高含水浅层滑坡滑带土力学强度参数反分析

易平

（中国瑞林工程技术有限公司,江西南昌 330031）

高含水浅层滑坡滑带土力学强度参数反分析

易平

（中国瑞林工程技术有限公司,江西南昌 330031）

从滑坡滑带土力学强度参数反分析的基本理论入手,利用折线型滑坡工程实践中应用最为广泛的传递系数法,依据滑坡变形特征确定稳定性评估指标,结合赣州石上高含水浅层滑坡工程实例建立了反分析计算模型。通过联立两个反分析计算剖面,采用插值法和图解法联合求解了高含水浅层滑坡滑带土强度参数c、φ值,其计算结果基本能够满足滑坡稳定性分析和滑坡工程防治设计的要求。

浅层滑坡；传递系数法；抗剪强度；参数反分析；滑坡治理

0 前言

在滑坡治理工程设计中,滑带抗剪强度对滑坡稳定性分析与评价具有决定性的作用。确定滑带抗剪强度的主要方法有试验测定法、反分析法和工程类比法。在滑坡推力计算时,常常出现滑带力学强度参数即使细微变化,稳定性分析得到的结论可能会截然相反的现象。因而,滑带土力学强度参数的选择对滑坡治理方案选定起着非常重要的作用。同时也由于滑带土介质成因、成分及结构的多样性,滑动过程及滑坡体本身也复杂多变,岩土试验取样具有较大的随机性。且受取样条件、野外或室内试验条件的限制,单纯依靠试验还无法满足精确评价滑坡稳定性和进行治理工程设计的要求,也很难给出与实际情况吻合的力学强度指标。利用已有的滑坡状态进行反分析是获取符合滑坡实际情况的滑动面抗剪强度指标的一种有效途径。

1 反分析计算的基本理论

滑坡滑带土力学参数反分析是通过对同一地质条件下类型相近的滑坡或在同一滑坡内类似条件下的多个断面分析,认为两者的c、φ值接近,再通过将两个滑坡断面的平衡方程联立求解,得到相应的c、φ值。应用多断面联立方程反算滑带土的抗剪强度指标的基本条件是断面相似,包括滑带土的物质组成和含水状态相似、运动状态和过程相似、滑坡的发育过程相似等。在满足这些前提的条件下,所得出的c、φ值才有意义,否则会得出错误的结果[1]。

可用作反算滑带土抗剪强度指标的极限平衡方程有多种,工程上主要包括Bishop法、Janbu法、传递系数法等,其中应用最为广泛的方法为传递系数法,但无论采用哪一种方法,都存在对方程式中c、φ值如何选取的问题。传递系数法是假定滑体为整体滑动,各条块的滑坡推力的作用方向平行于上一条块的滑面,作用点为条块间分界面中点。依据文献[2]与文献[3],其稳定性计算的物理表达为各条块的阻滑力和下滑力通过滑面转向作用传递到最后条块上的力之和的比值,计算公式如下所示：式中：Fs为滑体稳定性系数；ψi为传递系数；Ri为第i计算条块滑体抗滑力,kN/m；Ti为第i计算条块滑体下滑力,kN/m；Ni为第i计算条块滑体在滑动面法线上的反力,kN/m；ci为第i计算条块滑动面上岩土体的粘结强度标准值,kPa；φi为第i计算条块滑带土的内摩擦角标准值,°；li为第i计算条块滑动面长度,m；αi为第i计算条块地下水流线平均倾角,反倾时取负值；Wi为第i计算条块自重与建筑等地面荷载之和, kN/m；θi为第i计算条块底面倾角,°,反倾时取负值；Pwi为第i计算条块单位宽度的渗透压力,作用方向倾角为αi,kN/m。

通过数学变换可得：

上式中含有两个未知数c、φ值,但当在同一滑坡体中找出两个或多个极限平衡状态的断面,可以建立两个或多个的极限平衡方程,利用这些方程联立求解可以解出未知数c、φ。滑坡反分析的本质就是通过反算剖面建立两个或多个极限平衡方程并求解二元方程。当反分析剖面恰好为两个时,所确定的滑带土力学强度参数是唯一的。当反分析剖面多于两个时,得出的强度参数差异较小情况下的结果较为可信；若差异较大时,应在再次校核滑坡的反分析状态后重新进行反分析验算,直至得到合理的滑带土力学强度参数。

2 滑体稳定性评价与反分析剖面的确定

2.1 高含水浅层滑坡的特点

高含水浅层滑坡系指由强降雨引起坡体中的含水量大增,导致土体的抗剪强度降低,在人工切坡、堆载或地震等因素作用下,沿一定的软弱带失稳破坏而形成的滑坡。其主要滑坡的特点有：坡体含水量高,滑坡面积较大、厚度小、稳定性差,开挖或填方均可引起滑坡,在持续大雨或暴雨作用下易产生失稳变形。

