谈滑坡勘察中几个常用参数及计算方法

赵海峰

(核工业广州工程勘察院，广东广州 510800)

1 滑坡勘察的特点

滑坡勘察不同于一般建筑的岩土工程勘察，其特点主要有以下几个方面:

1)重视地质环境条件的调查，并从条件中寻找滑坡的形成演化过程和主要作用因素;

2)充分认识滑坡的地质结构，从其结构出发研究其稳定性;

3)重视变形原因的分析，并与外界引发因素相联系，研究主要引发因素的作用特点与强度(灵敏度);

4)稳定性评价和防治工程设计参数具有不唯一性，常表现为较强的离散性，应根据滑坡的个体特点与作用因素综合确定，进行多状态的模拟计算;

5)目前尚未研究出具有普适性的稳定性计算方法，现有的方法都有较多的假定条件。

2 计算参数的确定

2.1 C，φ 的关系

滑动面抗剪强度表达式:

τ=σtgφ +C。

当滑带土处于饱水状态C=0:

τ=σtgφ。

从公式可以看出:

1)抗剪强度是随作用于滑动面上的法向应力的增大而增大;

2)内聚力为一常数;

3)内摩擦角为一变量。

滑体厚度的大小影响滑动面的抗剪强度。当滑体厚度增大时，内摩擦角的作用增大;当滑体厚度减小时，内聚力的作用增大。有关文献将滑体(上覆岩土体)厚度为4 m作为一个界线。

a.滑体厚度小于4 m时，其抗剪强度主要由内聚力控制;

b.滑体厚度大于4 m时，其抗剪强度主要由内摩擦角控制。

为方便计算，通过抗剪强度相等原则，采用一个定值的综合内摩擦角φo代替内摩擦角和内聚力。称似摩擦角或综合摩擦角。

GB 50330-2002，建筑边坡工程技术规范:

φo=arctg(tgφ +2c/rhcosθ)。

TB 10025-2006，铁路路基支挡结构设计规范:

φo=arctg(tgφ +2c/rh)。

注意:

1)当内聚力越大时，计算出的侧向岩土压力“失真”越严重;

2)当正应力增大，计算的侧向岩土压力偏小，则不安全;

3)当正应力减小，计算的侧向岩土压力偏大，偏于安全。

《建筑边坡工程技术规范》中规定:由于边坡岩土体的不均一性等，一般情况下，等效内摩擦角的计算边坡高度不宜超过15 m，不得超过25 m。

规范公式中存在的问题:

抗剪强度相等原则:

τ=σtgφ +C ×L，τ=σtgφo。

则:tgφo=tgφ +C ×L/σ。

其中，正应力σ=G×cosθ。

G=r×h×a/2。

a=cosθ× L。

G=r×h×L×cosθ/2

σ=r×h×L×cos2θ/2。

tgφo=tgφ +C/r× h ×cos2θ/2=tgφ +2C/rhcos2θ。

因0＜cosθ＜1，cosθ＞cos2θ。

规范推荐公式计算的φo小于推导公式计算的φo，有一安全储备。

2.2 试验法(室内试验、原位试验)

试验法最大的不足是由于滑带土的不均匀性导致试验结果离散性太大。尽管目前对取样部位及取样方法进行了规定，且试验尽可能模拟各部位滑坡的受力特征，但仍然难以达到满意的效果。

2.3 参数反演法

反演或称反分析是通过恢复已破坏斜坡的原始状态或滑动后滑坡状态，在分析其破坏机理的基础上，建立极限平衡方程，然后反求滑动面的C，φ值。

1)明确反映变形破坏机制;

2)计算步骤尽可能简化，抓住主要问题，提高适宜性;

3)易于校核;

4)不刻意追求新颖和复杂化。

在进行反演分析时应特别注意以下几点:

1)应尽可能地模拟滑坡蠕滑时的边界条件，尤其是地下水位，如果难以做到，则可取勘探时雨季最高地下水位;

2)选择分析剖面与主滑剖面一致;

