滑坡滑带土探查、强度参数反演及敏感性分析

2020-07-01段选亮金福喜余政兴

防灾减灾学报 2020年2期

关键词：探井滑带滑坡体

段选亮，金福喜，余政兴，程鹏

（1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083；2.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南长沙 410083；3.湖南省有色地质勘查局二一七队，湖南衡阳 421001）

0 引言

滑带土是滑坡体的重要组成部分，滑坡的发生与否常常取决于滑动面（带）土体的应力状态和强度。从某种意义上讲，滑坡的形成机理就是滑带土的变形破坏过程[1-2]。因此，正确识别滑带土、准确分析滑带土的强度特性对滑坡的治理具有重大意义。

滑带的准确判定是滑带土取样、研究的首要内容和前提[3]。胡瑞林等[4]指出滑带的识别方法主要包括：简易力学分析、野外地质判断、现场勘探、位移监测和地球物理探测等。

由于土质滑坡活动的特殊性，滑带土厚度一般很薄，根据调查统计，滑带土厚度大多在几毫米到几厘米。滑带土厚度薄力学性质软弱的特点使取样工作难度极大[5]；通过实践发现在探坑和浅井中对滑动面的揭露比较直观，在探坑和浅井中取样，一种是沿滑动面刮取滑带土，进行重塑土的抗剪试验[5-6]，另一种是采取包含滑动面的块状土样，在室内做滑动面的重合剪切[6]；为了更好的获得滑带土样，陈关顺等在滑坡勘查中，用环刀直接在现场取样[7]；宋德文等发明了适用于采取滑带土原状样，兼适于横向钻进和竖向钻进取土的滑带土原状取土器[8]。

滑带土的强度特性可用其峰值抗剪强度、残余抗剪强度、滑坡启动强度、完全软化强度以及流变研究中的长期抗剪强度等5 个特征强度进行表述[9]，因此对这些特征强度的研究也构成了滑带土强度特性研究的主要内容。刘茂等总结了滑带土五个强度的影响因素和变化规律[10]；含水率、吸力、滑带土的粒度成分等影响滑带土的长期力学强度特性[11]；残余强度主要是受滑带土体不同状态下的φ 值的影响，而影响φ 值的因素主要有土的成分、粘粒与砾石含量等[12-14]；C 值则直接影响峰值强度[14]，影响C 值的因素主要有剪切速率、含水率、固结历时、超固结比和有效法向应力[15-16]；对土体的软化强度，主要是以研究土体的粘聚力和土中的基质吸力为主，在土体饱和状态下，研究φ 值的影响因素[16]，研究发现滑带土的软化强度主要与土的矿物成分、粘粒含量等[17]有关，随着粘粒粒级的增大，完全软化摩擦角减小；完全软化摩擦角随着粘粒的片状化发展而减小[18]；滑带土体在发生大位移剪切后使土颗粒重排列和重联接，形成次生结构[19]，因此影响土体颗粒重排列和重联接的因素就是影响土体再生强度的因素，形成再生强度的前提条件是压应力的存在，外在影响因素有含水率、时间、固结压力[20]，内在影响因素主要是物质成分[21]；周永昆等[22]以红、黄两种不同颜色的滑带土研究发现夹层土的厚度对强度参数也有一定的影响；李维树等指出地质代表性、试验尺寸、试验数量、应力大小、含水率及剪切面的形态等因素对强度参数具有重大的影响[23]。

实践表明，除了采用大位移剪切[24]、环剪[25]等试验的方法获得滑带土强度参数外，采用科学合理的反算法及综合多种方法评估滑带土的强度参数也是获得强度参数的有效途径[14]；魏玉峰等结合强度再生理论及土的压缩定律计算获得了沙圈坝滑坡各地段滑带土的抗剪强度参数[26]；郑明新论述了一个断面的反算、多断面联立方程的反算[27]及不恢复滑动前斜坡断面的反算方法的原理及适用条件并提出了结合滑坡状态来综合确定滑带土强度的修正方法[28]；黄玮等建立差分进化支持向量机（DE-SVM）[29-30]反演模型用于黄土滑坡体参数反演[31]；国内外一些学者的研究表明基于传递系数法的反分析法[32-34]也具有良好的适用性；罗莉等应用遗传算法[35]反演滑坡抗剪强度参数，其结果能与实际基本吻合[36]；汤罗圣等[37]以区域统计规律及工程地质类比方法结合数值模拟对滑坡的抗剪强度参数进行反演，并以监测和调查数据进行检验；邓建辉等提出了一种基于强度折减概念可以模拟滑坡体的三维变形与破坏特征的三维数值反演分析方法[38]。

