基于滑动机理分析的滑带强度参数反演_聂林

STRENGTH PARAMETER INVERSION FOR SLIDING ZONE FROM SLIDING MECHANISM ANALYSIS
NIE Lin ①③ YANG Tao ① MA Huimin ② ZHOU Depei ①
（ ①Geotechnical Engineering Department of Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031 ） （ ②Northwest Institute of China Railway Co． Lanzhou 730000 ） （ ③Chengdu City Construction Investment Management Group Co． ，Ltd． ，Chengdu 610041 ）
1
引
言
2
滑坡空间滑动机理分析
滑坡研究离不开滑动机理分析。滑坡的滑动机 理， 一般指滑坡的发生发展过程， 本文指滑坡不同部 位的稳定程度。滑动机理的重要研究内容是对滑动 模式的判断。从平面分析的角度可将滑动模式分为
［1 ］ 3 类： 牵引式、 推动式和混合式 ， 这已为滑坡研究 者们所熟悉。目前滑动机理的研究方法一般采用定
滑动机理研究的主要目的是判断出滑坡目前所处的 稳定性状态， 并确定出对应的稳定性系数， 为滑带抗 剪强Байду номын сангаас参数反算提供目标 的定量应用。
［4 ， 5 ］
设滑带薄层 8 节点六面体单元 （ 图 1 ） ， 节点编 号为 1 ～ 8 ， 根据节点确定出单元短边中点的编号为 p1，4 、p2，7 、p3，6 、p5，8 。 其中中点 p1，4 p2，7 p3，6 p5，8 构 该截面能代表该点 成了六面体的最大面积中截面， 的滑面。设滑面法向量为 n， 面积为 S E 。 设滑带单 元 8 个节点的平均位移为滑带单元中心的位移 ， 单 Coulomb 强度准 元中心位移矢量为 v。 采用 Mohr则作为单元应力的屈服准则。可以求得单元中心位 移矢量 v 在中截面 p1，4 p2，7 p3，6 p5，8 上的投影 s， 并设 s 为滑面在该点的滑动方向， 即： s = （ n × v） × n （ 1）
［11 ］
{}
p nx p ny p nz
：
σx = τ xy τ xz
τ yx σy τ yz
τ zx l τ zy m σz n
{}
（ 2）
20 （ 1 ）
聂
林等： 基于滑动机理分析的滑带强度参数反演
17 τ u c + σ n tan = （ 7） τ τ τ 为滑动方向剪应力， 由式（ 5 ） 代入式（ 3 ） 求得。 滑坡的整体稳定性系数定义为： Fp =
， 这是滑动机理成果
为了合理确定滑面黏聚力和内摩擦角， 除了采 用室内试验和工程类比等方法外， 反演分析也是不 可或缺的重要手段
［5 ～ 9 ］
。 在反演分析中， 首先需要
将滑坡的稳定性状态与稳定性系数对应起来 。不同 ［10 ］ 的研究者建立了不同的对应关系， 如徐汉斌 将滑 整体变形和稳定固结 3 种发展 坡划分为局部变形、 ， 1. 00 阶段 对应的稳定性系数分别取 1. 05 ～ 1. 00 、 ～ 0. 90 和大于 1. 05 ， 这种划分带有一定的主观随意 性。反演的方法可分为单参数反演和双参数反演 2 2 种方法的反算目标均是反演参数下的滑坡稳 种， 定性系数与滑坡当前稳定性系数一致， 不同的研究 者往往会得到不同的结果。 可见，就滑坡滑动机理与滑面抗剪强度参数研 究而言，至少有 3 点需要开展进一步的研究： 一是 建立滑坡滑动机理的量化评价指标 ，二是建立滑坡 宏观变形迹象与稳定性状态关系的客观标准 ，三是 尽量避免反演参数选择中的人为影响 。本文在三维 数值计算成果的基础上，定义滑带单元的点安全系 数，分析点安全系数的分布特征判断滑坡的滑动机 理，通过反演分析，以计算滑动机理与实际滑坡变 形迹象一致的参数作为最终的滑坡参数 。可为滑坡 滑动机 理 与 滑 坡 参 数 的 关 系 研 究 提 供 一 种 新 的 思路。
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Journal of Engineering Geology
工程地质学报 2012
be satisfied simultaneously． So the corresponding strength parameter is a reasonable inversion result． This paper uses the example of the large scale geomechanics model test for K49 landslide in Wanliang highway to illustrate the method and procedure for strength parameter inversion of sliding zone based on sliding mechanism analysis． The rationality of this method is shown by the applications． Key words Landslide， Sliding mechanism， Point safety factor， Parameter inversion
（ ③成都城建投资管理集团有限责任公司 ， 成都 610041 ） 摘 要 滑动机理分析一般采用定性的方法加以描述 ， 尚缺乏合理的量化指标进行刻画 。 反演分析是确定滑带强度参数的
