................................... 36

5.3 强度双折减法数值模拟分析.......................................................................... 39

第 5 章 强度折减法在三维模型中的应用

5.1 边坡三维稳定分析的必要性

露天矿边坡又称露天矿边帮，是矿坡开采过程中面临的最直接的地质环境。随着我国对矿山资源的不断开发，而水土保持与环境保护措施的滞后甚至是不作为导致每年矿坡发生滑坡灾害现象越来越多，对人民生命财产带来了严重的威胁。过去的几十年里，学者对边坡的研究大多都简化成二维模型，二维边坡模型简单，理论较成熟，已经广泛的应用到实际工程领域[44]。诚然，二维边坡模型基本满足工程需要，具有一定实际意义和指导价值[45]。然而，矿坡工程是典型的三维问题。如图 5-1a) 图三峡库区某段边坡滑坡后全貌；图 b)为今年贵州西部六盘水市水城县滑坡现场图，都可以发现滑坡并不是简单的一个面问题，而是复杂的三维问题，呈现出立体几何的形状，滑坡形状不对称，不规则[46]。

第 6 章 结论与展望

以经典边坡为算例，研究了不同坡高，坡角，流动法则对边坡稳定性的影响，以及结合工程实例，首先建立二维模型，模拟边坡在不同工况下的稳定性及边坡破坏机理。最后建立三维有限元模型，对比二维和三维边坡在重力荷载条件下的安全系数，并探讨了不同地震加速度方向和值组合下边坡的安全系数，提出并对抗滑桩加固边坡进行数值模拟。本文可以得出以下结论：

（1）本文把强度折减理论用于有限元法中，成功解决了有限元在边坡稳定分析中的应用问题。有限元法不但满足力的平衡条件，而且还考虑了材料的应力应变关系，计算时不需做任何假定，使得计算结果更加合理，而且可以很直观的得到边坡体的实际滑移面。

（2） 岩土体可以采用 Mohr -coulomb 屈服准则，与极限平衡法相比，采用Mohr -coulomb 准则更符合实际，能更好的反应岩土体的应力应变状态。

（3）降雨强度的增加、降雨历时的增长，使得边坡的安全系数逐渐降低，边坡容易产生滑坡灾害。地震作用对边坡安全稳定影响最大，由于边坡存在与地震波传播方向垂直的竖向结构面，很容易产生受拉破坏。可以采用抗滑桩加固边坡提高边坡安全储备能力。

（4）强度折减法既适用于二维边坡也适用于三维模型，三维边坡计算得到的安全系数偏保守。采用非等比例折减法计算得到的安全系数更偏安全。

（5）水平向地震惯性力对边坡影响最大，竖直向下的地震惯性力对边坡稳定不利。竖直向上的地震惯性力对边坡稳定有利。

（6）抗滑桩加固边坡是一种桩土耦合作用，抗滑桩很好的限制了边坡岩土的流动，提高了边坡的安全储备能力。