考虑边坡不同演化阶段的岩土体抗剪强度参数反分析

龙赛琼，陈焕美，蒋文鹏，梁栋才，尹小涛

(1.云南省交通发展投资有限责任公司， 云南 昆明 650034; 2.云南大永高速公路有限公司, 云南 大理 671000；3.云南省交通投资建设集团有限公司， 云南 昆明 650200;4.中国科学院 武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点试验室， 湖北 武汉 430071；. 中国科学院大学， 北京 100000)

边坡与滑坡工程抗剪强度参数直接影响到岩土体的承载特性，对工程建设有着重要意义。目前，获取岩土抗剪强度参数的方法有试验法、经验法和反演法。室内试验和经验法都在一定程度上不能完全符合边坡工程的实际状况。反演法是一种用来确定边坡与滑坡工程抗剪强度参数的有效手段[1]。它在已知稳定性系数及滑面等条件下，反算滑面的岩土抗剪强度参数。它采用的是以边坡稳定性状态倒推岩土体力学参数的逻辑，目前相关研究已有可观成果[2]。张新敏等[3]利用广义楔形法及程序GWEDGEM对滑带c和φ值进行敏感性分析。孙超伟等[4]基于场变量的有限元强度折减法，借助ABAQUS软件，建立了一套求解三维均质边坡反分析模型。唐红波等[5]利用bishop极限平衡理论对自然破进行了稳定性分析。卢坤林等[6]以滑面正应力修正三维边坡稳定性分析方法为基础，建立了确定滑带土抗剪强度参数的三维反分析模型。谭万鹏等[7]采用位移反分析方法反演了边坡岩土体强度参数。汤罗圣等[8]将数值模拟与位移监测结合起来，并用此方法成功反演了三峡库区某滑坡抗剪强度参数。丁德馨等[9]运用神经网络，首次提出并建立了圆弧滑动智能化算法。罗莉等[10]也采用遗传算法反演得到了滑坡岩土体的抗剪强度参数，提出了将强度折减与位移优化反分析结合起来反演简单边坡体抗剪强度参数的方法。朱友谊[11]以点稳定性系数理论为基础，采用软件FLAC3D参数反演得出符合滑坡实际现状的滑带土强度参数。柳旻等[12]通过实时检测，揭示了工程开挖对通过影响表面裂缝的大小，进一步造成稳定性的下降。

研究表明，施工扰动会加剧卸荷变形和坡体软化变形，岩体软化后的变形模量下降约80%。开挖前的5.56的稳定性系数，在施工扰动与地下水共同作用下降至1.96，开挖后从2.77 降至1.07[13]。边坡开挖扰动，改变了原自然坡的地表状态，可能使潜在不利软弱层面临空，导致开挖边坡稳定性下降；开挖后使坡体变陡，产生卸荷变形，坡表一定范围岩体刚度下降，坡体产生随节理裂隙扩张，结合雨水的侵入作用[14]，导致坡体的强度逐渐下降。以往的学者大多是针对边坡或滑坡的某一阶段进行研究的，忽略了岩体抗剪强度参数的演化过程，这常常导致边坡发生设计满足规范要求，但实际上却在开挖过程中或开挖后出现失稳的情况。

考虑边坡不同演化阶段的岩土体抗剪强度参数反分析方法是一种考虑施工扰动的动态分析方法，可获得边坡不同发展阶段下的岩土体抗剪强度参数，得出比试验数据和工程经验更符合实际情况的岩土体抗剪强度参数衰减规律，为边坡主动加固设计提供依据，有效指导边坡设计工作。

1 岩土抗剪强度参数反分析的前提

根据反分析计算的特点，总结出如下三类信息。此三类信息是反分析计算的前提，信息越准确，反分析得到的结果越接近真实情况。

(1) 坡体的稳定系数值。反分析中，滑坡稳定系数取值与滑坡发育阶段有关。根据滑坡变形情况，文献[15-18]已经对滑坡在不同发育阶段的稳定性系数推荐值做过深入的研究，可以参照表1进行选取。本文参照此表取值。

表1 滑坡不同发育阶段稳定评估系数表

(2) 滑面的确切位置，包括后缘拉裂缝及前缘剪出口。滑带依据钻孔资料或现场调查确定。反分析的计算剖面根据地质勘察资料确定，剖面应为主滑方向。

(3) 滑坡剧滑或变形时的工况。必须查清剧滑动前的雨情、震情、水位升降、斜坡弃土等生成剧滑破坏的外力因素。当坡体处于强变形或挤压变形阶段，尚没有发生滑动，同样需要查清造成坡体变形的各种外力因素。

2 考虑边坡不同演化阶段的岩土体抗剪强度参数反分析方法

提出一种基于边坡演化阶段的岩土体抗剪强度参数反分析方法，这种方法主要基于室内试验结果、工程经验、地质勘察资料和岩土体抗剪强度的反演分析来实现的，其具体方法如下：首先，对处于某一阶段或某几个阶段的边坡(如原始边坡、开挖边坡、失稳后边坡)进行现场取样进行室内试验，再结合地区经验数据得到岩体强度参数；其次，根据地质勘察资料建立包括坡形、地层分布和滑动面在内的计算模型；最后，通过不同阶段边坡稳定状态计算出处于不同发展阶段边坡的岩土体抗剪强度参数，并将之与室内试验对比分析，得到符合不同阶段工程实际情况的岩土体抗剪强度参数。