2.2 滑坡反分析状态

合理确定滑体反分析剖面的稳定状态是滑坡反分析的前提条件之一,反分析剖面的稳定状态主要依据现场勘查和测绘成果来综合决定。通常将滑坡稳定的临界状态定为滑坡反分析的状态。临界状态是指在特定工况下滑坡的即时状态,判别因素主要包括坡面形态、地下水位、滑带形态和外荷载等。

2.3 滑坡反分析条件

1)地下水。地下水的作用力主要包括动水压力、静水压力和浮托力。通常情况下,强降雨是诱发浅层滑坡体失稳的最关键因素[4]。地下水的存在会抬高滑坡体内的地下水位,对岩体产生一定的水压力,水的存在和作用使岩体有效正压力减小、抗滑力下降,滑体整体稳定性大幅下降。因此反分析宜采用滑坡出现滑动迹象的最高水位作为反分析的控制性地下水位。

2)滑坡体几何边界。滑体几何边界包括地表几何形态与滑带几何形态。地表几何形态可由现场踏勘调查和地形测量确定,滑带是依据现场勘查钻孔和深部位移监测结果综合确定。根据现场勘查资料,可以选择两个或多个主滑方向的剖面作为反分析计算剖面。

2.4 滑坡稳定性评价指标

反分析稳定性评价指标主要为滑坡处于特定状态时的稳定系数Fs(表1)。反分析中,滑坡稳定系数Fs的取值与滑坡发育状态紧密相关。

3 工程实例

3.1 工程概况

石上浅层滑坡位于赣州市宁都县境内。该滑坡体滑动范围东西长约30 m,南北长约90 m,后缘壁长度约为150 m,滑坡总面积3 130 m2,滑体总体积约为12 500 m3,主要沿坡残积土和全风化层的接触面滑动,滑动方向为255°,滑坡性质为牵引式滑坡。滑体平面形态呈弓形,滑坡体前缘因人工开挖而临空,滑坡体后部地势险峻,是早些年小采石场采矿形成,高度超过10 m,坡角75°～85°,现已废弃。根据工程地质测绘和钻探揭露,滑体组成物主要为残坡积粉质粘土,上部还有填土和耕植土,滑体厚度约3.50~4.50 m,最大厚度达4.80 m,其中滑体中部厚,上、下薄。滑带土主要为和全风化岩接触的软弱坡残积粉质粘土,厚度为20~50 cm,黄褐色,在滑体下滑过程中受持续性挤压、研磨,造成滑体孔隙连通性较好、渗透性较强,性状极差,近似淤泥质土。滑床主要由全风化砂砾岩、强风化石砂砾岩组成,整体形态上陡下缓,稳定性较好。

表1 滑坡不同发育阶段稳定评估系数[5]

滑坡区地处中亚热带湿润气候区,雨量充沛,年平均降雨量为485.8 mm,年最大降雨量为1 350 mm,日最大降雨量为216.3 mm,尤以5~6月为甚,降雨量超过500 mm,且降雨具有连续集中、强度大、突发性强等特点。该区属低山丘陵区,其后缘汇水面积较大,地下水位较高,埋深随大气降水变化较敏感,水位随季节变化1~3 m。滑坡点所在斜坡底部发现多处地下水出露点,为了准确得出滑带土在高含水作用下的土力学强度参数,需要对滑坡的稳定性进行反分析计算。

3.2 反分析状态

滑坡区自2000年开始,坡脚开始出现裂缝,2002年产生轻微滑动,随着时间的推移,滑动范围不断向上方及南北两侧扩展,滑体规模扩大。2012年夏季,由于持续性强降雨,加之滑体含水层渗透性较强,使大气降水和松散层孔隙水不断沿滑体孔隙下渗补给,并向地势低洼处排泄,导致滑体含水量剧增,呈高含水状态。原已形成的浅层滑坡体加剧下滑,滑坡区后缘及前缘变形较强烈,表现形式为表面出现5条宽度较大的拉裂缝、表面隆起等,另外有部分滑塌物将坡脚中部一间民房冲毁,另有两间民房严重变形等。裂缝近弧形展布,总体走向近似南北,部分裂缝延伸长度约60 m,中部多、两侧少,中部可见最大宽度约30 cm,可见最大深度约0.6 m,裂缝中充填物多为滑塌的坡残积土。滑坡后缘壁高约1.50～2.00 m,总体走向与裂缝近似平行。滑坡变形加剧主要由降雨引起,该滑坡在本次强降雨期间处于滑移变形状态,选择此次持续性强降雨期间滑坡所处状态为反分析状态具有典型意义。

