层状边坡滑动边界强度参数取值方法研究

向俊博，喻邦江，刘士伟，魏玉峰，王小群

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都　610059；2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳　550001)



层状边坡滑动边界强度参数取值方法研究

向俊博1，喻邦江2，刘士伟1，魏玉峰1，王小群1

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都610059；2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳550001)

滑坡滑带土强度参数取值的准确性，决定了滑坡稳定性计算的可靠程度。因此获得准确、可靠的滑动边界强度参数至关重要。然而在实际情况中，由于取样位置试样的代表性，以及试样转运过程中保存条件的限制，现场所取得的滑带土在室内试验得到的强度参数已经不能完全反映真实环境下的抗剪强度。因此考虑软弱夹层、滑带土各种物理和力学指标间存在必然联系，并表现出特定的规律性，尝试通过试验，揭示指标间的关联规律，并建立了相关性好的关系式，据此评价滑动边界的抗剪强度参数。

滑动边界；强度参数；物理指标；取值方法

1　引言

自然界中具有层状构造的沉积岩占陆地面积的三分之二，许多变质岩也具有层状构造特征[1]。由于对层状裂隙岩体工程特性缺乏深入了解而造成重大事故的工程屡见不鲜，如1963年意大利瓦依昂(Vaiont)水库近坝段的巨型滑坡；我国葛洲坝工程因层状岩体中分布有软弱夹层而致使工程几度停工，造成工程投资增加十几倍；雅砻江二滩水电站上游霸王山滑坡系层状岩体发生的溃屈破坏；南芬露天矿、峨口露天矿等在开采过程中，采场局部边坡失稳破坏的类型亦属顺层面滑动[2-5]。

对层状岩质边坡进行稳定性评价，关键在于要如何正确准确地获得层状岩体的力学参数。因此，对于一种正确有效可行的层状岩体力学参数获取方式的研究便显得十分具有意义。而在实际情况中，由于取样后环境发生变化以及不可避免的扰动，在室内试验得到的强度参数已经不能代表真实环境下的抗剪强度。并且由于滑带土在现场情况下和在实验室里处的环境不同，所得到的c、φ值不具普遍性。因此本研究借助于软弱夹层、滑带土、土体的各种物理力学指标有着内在的联系，通过掌握各物理指标间的变化规律，来得到滑带土的强度参数[6-8]。

2　方法原理

根据以往的研究可以发现，对于软弱夹层、滑带土、土体的各种物理力学指标而言，它们之间都存在一定的内在联系。比如含水量(w)、干密度(ρd)和抗剪强度指标(c、φ)之间就存在这样的普遍规律：对于同一个土体(试样)，含水量越高，干密度就越低(ρd=ρ/1+w)，相应的其抗剪强度指标也就越低。

2.1含水量w与c、φ值

于是根据这种规律，就可以利用这种方法来得到滑带土的抗剪强度参数：在现场取出滑带土进行原位测试(测含水量w和天然密度ρ)，然后在实验室做拟合试验，把试样加水使其含水量接近液限，然后进行抗剪强度试验得到在这种含水量的条件下的c、φ值，之后使其含水量降低1～2个百分点再进行抗剪强度试验，得到又一组与含水量对应的c、φ值。如此反复循环，直到试验含水量远小于塑限为止。这样就得到一组含水量与c、φ值的对应值，分别做出含水量w与c、φ值的关系曲线，得到含水量w与c、φ值的关系式，再把在现场测得的滑带土的含水量带入所得到的关系式，这样就可以求得滑带土的抗剪强度指标[5](图1)。

2.2含水量w与孔隙比e

同时往往受限于各种客观条件，现场不能进行大规模的钻孔取样以获得各个不同部位的滑带土。而为了获得准确的含水量w的值，就要利用孔隙比e和含水量w之间的关系得到滑带土不同部位的含水量。在这里利用“重力压密”方法对滑带土进行取值分析：首先在室内进行滑带土的压缩试验，获得孔隙比e与正应力p之间的关系；然后利用有限元技术计算滑带土不同部位的正应力，以得到其孔隙比；再利用孔隙比e和含水量w之间的关系得到滑带土不同部位的含水量；最后利用含水量与抗剪强度指标之间的关系得到一组c、φ值，取平均值再折减即可。