虽然对滑带土已经有了深入的研究，但在工程实践中，滑带土通常埋深大难以观察和取样，因此想要揭露滑带深度和通过试验获得准确强度参数存在困难，且上述强度参数的反算方法具有计算量多、可操作性差等缺点，在工程中实用性较差。为了解决这些问题，以某滑坡为例，采用钻孔、探槽和探井三种探查方式进行工程实践，探讨三种方式的优缺点，在试验和地质类比的基础上采用规范法对该滑坡的强度参数进行反演和敏感性分析。

1 工程概况

某滑坡总体地形西北高，东南低，图1 为滑坡平面图，滑坡后缘多处出现裂缝（图2），裂缝张开宽0.4～2.0m，形成0.2～4.5m 的错台，且在不断的扩张，滑坡前缘加油站附近水泥板鼓胀隆起。滑坡边界后缘以后缘滑动裂缝为界，分界较为明显，西侧以拉张剪切裂缝为界，东侧以陡坎、裂缝为界，前缘以山坡坡脚及滑坡堆积体前缘为界。滑坡纵长160m，横宽150m，滑坡体顶高126.82m、底标高90.58m，高差36.24m，面积约16000m2，钻孔揭露滑坡体最大厚度13.8m，最小厚度3.8m，平均厚度约10m，体积16×104m3，主滑方向147°，平均坡度20°，平面上呈簸箕型，剖面上滑带呈圆弧形。后缘近似圈椅形，滑坡坡面起伏较大，为一推移式中型中层土质滑坡。滑坡体主要由残坡积粉质粘土夹碎石及含砾粉质粘土组成，滑带主要由含砾粉质粘土和强风化炭质泥岩（P1d）组成，滑床主要由炭质泥岩（P1d）和灰岩（P1q）组成。

滑坡后缘见有拉张裂缝，后缘壁见有明显擦痕（图3）；滑坡体中部见有拉张—剪切裂缝，滑坡体坡脚挡墙严重破坏，可见连续裂缝。强降雨期间坡体出现大规模滑移，滑塌的土体损毁挡墙堆积于居民楼后，滑坡体周界进一步扩大，现今截水沟大部分已处于滑坡体内，这些迹象表明该滑坡目前正处于蠕滑变形阶段。

图1 滑坡平面图Fig.1 Plane of landslide

图2 滑坡后缘裂缝Fig.2 Posterior margin crack of landslide

图3 滑坡后缘壁Fig.3 Posterior margin wall of landslide

2 滑坡地层结构探查

该滑坡采用钻孔、探槽和探井去揭露滑坡体的岩土层分布情况，探槽深度为2.1～3.7m，未能揭露滑带埋深情况，但可以清晰的观察到滑体裂缝的埋深及分布情况，同时能够很好的观察浅部土层的分布情况（图4-5）。钻孔最浅在4.5m 处揭露滑带，最深在13.6m 处揭露滑带，如图6 所示为钻孔揭露的滑带土，其中图6a 滑带土为强风化炭质泥岩（P1d）：灰褐色-黑色，污手，结构松散，遇水易软化，呈可塑-软塑状，炭泥质结构、薄层状构造，手捏可断，天然状态下有油脂光泽；图6b 滑带土为含砾粉质粘土：红褐色-黄褐色，主要成分为粘粒、粉粒，硬塑-可塑状态，刀切面无光泽，无摇震反应，干强度中等，韧性中等，普遍含水量较高，钻进速度较快，砾石含量约10～25%，砾径0.1～0.8cm，主要成分为粉砂质。

图4 探槽Fig.4 Exploratory trench

图5 探槽展布图Fig.5 The expansion diagram of exploratory trench

图6 揭露的滑带Fig.6 Exposed slip band

从钻孔岩心中难以看出滑带土与上覆岩土层及下伏岩土层之间的分界线，因此无法判定是否为滑带土及确定其埋深。因此，在钻孔和开挖探槽的基础上，通过探井进行勘探，探井揭露的情况如图7 所示，从图中可以看到滑带土呈褐色，与上覆黄褐色土层有明显区别，在探井中能够直观的看到岩土层的分布情况，并且可以观察到岩土层之间的分界线。