2.1 开挖边坡的岩土体抗剪强度参数反分析

开挖边坡处于失稳状态(或滑坡状态)，稳定系数Fs值比较容易确定。该阶段的稳定系数Fs=0.95～1.00，列出极限平衡方程来反算岩土抗剪强度参数。因为岩体的c值受风化影响较大，可先设定φ进行反分析试算。一般说来根据反分析得到的滑带c、φ值是一组区间值，可结合试验值进行确定。

极限平衡法的边坡稳定性系数公式如下：

Fs=f(c′、φ′、u、N、W、D、α、βi)

(1)

式中：c′为有效黏聚力；φ′为有效内摩擦角；u为孔隙水压力；N为土条底部法向力；W为土条自重；D为集中点荷载；α为土条底部倾角；βi为各种几何参数。

2.2 失稳后边坡的岩土体抗剪强度参数反分析

失稳后边坡距今时间最短，能够进行较为准确的室内试验和现场勘查。边坡失稳后，岩土体通过变形调整到一个相对稳定的状态，所以岩体强度较开挖边坡的岩体强度是有所降低的。根据现场勘查报告确定坡体是否有蠕滑变形(Fs=1.0)或完全稳定状态(Fs=1.01～1.05)。

2.3 自然边坡的岩土体抗剪强度反分析

自然边坡状态距今时间长，稳定系数Fs的确定需要涉及到滑坡范围之外的岩体，所以要在数据详实的情况下进行反分析。应在开挖边坡反分析得到的岩体抗剪强度参数基础上进行调整，参考滑坡范围之外岩体试验结果和工程类比结果，确定自然边坡的岩土体抗剪强度。这个强度值是工程施工扰动之前的初始强度，获得这个强度参数对于边坡设计中加固时机的选择是十分有益的。

室内试验和反演分析求得的岩土体抗剪强度参数对应边坡的三个不同阶段，如图1所示。

图1 边坡不同阶段的抗剪强度参数

3 全强风化岩体抗剪强度反分析实例

以云南某高速公路的2个工程开挖后失稳的边坡为例，建立两组反分析模型，对不同阶段的边坡岩体抗剪强度进行了反分析。

边坡所处工程区域湿热多雨，岩体风化作用强烈、风化深度大。边坡1地表为第四系残坡积层粉质黏土，下伏第三系砂砾岩和白垩系下统砂岩、泥质粉砂岩。边坡2出露的地层主要有第四系坡残积层粉质黏土、全—强风化褐红色粉砂质泥岩。

3.1 边坡1不同阶段岩体抗剪强度参数反分析

图2展示了边坡1的自然坡面、设计坡形及目前开挖后的边坡形态。根据现场工程地质调查结果以及工程经验确定不同阶段的边坡稳定状态反分析依据：原始坡面(Fs>1.0)；开挖设计坡面(Fs<1.0)；失稳后坡面(Fs≈1.05)。开挖边坡计算模型见图3。计算中取滑体重度为20 kN/m3。

图2 不同阶段的边坡形态

图3 开挖后边坡计算模型

滑带岩体主要为碎石土状，室外钻探取样难以取到，室内试验结果偏高。滑带黏聚力c=10 kPa～30 kPa，内摩擦角φ=17°～26°。将不同的参数组合带入分析模型中计算，得到的反分析结果如下：当c=25 kPa，φ=23°时，开挖后坡形下边坡稳定性稳定性系数为0.985，符合边坡开挖过程中失稳的状态。

由于无法准确确定自然边坡的稳定性系数，利用开挖边坡模型对自然边坡的岩体抗剪强度参数进行反分析。在将开挖边坡模型向后延伸，在实际滑面之后30 m设置另外一个滑面，采用开挖后的岩体抗剪强度参数计算得到该滑面的稳定性系数为0.945，小于实际滑面的稳定性系数0.985，实际情况是坡体沿实际滑面发生滑动，而后缘滑面基本上保持稳定。因此初始地形条件下岩体抗剪强度参数应略大，取c=33 kPa，φ=24°时，开挖后边坡后缘滑面稳定性系数达到1.040，如图4所示，这可看作自然边坡的初始抗剪强度参数。

图4 自然边坡岩体初始抗剪强度反分析模型

边坡开挖造成施工扰动，导致阻滑段抗滑能力降低，边坡失稳。为确定边坡失稳后滑带的抗剪强度参数，建立失稳后边坡计算模型如图5所示。由于边坡失稳后坡体仍处于蠕滑状态，其稳定性系数为1.05左右。当最危险滑面稳定性系数为1.054时，得到滑带抗剪强度为c=10 kPa，φ=21°，这表明边坡失稳后滑带的抗剪强度进一步下降，边坡补救方案不得不面对这一较低的抗剪强度参数。