图1　层状边坡滑动边界强度参数取值流程

3　工程应用

本文以杨家沟滑坡为例，对滑带土强度参数取值及稳定性研究进行阐述。

3.1工程概况

杨家沟是顺层滑坡，滑坡平面形态不规则，分上游区和下游区。上游区滑体在整个滑坡中占主要，并且方量较大，几乎是下游区滑体的2倍，杨家沟滑坡的稳定性可简化为研究上游区滑体的稳定性。杨家沟滑坡的剖面形态像大刀形，滑坡后缘高程950 m，前缘高程710 m。滑体平均厚度35～40 m，滑坡中前部厚度最大，约56 m，前缘20～25 m，中部40～50 m，后缘相对较薄为5～8 m。滑坡体积约250×104m3。

表部覆盖有大约5～8 m左右厚的碎石土；中部为一层厚约35 m的基本保持原有岩层层序结构的变质凝灰岩块石层;下部为变质凝灰岩碎石、块石层，碎块石呈棱角状，灰白色，厚10 m左右，其间充填次生土及岩粉，滑带土发育在此层底部;底部基岩为长城系碧口群变质凝灰岩，局部夹石英岩、砂质板岩和泥质板岩，厚-巨厚层状，深灰绿色。

现场在滑坡中前部PD042(高程772 m)51 m处取的滑带土原状样。滑带沿顺层断层发育，滑面走向NW271°～275°，倾SW(岸外)，倾角52°～55°。滑带土黄褐色，厚约3～6 cm，干燥致密，为含砾的粘土，硬塑状，其中砾石由小于1cm的碎裂岩、片状岩和角砾岩组成(图2)。其基本物理指标如下表2及颗分试验结果表1。

根据杨家沟滑坡滑带土颗分试验结果分析可知，砾石粒含量27.5%，砂粒含量33.5%，粉粒含量21.3%，粘粒含量17.7%。砂粒占了整个式样的1/3，说明滑带土以砂性为主。

图2　杨家沟滑坡滑带土(平硐揭露)

表2　杨家沟滑坡滑带土基本物理指标

3.2滑带土强度参数取值

(1) 滑带土的室内压缩试验

在室内将现场取回的滑带土配制成接近液限的试样，放入高压固结仪中，分别以0 kPa、12.5 kPa、25 kPa、50 kPa一直到3 200 kPa进行逐级加压，其各级压应力下获得的孔隙比e见下表3。得到的e-p关系曲线见图3。

表3　杨家沟滑坡滑带土压缩试验各级压力下的孔隙比

图3　杨家沟滑坡滑带土e-p关系曲线图

从试验的结果可知，孔隙比e和正应力p之间具有极好的相关性，得到孔隙比e和正应力p之间的关系式：

e=-0.042 8ln(P)+0.604 8-R=0.999 9

(1)

(2) 滑坡剖面上不同部位滑带土孔隙比e和含水量w的获得

计算滑坡剖面上不同部位的正应力，利用公式(1)得到滑坡剖面不同部位的孔隙比，再利用下面的公式(2)得到不同位置的含水量(表4)，天然状态下杨家沟滑坡滑带土饱和度为50.74%，取饱和度天然状态50%和饱水状态100%计算。

(2)

式中,e为孔隙比；Sr为饱和度；G为颗粒密度(2.76 g/cm3)

(3) 利用室内剪切试验获得含水量与c、φ值的关系

从表1可知，杨家沟滑坡滑带土塑液限较低，分别为14.5%和22.5%，因此做剪切试验时，滑带土的含水量从8.1%一直做到18%，一共做了6组试验，试验结果见图4。从图中可以看出，正应力和剪应力有着很好的相关性(相关性系数在0.9以上)。表5是各级含水量条件下试样的密度和抗剪强度指标。