3)用作反演分析的理论方法，应与设计用的稳定性及推力计算方法一致。

GB 50021-2001(2009年版)岩土工程勘察规范、JTJ 064-2011公路工程地质勘测规范、TB 10027-2001铁路工程不良地质勘察规程、DZ/T 0218-2006滑坡防治工程勘查规范等规范规程中对反演法均作了相应的规定。但在具体计算过程中需注意以下几个方面:

1)无论是采用恢复已破坏斜坡的原始状态或滑动后滑坡状态，首先必须明确滑坡的稳定状态，并取相应的稳定系数。各种规范规程中按滑坡的赋存活动状态(正在滑动、暂时稳定、稳定)给出了一个相应的区间值，但在取值过程中需考虑滑坡的危害程度，危害程度大取小值，危害程度小取大值。

2)除主滑剖面外需取与主滑剖面平行的不少于一条的计算剖面。

3)假定C值计算φ值或假定φ值计算C值，须注意两值的对应性，计算中相邻假定值不能过大。

在反演分析中，滑坡几何参数确定后，稳定性系数可根据滑坡稳定状态，给定一个值，那么公式中的变量只有C，φ。我们可以用两个或两个以上的剖面建立二元一次或高阶方程组，联立求解方程式可以较为精确地反算出滑带土的抗剪强度参数。

2.4 经验法(类比法)

各类规范、规程、手册都给出了较多的经验数据，在应用过程中要注意滑带土的相似性和不同性。

硬性结构面:主要由结构面的几何形态、胶结情况及充填厚度所决定。

1)结构面起伏较大且较粗糙，内摩擦角较大;

2)结构面如为钙质、铁质、硅质胶结，内聚力较大;

3)随着结构面充填物厚度的增大，结构面抗剪强度由充填物的抗剪强度来控制。

滑带土的抗剪强度还与土的矿物成分及粒径有关。如组成土的矿物成分中高岭土、伊利石、蒙脱石含量较高，则土的内聚力较大，粒径大，内聚力小。

《建筑边坡工程技术规范》《工程岩体分级标准》《工程地质手册》等都给出了一些经验公式和数据。其中《工程地质手册》中给出了抗剪强度指标与斜坡坡度之间的一个统计资料(见表1)。

表1 滑坡计算参数汇总表

滑坡计算参数，包括滑坡岩土和滑动面(滑带)的物理力学性质参数。在以上研究的基础上滑坡计算参数确定的基本思路如图1所示。

图1 滑坡计算参数确定的思路

3 稳定性系数

滑坡稳定性研究的主要任务是进行滑体稳定性计算，评价目前和稳定状态和可能的变形发展趋势，它是在确定了地质模型和物理破坏模式以后，给出合理的数学概化模型。

滑坡稳定性系数:是判断滑坡稳定程度的一个量化值。

滑坡稳定性的计算方法大致可分为三类:1)极限平衡法;2)数值法;3)概率法。

极限平衡分析法是一种定量方法，也是工程上使用最多、最成熟的方法，是目前国内有关规范、规程采用最多的一种计算方法。

极限平衡假设:当坡体的强度指标降低Fs倍后，坡体内存在一达到极限平衡状态的滑面，滑体处于临界状态。

条块刚性假设:对滑体进行剖分后，各条块为刚性块体，只发生整体运动而不产生条块内部的变形。

同样的力学破坏模式，同样的力学参数，采用不同的计算方法，稳定性系数计算结果可相差30%。

同种计算方法，同样的力学参数，同样的力学破坏模式，剖分方法的不同，计算结果相差很大。不同影响因素状态下差值也不同。其差值最大可达20%。坡面或滑面越陡，剖分方法的影响越大。

在以下位置应设置滑坡体条块垂直分界面:

1)滑动面倾角变化点;

2)滑动面物理力学参数变化点;

3)滑动面与地下水位线相交点;

4)地面线与河流或水体设计水位线的交点;

5)滑坡体重度突变位置;

6)滑坡推力零界位置。

规范、规程中采用的计算方法:

1)滑动面为单一的滑面或圆弧形:瑞典条分法或者毕肖普(Bishop)法。

瑞典条分法是将滑动面以上的土体分成n个垂直分条，对作用于各土条上的力进行力或力矩平衡分析。该方法是忽略土条之间和相互作用力的影响。

毕肖普法是假定滑动面是以o为圆心，R为半径的圆弧，从中任取一土条i为分离体，其分离体的作用力为:土条重引起的法向反力和切向力，并分别作用于底面中心处。根据静力平衡条件或极限平衡条件各土条力对圆心进行力矩平衡分析。忽略条间切向力。

2)滑动面为平面(岩质)滑动时采用平面极限平衡法。

3)滑动面为折线时采用传递系数法(不平衡推力)。

上述计算方法中，瑞典条分法偏于过分安全，毕肖普法和传递系数法误差较小。

4 传递系数法

4.1 传递系数法显示解公式

传递系数法是采用投影法建立的一个力的平衡方程。

《岩土工程勘察规范》《建筑边坡工程技术规范》《滑坡防治工程勘察规范》中采用的是显示解:

对存在地下水作用时，稳定性分析应考虑地下水的作用:

1)水下(浸润线)部分岩土体重度取浮重度;

2)第i计算条块岩土体所受的动水压力Pwi按下式计算:

分子:各条块抗滑力之和，分母:各条块下滑力之和。

a.公式是按逐块投影法进行推导，其数学逻辑是正确的。按公式可理解为:滑体各条块下滑力传递至最末条块之剩余下滑力和最末条块下滑力之和与滑体各条块抗滑力传递至最末条块之剩余抗滑力和最末条块抗滑力之和的绝对值之比。但忽略了各条块之下滑力和抗滑力在传递过程中的相互作用关系。

在某一平行于条块分界面的竖直分界面位置，若满足条件:剩余下滑力不大于0、靠滑坡前缘一侧条块下滑力大于0，则该竖直分界面靠滑坡后缘一侧各条块的下滑力和抗滑力均不再向下传递。

b.动水压力对滑体的稳定性是不利的。在动水压力计算公式中，当第i计算条块底面倾角为负值(向下)且绝对值大于第i计算条块地下水位面倾角时，所产生的动水压力方向指向上为一抗滑力，这违背了动水压力性质。

4.2 传递系数法隐式解

隐式解中是对滑体下滑力进行折减，经多交迭代使滑体末条块剩余下滑力等于零时的系数(Fs)即为滑坡稳定性系数。

4.3 传递系数法显式解和隐式解的关系

1)当稳定性系数小于1.0时，稳定性系数的显式解小于隐式解;2)当稳定性系数等于1.0时，稳定性系数的显式解等于隐式解;3)当稳定性系数大于1.0时，稳定性系数的显式解大于隐式解。

5 作用于滑坡体上的荷载

1)滑坡体自重;

2)滑坡体上的地面荷载:建(构)筑物产生的附加荷载，汽车、行人等产生的动荷载;

3)地下水产生的荷载:静水压力、动水压力等;

4)地震荷载;

5)江(河、库)水位变化产生的荷载。

荷载组合是根据滑体变形过程中作用于滑体上的荷载按最不利条件进行组合。各类规范、规程中有不同的组合方法:

建设行业:可分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载。分别进行荷载组合，相应的荷载选取不同的荷载分项系数。

地质、公路、铁路、水利行业:根据滑坡变形过程及其发展趋势进行荷载组合(工况)。

在稳定性计算中一定要分析滑坡的运动特征和动力特征，在影响因素分析中要分别进行诱发因素和激发因素进行分析。

6 结语

由于滑坡工程的复杂性与特殊性，因此，在滑坡勘察设计时，应根据工程实际情况，采用合适的勘察手段和试验方法，选取合理的计算参数和计算公式，力求以最简单的方法去解决最复杂的问题，以较少的工作量和较低的投资，获得最佳的勘察设计成果。

[1] GB 50021-2001，岩土工程勘察规范[S].

[2] TB 10025-2006，铁路路基支挡结构设计规范[S].

[3] GB 50330-2002，建筑边坡工程规范[S].

[4] DZ T0218-2006，滑坡防治工程勘查规范[S].

[5] 常士骠，张苏民.工程地质手册[M].第4版.北京:中国建筑工业出版社，2006.