图7 探井中的滑带Fig.7 Slide zone in exploration well

通过以上对比分析发现，探槽和探井能够直观反应岩土层的分布情况，探槽由于深度有限，对于埋深较深的滑带则无法揭露滑带的位置，但能够很好揭露滑体裂缝的分布和埋深；探井不仅能到达很深的位置，揭露滑带的埋深，而且通过探井可以直接确定岩土层的分界线，同时在探井内可以进行滑带土的取样，在条件允许的情况下可以进行原位测试；钻孔虽然深度大，但是由于钻孔的尺寸限制，仅能反映局部的岩土层情况，不能很好的反映滑带土的埋深和分布，但钻孔施工速度快、效率高，仍是工程勘察的首选手段。

3 滑带土强度参数反演及敏感性分析

3.1 试验结果

对该滑坡共取13 件滑带土样进行室内土工试验，试验结果如表1 所示。

表1 滑带土物理力学参数试验结果

依据室内试验数据及类比其他工程经验，滑带土（含砾粉质粘土）的抗剪强度指标C=14.2kPa，φ=13.4°，饱和抗剪强度指标C=13.3kPa，φ=12.2°；滑带土（强风化炭质泥岩）的抗剪强度指标C=13.6kPa，φ=9.2°，饱和抗剪强度指标C＝12.4kPa，φ=8.5°。

3.2 强度参数反演计算

反算公式采用《滑坡防治工程勘查规范》（GB/T 32864-2016）中的相关公式进行反演计算，通过给定粘聚力C 或内摩擦角φ，反求另一值，其公式如下[39]：

式中：Fs—滑坡的稳定性系数；L—滑带长度（m）；C—滑带土粘聚力（kPa）；φ—滑带土的内摩擦角（°）；αi—第i 条块滑面倾角（°）；Wi—第i 条块的重量（kN/m）。

根据该滑坡地形剖面图结合规范中的规定，本次参数反演分析计算采用现状稳定性系数强风化炭质泥岩为Fs=1.05、含砾粉质粘土为Fs=1.03。选择主轴线剖面和次级滑面主轴线剖面为计算剖面进行反算分析，计算天然状态下的强度参数，反分析计算结果如表2 所示。

表2 滑带土参数反算结果

由表2 可知滑带土（含砾粉质粘土）的抗剪指标范围：C 为11～17kPa，φ 为11.9°～15.1°，滑带土（强风化炭质泥岩）的抗剪指标范围：C 为11～17kPa，φ 为7.6°～10.1°，由以上反演分析计算结果，对比试验数据可知，反算结果与试验数据接近，因此规范法在滑带土强度参数反演中具有较高的准确性，同时由于本方法的计算过程简单、计算量小，相对于其他反分析方法可操作性更强，更适用于实际工程。

3.3 敏感性分析

影响滑坡稳定性的主要因素包括滑带抗剪强度参数（C，φ 值）、滑体饱水情况及滑体容重的变化等，其中，滑坡饱水情况及滑体容重可以通过钻孔水位测量、土工试验等方法得以确定，其取值相对较为准确，而C，φ 值影响因素较为复杂，本次计算选取两条主滑剖面（剖面1、剖面2）作为计算基础，求得不同C，φ 取值情况下的稳定系数，如表3、表4 所示。

表3 敏感性分析表（剖面1）

表4 敏感性分析表（剖面2）

从图8-11 可知，滑动面的C，φ 值对稳定系数都有显著的影响，其中φ 值的影响更为明显。由图可以看出，当固定C，φ 中的一个值时，安全系数Fs都会随着另一个值的增大而增加，通过关系曲线的斜率可以看出Fs-C 关系曲线的斜率小于Fs-φ 关系曲线的斜率，而关系曲线斜率的大小，反映了Fs对横坐标因素的敏感程度，所以本滑坡无论滑带是含砾粉质粘土还是强风化炭质泥岩，φ 值对稳定系数的影响都大于C 值，即Fs对φ 值的敏感程度更高。