一般采用基于整体稳定性系数的刚体极限平衡方法 ， 但这种反演方法无法建立滑动机理与强度参数间的直接联 重要手段， Coulomb 强度准则定义滑带点安全系数为该点抗 系。本文采用数值计算方法获得滑带单元的应力场和滑动方向 ， 基于 Mohr剪强度与滑动方向剪应力的比值 。通过点安全系数的分布判断滑坡的滑动机理 ， 使滑动机理研究定量化 ， 并以点安全系数对 滑面面积的加权平均值作为滑坡的整体稳定性系数 ， 建立起滑动机理与整体稳定性系数的联系 。 在滑带参数反演分析中 ， 需 要同时满足滑动机理和整体稳定性系数要求 ， 相应的强度参数才是合理的结果 。 以万梁高速公路 K49 滑坡的室内大型地质 介绍了基于滑动机理分析的滑坡强度参数反演方法和步骤 ， 论证了方法的合理性。 力学试验模型为例， 关键词 滑坡 滑动机理 点安全系数 参数反演 中图分类号：TU43 文献标识码：A
* 收稿日期： 2011－06－30 ； 收到修改稿日期： 2011－11－27． 基金项目：国家自然科学基金项目 （ 50808149 ） ， 中央高校基本科研业务费专项资金（ SWJTU09CX007 ） 和西南交通大学竢实之星资助． 第一作者简介：聂林， 工程地质专业． Email： yangtao@ swjtu． cn
图1 Fig． 1
滑带单位节点编号
Node number of the slip zone
如图 2 所示， 已知一点 A 应力状态的 6 个应力 分量 σ x 、 σy 、 σz 、 τ xy 、 τ yz 、 τ zx 。 通过该点任意斜截面 p ny 、 p nz 为 上的应力分量 p nx 、
建立滑坡分析的三维数值计算模型 ， 将滑体、 滑 带和滑床划分为 3 种不同的材料， 其中滑带离散为 8 节点薄层六面体单元， 采用合适的计算方法能够 。 得到坡体的应力场 在此基础上， 进行应力分析定 义点安全系数。 2. 1 应力分析
性描述
［2 ， 3 ］
， 尚缺乏合理的 量 化 指 标 来 进 行 刻 画。
Abstract
The mechanism research at present mainly pauses in the qualitative description． The quantitative index
is lack in the description of sliding mechanism． Inversion analysis is an important means to determine the strength parameter of sliding zone． Rigid body limit equilibrium method and a global safety factor are used in this paper． So， strength parameter has no direct relation with the sliding mechanism． Threedimensional stress state and slide direction of the slip layer zone are obtained by numerical computation． Base on the MohrCoulomb Strength Criterion， a point safety factor as the ratio of the shear strength of the slip zone to the shear stress parallel to the gliding direction is defined． The safety factor of the landslide as the weighted average value of the zone point safety factor with its zone is defined． The sliding mechanism is studied quantitatively by means of analyzing the distribution of the zone point safety factor． Landslide stability can be evaluated through the safety factor． So a relationship between the sliding mechanism and stability factor is established． In the inversion analysis， the sliding mechanism and stability can
ne
l = cosα，m = cos β，n = cosγ； α、β、γ 为斜截 其中， 面外法线与坐标轴正向的夹角。
F3d =
F ip ·S iE ∑ i=1
ne
（ 8）
S ∑ i=1
i E
ne 为滑带单元总数； F ip 为单元 i 的点安全系 式中，
i 数； S E 为单元 i 所代表的滑带面积。
2. 3
分析步骤 为计算滑带单元的真实应力状态和单元滑动方
图2 Fig． 2
空间点的应力状态 Stress state of space point
向， 可分 3 个步骤： 步骤一： 滑坡体材料均采用弹性本构模型 ， 计算 初始应力场； Coulomb 本构模型， 步骤二： 滑带采用 Mohr滑 体和滑床 选 用 相 应 本 构 模 型， 计算坡体真实应力 状态； 步骤三： 分析步骤一和步骤二， 得到滑带单元节 点步骤二与步骤一的位移差值。 经过上述三步， 即可据此计算滑带单元的点安 全系数和滑坡的整体稳定性系数 。滑带单元应力状 因此不同滑带单元的点 态和滑动方向一般均不同， 安全系数一般也不一致， 可以根据点安全系数的分 布判断滑坡不同部位的稳定程度 ， 分析其滑动机理。 点安全系数小于或者接近 1. 0 的部位是滑坡中首先 失稳的部位， 而远大于 1. 0 的部位是抗滑部位。
Journal of Engineering Geology
工程地质学报
1004－9665 /2012 /20 （ 1 ） -0015-06
基于滑动机理分析的滑带强度参数反演
聂 林 ①③ 杨 涛① 马惠民 ② 周德培 ①
*
（ ①西南交通大学岩土工程系 （ ②中铁西北科学研究院
成都 610031 ）
兰州 730000 ）