图4　杨家沟滑坡滑带土各级含水量下的τ-σ关系曲线

点号X坐标Y坐标正应力/MPaew/%天然w/%饱水1420.86260.410.13130.407.1714.352403.00242.180.33730.366.4412.893371.58212.760.36190.356.3912.784342.67183.530.50560.346.1312.265314.31156.360.55270.336.0612.126295.71133.880.52490.346.1012.207268.7098.770.68260.335.9011.798249.3579.701.12250.305.5111.029227.3067.261.31820.305.3910.7710215.5463.691.12660.305.5111.0211187.8858.010.79230.325.7811.5612166.9254.640.55820.336.0512.1113138.3454.850.42620.356.2612.5214100.2356.210.35190.356.4112.82

根据表5结果可以得出含水量(w)与内聚力(c)、摩擦系数(f)之间的相关曲线(图5、图6)。

图5　滑带土的c-w关系曲线

由此可以得到滑带土含水量(w)与内聚力(c)、摩擦系数(f)之间的关系式：

ln(c)=-0.351 7×w+6.339 0-R=0.976 4

(3)

f =-0.588 5ln(w)+1.638 1-R=0.997 2

(4)

(4) 滑坡剖面不同位置强度参数的获得

将表4中所获得的含水量带入公式(3)、(4)，可以得到滑带土在两种情况下不同位置的强度参数(表6)。

图6　滑带土的f-w关系曲线

根据表6得出的结果，考虑安全因素综合取值得到杨家沟滑坡滑带土的抗剪强度参数：

天然状态：c=60 kPa，f=0.65

饱水状态：c=40 kPa，f=0.57

4　总结

准确评价层状岩体的稳定性，不仅需要查清岩体的组成结构的特征、变形破坏模式、滑动边界条件内在因素，而且还要正确确定岩体的力学参数、选择正确的分析方法。

本方法通过在现场进行原位测试取得原始数据，然后结合实验室拟合试验，分别做出含水量w与c、φ值的关系曲线，得到含水量w与c、φ值的关系式，再将现场原始数据带入所得到的关系式，求得滑带土的抗剪强度指标。同时为了获得准确的含水量w的值，在室内进行滑带土的压缩试验，获得孔隙比e与正应力p之间的关系；然后利用有限元技术计算滑带土不同部位的正应力p，以得到其孔隙比e；再利用孔隙比e和含水量w之间的关系得到滑带土不同部位的含水量。最终利用本研究所属方法，在现场试验条件有限、试验数据较少的情况下，获得了较为准确的边界强度参数。并且通过实际工程中的应用，验证了该方法具有可行性。

致谢

本文研究受中国博士后科学基金(编号2016M590890)、贵州省交通运输厅科技项目(编号2015-121-025)资助。

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[4]王根龙，伍法权，蔡晓光.考虑层间错动的顺层岩质边坡稳定性分析[J].水文地质工程地质2010,37(2):255-259.

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BEDDED SLOPE SLIDING BOUNDARY STRENGTH PARAMETER SELECTION METHOD RESEARCH

XIANG Jun-bo1,YU Bang-jiang2, LIU Shi-wei1,WEI Yu-feng1，WANG Xiao-qun1

(1. State Key Laboratory of Geo-azard Prevention and Geo-nvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu610059,China; 2.Communication Survey and Planning Institute of Guizhou Province, Guiyang550001,China)

The accuracy of landslide sliding zone soil strength parameter selection, determines the reliability of the landslide stability calculation.So get accurate and reliable slip boundary strength parameters is very important.In reality, however, because of the inevitable in the process of sampling disturbance, style in the process of the sample transfer and storage condition is limited, the scene of sliding zone in indoor test of strength parameters can no longer be on behalf of the shear strength of the real environment.So weak interlayers, sliding zone soil, the soil there is a connection between the various physical and mechanical index, and showed a certain regularity, so through the experiments, reveal index between the association rule, and set up good correlation relation, on the basis of evaluation of shear strength parameters of sliding boundary.

Sliding boundary； strength parameters； physical index； accessor methods

1006-4362(2016)03-0075-06

2016-05-10改回日期：2016-06-20

TU41

A

向俊博(1991- )，男，汉族，硕士研究生，主要从事岩土工程方向研究。E-mail:459332055@qq.com