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0 引言
滑坡失稳灾害对道路工程建设和正常运营都会造成重大经济损失，长期以来受到科技工作者和工程师的重视，并发展出多种分析和评价滑坡稳定性的方法，如楔体法、Fellcnius法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern和Price法、Spencer法以及对数螺旋法等，这些方法目前仍然是工程计算中解决实际问题的基本方法。但由于这些方法没有考虑岩体应力 一应变特性，因此，滑坡岩土体失稳时，不能求解其内部各处应力和变形的分布规律。
应用有限元法可以计算滑坡体内部应力，并直接求解滑动面上的法向应力和切向应力，进一步计算边坡稳定系数，因此，其求解的滑坡稳定系数比极限平衡法更为精确合理。
本文以湖北省宜昌至恩施高速公路K177+000-K178+400段滑坡为实例采用有限元分析软件 COSMOS/M进行分析计算，建立一套切合工程实际的滑坡稳定性有限元分析方法。
1力学分析模型
1.1 岩土体材料的拉裂破坏分析
土体材料抗拉强度很低，当拉应力超过其抗拉强度时，将发生拉裂破坏。垂直裂纹方向不能再承受拉应力。而当裂纹闭合后，虽然不能承受拉应力，但可以承受压应力，因此，土体拉裂破坏计算分析是一种强非线性问题。为了进行有限元分析，对拉裂破坏作如下假定:(1) 拉裂裂纹发生在最大拉伸主应力的垂直力.向; (2)拉裂后，将使该方向的应力变为零; (3)裂纹闭合后，该方向仍能承受压应力，但不能承受拉应力。
1.2 岩土体滑动面的接触摩擦模型
滑坡体滑动面的约束处理采用硬弹簧和软弹簧以描述接触摩擦模型，按受力性质滑动面可分成固定型、滑动型和张开型3种，滑动面的约束处理具有很强的非线性特性，需要迭代运算闭。初始计算时，滑动面的切向和法向均采用硬弹簧约束，第一次计算结束后，摩擦力 (切向力)达到最大值的切向弹簧用软弹簧代替，其余切向弹簧用次软弹簧代替，并检验滑动面单元属于上述3种情况中的哪一种。
首先检验切向弹簧力是否满足Mohr-Coulomb破坏准则，即
若土体平衡时滑动面单元 (节点)的切向力 Fr大于可能产生的最大切向力Frmax，则属于滑动型，否则属于固定型;若法向弹簧力为拉力，则属于张开型。
其次，开始进行迭代计算时，对于固定型，沿切向弹簧方向施加有限元计算得到的切向力;对于滑动型，则沿切向弹簧方向施加最大切向力Frmax，剩余力在迭代运算时逐步释放并由其他弹簧承担，直至达到最后的平衡状态;对于张开型，其法向采用软弹簧代替，令法向弹簧刚度为零，施加的切向力考虑为零或者有一定的切向凝聚力。
上述过程通过二次开发程序自动完成，实际土体滑坡往往属于滑动型的接触摩擦模型。
2 有限元分析模型
2.1 滑坡体的离散数值化及有限元计算模型建立
离散数值化就是以滑体主滑动方向为x轴，以垂直于滑动方向为 Y轴建立一套相对坐标系，将滑坡区域平面地形图划分成给定间跟的平面网格。从平面地形网格图上取出平行于 X轴的铅垂剖面，剖面上各网格点平面坐标和地面高程已知，地面高程和滑动面高程之差就为滑体厚度。划分网格时将现有的地质钻孔点置于坐标网格点上，由地质勘探资料确定各钻孔处的滑动面高程，通过 X方向和Y方向线形内插方法确定其他各网格点的滑动面高程。
为了进行滑坡应力应变和稳定性分析，需要建立平行于主滑动带方向的二维剖面有限元分析模型。为了减小建模工作量，通过编制的二次开发程序，将滑坡体数值离散化的地面高程、滑动面高程、网格点坐标等数据写人COSMOS/M建模命令流文件，从而实现自动建模。每个断面的命令流首先以计算剖面上各地面网格点和对应的滑动面网格点形成一封闭曲线后生成一平面，按照给定的单元边长对该平面自动划分三角形单元。
2.2 滑体边界条件处理
滑坡体有限元分析涉及到滑坡体和滑床之间的滑动接触问题，接触面上各节点的位移不连续，有限元分析中难以模拟滑动摩擦情况，为此，对每个剖面进行有限元分析时，通过二次开发程序在滑动面每个节点上施加切向和法向2个弹簧单元，切向弹簧应力模拟该点剪应力，法向弹簧应力模拟该点正应力。弹簧单元一端与节点相连，另一端位移和转动自由度全部施加约束，通过弹簧单元的位移大小可较好地模拟滑坡体和滑床之间相对滑动趋势。
3 滑坡稳定安全系数计算分析原理
众所周知，各种土坡稳定性分析均建立在极限平衡概念的基础上。首先假定一个任意复杂的曲面形式破坏面，在极限平衡状态下，稳定系数为抗滑力与滑动力的比值，即
斜率大的破坏面上，有限元计算得到的节点(单元)切向力要比可能产生的最大切向力(cli+Fni tanφ)要大，与实际不符，需将所有的切向弹簧用软弹簧代替并加上相应的切向力。对于没有达到最大切向力的弹簧，施加有限元计算得到切向弹簧力;对于大于最大切向力的弹簧，则施加最大切向力，重新进行有限元分析和迭代运算。大于最大切向力的弹簧力逐步释放，剩余力由其他弹簧承担，直至达到收敛的平衡状态，最终计算稳定系数。