图5 失稳后边坡计算模型

3.2 边坡2不同阶段岩体抗剪强度参数反分析

图6展示了边坡2的自然坡面及开挖后的边坡形态。根据现场工程地质调查结果以及工程经验确定边坡不同阶段的稳定状态反分析依据：K100+252边坡剖面存在三种形状态，原始坡面(Fs>1.0)，初次开挖坡面(Fs<1.0)和二次开挖坡面(Fs=0.95)。计算中取滑体重度为22 kN/m3。

图6 开挖后边坡计算模型

首先对初次开挖阶段的边坡岩体抗剪强度参数进行反分析，根据滑坡后的补充勘察结果，初次开挖状态下的滑带抗剪强度参数为c=20 kPa，φ=19.8°。初始开挖后边坡的稳定性系数Fs=0.99，这和初次开挖后边坡失稳相符合。

滑坡发生后进行二次开挖。二次开挖完毕，边坡仍出现了整体变形，说明滑带抗剪强度参数在降雨及工程扰动下发生弱化。当边坡的稳定性系数Fs=0.95时，反分析得到滑带的强度参数为c=17 kPa，φ=19°。

为获取自然边坡岩体抗剪强度参数，在实际滑面的后部假定3组滑面，如图7所示，分别计算其稳定性系数。采用开挖后滑带的抗剪强度参数c=20 kPa，φ=19.8°，发现滑面2的稳定性系数Fs=0.98(<0.99)，这与边坡沿实际滑面发生滑动相矛盾，因此岩体初始抗剪强度参数应略大。当滑面2的稳定性系数达到1.006时，得到岩体初始抗剪强度参数为：c=30 kPa，φ=25°，如图8所示。

图7 滑坡后缘危险滑面的搜索

3.3 岩体抗剪强度的演化过程

岩体抗剪强度演化过程见图9。岩体抗剪强度从自然边坡的初始强度，逐渐过渡到工程扰动后的岩体强度，滑坡发生后岩体经过变形错动，其强度进一步降低。

图8 后缘强度系数调整后的开挖边坡计算模型

滑坡后滑带岩土样本的室内试验结果如下，在不同含水率条件下，岩体的抗剪强度参数在c=11 kPa～25 kPa，φ=25°～32°。参考地区经验数据，此类碎石土状的强度参数一般在c=9 kPa～12 kPa，φ=23°～26°。反分析得到的滑坡后岩体强度参数和地区经验数据基本一致，但略低于室内试验结果；滑带岩体主要为碎石土状，无法取原状样，重塑样很难反映滑带岩体实际情况，室内试验结果偏高。为了实际施工安全考虑，边坡不同演化阶段的岩土体抗剪强度参数应主要参照反分析分析结果，演化过程见图9。

图9 岩体抗剪强度的演化过程

从岩体抗剪强度演化曲线可以看出，岩体在工程扰动后强度下降，c下降幅度在20.0%～24.2%，φ下降幅度在4.2%～33.0%，原因在于泥质粉砂岩和泥岩的粘粒和亲水矿物含量高，工程扰动后边坡临空变形导致裂隙扩张，在剪切变形过程中亲水矿物吸水膨胀使得结构变得松散，这导致按初始岩体强度设计能保持稳定的边坡在开挖后失稳，滑坡后岩体抗剪强度进一步下降，这是由于滑坡造成的相对错动导致滑带岩体含水量增大，表现出泥化效应，和初始强度相比，下降幅度分别达到33.3%～43.3%和24.0%～58.3%。岩体的地质成因、颗粒成分、矿物成分是导致其抗剪强度在不同边坡阶段大幅下降的内因，外因则是工程扰动等不利作用。针对受工程扰动影响大的岩体，边坡设计和施工中必须抓住有利时机，采取“主动加固”设计理念：预先加固、及时加固，避免工程扰动后岩体抗剪强度大幅下降，以致边坡失稳，再采取补救措施的不利后果。

4 结 论

(1) 针对目前岩土体抗剪强度参数反分析方法中未考虑施工扰动和边坡全施工周期岩土体抗剪强度衰减的情况，提出了考虑边坡不同演化阶段的岩土体抗剪强度参数反分析方法。

(2) 通过两个工程实例的计算结果与室内试验和地区经验数据的对比，得出本文提出的反分析方法符合实际情况：岩土体抗剪强度受施工扰动影响发生衰减，这导致按勘察阶段确定的岩土体抗剪强度进行设计的边坡在开挖后失稳，边坡失稳后岩土体抗剪强度进一步下降，这给边坡补救设计带来了极大困难。

(3) 基于边坡不同演化阶段的岩土体抗剪强度参数反分析结果，开挖扰动造成的岩土体抗剪强度衰减是不能忽略的，为更好利用岩土体初始抗剪强度，对开挖扰动后易造成岩土体抗剪强度大幅下降的泥质粉砂岩和泥岩，建议采取主动加固设计理念，以保证边坡安全并节约工程造价。