图1 石上浅层滑坡主滑剖面（Ⅱ-Ⅱ′剖面）

3.3 反分析计算及成果

滑坡区中部主滑剖面（剖面Ⅱ-Ⅱ′）位于滑坡体上推力最大、滑坡床凹槽最深的纵断面上,是滑坡体最厚的部分,变形强烈,滑坡体表面出现较明显臌丘与挤压变形破坏,整个滑体出现明显滑移迹象,南北两端（剖面Ⅰ-Ⅰ′与剖面Ⅲ-Ⅲ′）变形稍弱,局部坡面变形开裂,陡坎处出现局部滑动和坍塌,反分析选择变形稍弱的Ⅰ-Ⅰ′剖面和Ⅲ-Ⅲ′剖面,根据勘查报告提供的地下水位和滑坡几何特征进行反分析计算,可以将反分析稳定性评价指标Fs取0.95~1.00之间的中间值,即Fs=0.975,计算结果见表2和表3。

表2 Ⅰ-Ⅰ′剖面滑带土c、φ值反分析

根据表2和表3,按线性插值法得出一系列当Fs=0.975时不同的c、φ值组合,并绘制c、φ及稳定系数分析直线,如图2所示,可以得到石上滑坡体反分析计算结果为c=5.34 kPa、φ=6.34°。

将剖面Ⅰ-Ⅰ′与剖面Ⅲ-Ⅲ′反分析计算成果代入滑坡的剖面Ⅱ-Ⅱ′中,其稳定性数为Fs=0.931＜0.950,其稳定系数小于反算区域的稳定系数,稳定性较差,与滑坡体表面出现较明显臌丘与挤压变形破坏,整个滑体出现明显滑移迹象的实际变形特征相吻合。该滑坡滑带土在饱和状态下的室内试验强度参数为c=5.69 kPa、φ=7.05°,通过对比分析,反分析成果与土工试验值较接近,其精度基本能够满足滑坡稳定性分析和工程治理设计要求。

4 结论与建议

通过对滑体滑带土强度参数反分析原理的探讨,并展开反分析状态和反分析条件的研究,结合石上高含水浅层滑坡工程实例分析可以得出如下结论：

1)滑坡滑带土强度参数c、φ值的确定对滑坡稳定性分析和工程治理设计影响较大,通过结合滑坡现状进行滑坡滑带土c、φ值的反分析具有重要的实用价值。

2)较多情况下,持续大雨或暴雨是诱发浅层滑坡体失稳的最关键因素,反分析宜采用滑坡出现滑动现象的最高水位作为反分析的控制性地下水位。

3)反分析计算需选择同一地质条件下类型相近的滑坡或在同一滑坡内类似条件下的多个断面,认为多个断面之间的c、φ值接近,通过将其中的两个及多个滑坡断面的平衡方程联立求解,得到相应的值。

4)滑坡的稳定性评价指标依据滑坡状态确定,通过工程实例分析表明了反分析计算结果与现场的工程地质勘查资料基本吻合,充分显示了反分析计算在此类滑坡稳定性分析中的优势和推广价c、φ值。

5)应用反算法所求出的c、φ值只能代表反算段滑面上的平均指标。对于大多数浅层滑坡,由于滑面各段的性质存在差异,从上到下采用同一组c、φ值将带来一定的误差,为使滑带土c、φ值更符合实际,滑坡滑带土强度参数建议应结合反分析计算、土工试验和现场剪切试验成果综合确定。

[1]门玉明,王勇智,郝建斌,李寻昌.地质灾害治理工程设计[M].北京:冶金工业出版社,2011.

[2]GB50021-2001(2009年版)，岩土工程勘察规范[S].

[3]易朋莹,王凯,任佳,等.基于传递系数法的滑坡滑带土强度参数反分析研究[J].中国地质灾害与防治学报,2008(12):23-26.

[4]许建聪,尚岳全,杨建锋,等.强降雨作用下的浅层滑坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2005(9):3246-3251.

[5]张新敏,蒋中明,刘建辉.公路滑坡滑带c、φ值反分析方法[J].中外公路,2005(10):24-26.

Anti-analysis on Mechanical Strength Parameter of High Water
Content Superficial Layer Slip Surface Soil

YI Ping
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

Adopting transmittance method widely used in polygonal line slip surface project practice,stability assessment index is confirmed from basic theory of anti-analysis on mechanical strength parameter of slip surface soil and based on distortion characteristic of slip surface.Combined with an example of high water content superficial layer slide surface project in Shishang Ganzhou,anti-analysis calculation model has been established.Through combination of two anti-analysis calculation section,high water content superficial layer slip surface soil strength parameter value c and φ is calculated adopting interpolation method and graphical method,its calculated result can satisfy the stability analysis of slip surface and requirement of prevention and cure design of slip surface project.

superficial layer slip;transmittance method;shear strength index;anti-analysis on parameter;harnessing on landslip

TU43

A

1004-4345(2014)02-0001-04

2013-12-27

江西省科技支撑项目(20111BBE50031)。

易平(1979—),男,工程师,主要从事岩土工程设计与研究工作。