4 算例分析
沪蓉国道湖北省宜昌至恩施高速公路高坪一吉心段存在4个潜在滑坡，并且施工便道开挖改变了滑坡体原有的自然平衡状态，对工程施工与安全运营存在着安全与质量隐患，本文利用COSMOS/M有限元分析程序对该段最大的4#滑坡体进行了稳定性分析。
4.1 滑坡体概况
该区域出露的地层主要为三叠系中统巴东组中段，岩性为紫红色泥质粉砂岩、泥岩，为滑坡区主要分布地层。研究区内地下水主要为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。
4#滑坡位于K177+900-K178+000段，滑坡后缘为粉砂质泥岩和粉砂岩出露的陡坡，前缘为坡度较大的斜坡陡坎，后缘高程705一765m，前缘高程650-655m。主滑动方向220°，平均宽度 140m，纵长 170 m，平均厚22m。钻孔控制范围内滑坡滑移带埋深17.05-30.30m，滑带土以粘性土夹少许碎石为主，遇水后强度降低幅度大，滑带土厚度0.10-0.30m。
4.2 滑坡体有限元模型的计算剖面和计算参数
对滑坡体按照 X、Y方向以5m间距进行网格划分后，确定各网格点的平面相对坐标，选取滑坡体主滑动面及其左右两侧共 6个控制滑动面作为计算剖面，取计算剖面厚度不为0的有效区域进行有限元网格划分。有限元分析计算参数和滑动面如表1所示。
4.3 有限元计算结果分析
4.3.1 滑坡体应力计算结果分析
每个计算剖面的表面拉应力区和关键点拉应力值如表2所示，表2中所给出的拉应力区是指从起点到终点连续出现拉应力的区域。
滑坡体的应力计算可通过滑坡土体容重变化模拟天然状态和饱水状态。由于两种状态下土体容重相差不大且仅考虑材料的线弹性特性，因此，滑体内部应力在两种状态下也相差不大。从各滑坡体拉应力计算结果来看，各滑坡体关键剖面的表面不同高程处均会出现连续拉应力区或者局部拉应力点，正是由于滑体表面存在这些连续拉应力区才会使得滑坡体出现拉应力裂缝，最终导致滑体产生滑动。
滑坡体的拉应力区基本上分布在滑坡体的中后缘部位，表面最大拉应力出现在滑体的后缘，最大拉应力处是滑体在自重作用下最容易出现拉裂缝的地方。若遇降水，滑坡土体处于一定程度的饱水状态，除土体自重增加以外，土体的抗剪强度也要下降，滑坡体的稳定性降低，上述拉应力区的任何部位都有出现拉裂缝的可能性。因此，在进行滑坡治理时应对各滑坡体出现拉应力的区域给予重视。
4.3.2 滑坡体稳定安全系数计算分析
根据有限元计算结果可以得到各个计算剖面的滑动面上受力情况，表3给出了主滑动面在不同工况下的具体受力计算结果。
根据选择的各计算剖面上抗滑力和下滑力大小可以采用式(3)计算滑坡体各计算剖面的稳定安全系数，式 (3) 中的Li、Fni和Fri二由有限元计算程序计算直接得到，各计算剖面的稳定安全系数计算结果如表4所示。同时为了验证计算结果的合理性，对主滑动面稳定安全系数还进行了推力系数法计算，计算结果也列于表4。
从上述计算结果可以看到，4＃滑坡体主滑动面平均倾角为32.06，滑床地势较陡，表4中列出的计算剖面稳定系数均较小，该滑体是一个不稳定体，饱水状态下稳定安全储备更小。5个剖面的拉应力区分布较大，从人工陡坎向上到滑体后缘都是拉应力区，各个滑动剖面的最大拉应力较大且都处于滑体的最后缘，因此该滑体有两种滑动的可能:一是整个滑坡体在滑体后缘形成拉裂缝整体下滑;二是人工陡坎以上坡体首先以陡坎为剪出口产生滑动，滑动后的堆积体堆积在施工便道以下的滑体上使其自重增加，从而可能产生推移式滑动。
该滑坡体主滑动面稳定安全系数的有限元法计算结果和推力系数法计算结果比较接近，表明将有限元法应用于滑坡稳定性分析中是可行有效的。同时，本文所建立的滑坡稳定性分析有限元方法中考虑了滑动面上应力释放与应力重分配的迭代计算，使得有限元方法计算的主滑动面稳定安全系数小于推力系数法计算结果，表明本文的有限元方法计算结果更接近滑坡体实际受力状态，滑坡体稳定安全系数更符合实际情况。
5 结论
通过滑坡稳定性有限元分析可以得到如下结论:
(1)二次开发程序可以大大减小滑坡稳定性分析有限元法建模工作量。
(2)有限元分析方法能够有效地进行滑坡稳定性分析，可以计算滑坡体内部应力，并直接求解滑动面上的法向应力和切向应力。
(3)采用硬弹簧和软弹簧描述滑动面接触摩擦模型能够有效模拟滑坡体滑动过程。
(4)考虑滑动面上出现裂纹后应力释放与应力重分配的迭代计算，使得有限元方法计算的稳定安全系数更接近滑坡体实际受力状态，滑坡体稳定安全系数更符合实际情况。
(5)通过有限元计算能够得到滑坡体内部拉应力区分布范围，有效指导滑坡治理。
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