浸潤線緩慢上升對(duì)滑坡剩余推力的影響規(guī)律*

汪洋，劉藝梁

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢430074;2.巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心，湖北武漢430074)

浸潤線緩慢上升對(duì)滑坡剩余推力的影響規(guī)律*

汪洋1，2，劉藝梁1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢430074;2.巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心，湖北武漢430074)

地下水浸潤線變化對(duì)滑坡下滑力、抗滑力和剩余推力的影響甚大。基于傳力系數(shù)法，建立了浸潤線緩慢上升時(shí)剩余推力改變量的計(jì)算模型，探討了滑面傾角、浸潤線角度和滑面內(nèi)摩擦角與傾角正切比對(duì)浸潤線緩慢上升前后滑坡剩余推力改變量的影響規(guī)律;將浸潤線緩慢上升時(shí)剩余推力由增大到減小的分界點(diǎn)稱為剩余推力變化臨界點(diǎn)，分析了剩余推力變化達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)的浸潤線傾角分布規(guī)律;提出了剩余推力變化的臨界線，確定了浸潤線緩慢上升時(shí)剩余推力的增大區(qū)域和減小區(qū)域。

浸潤線;滑坡;剩余推力;臨界線

0 引言

地下水對(duì)滑坡的影響體現(xiàn)在物理、化學(xué)及力學(xué)作用等三個(gè)方面［1］，對(duì)力學(xué)作用而言，重力、浮力、水壓力、滲透力會(huì)隨地下水浸潤線變化而改變，滑坡剩余推力和穩(wěn)定性也會(huì)變化。劉才華等認(rèn)為靜止庫水位產(chǎn)生的浮托力在某種程度上有利于邊坡的穩(wěn)定［2］，在庫水位逐漸上升過程中，孔隙水壓力作用使邊坡的穩(wěn)定性先降低后增加［3］。殷躍平在分析關(guān)塘口滑坡地下水滲透壓力時(shí)指出:庫水位為175 m狀態(tài)下的滑坡推力，要比庫水位由175 m下降到145 m水位的滑坡推力大［4］。丁秀麗等通過奉節(jié)南橋頭滑坡的數(shù)值模擬認(rèn)為滑坡整體穩(wěn)定性隨著水位的抬升逐漸惡化［5］。張衛(wèi)民等分析了地下水位線的位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響［6］。鄧東平等認(rèn)為浸潤線最高點(diǎn)相對(duì)坡腳的高度是邊坡穩(wěn)定性的重要影響參數(shù)，地下水位的升高導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性急劇下降［7］。

滑坡剩余推力涉及到多個(gè)力及其分量的疊加，滑坡剩余推力大小隨浸潤線位置、角度及滑面傾角等因素的變化而變化。本文建立了浸潤線緩慢上升時(shí)剩余推力改變量的計(jì)算模型，探討了滑面內(nèi)摩擦角與傾角正切比、滑面傾角和浸潤線角度對(duì)浸潤線緩慢上升前后滑坡剩余推力改變量的影響規(guī)律，提出了剩余推力變化的臨界線，確定了浸潤線緩慢上升時(shí)剩余推力的增大區(qū)域和減小區(qū)域。

1 浸潤線緩慢上升前后的剩余推力

采用傳力系數(shù)法計(jì)算滑坡剩余推力，選取滑動(dòng)土體中的土骨架作為研究對(duì)象，浸潤線條件下條塊的受力見圖1。分析滑動(dòng)條塊中土骨架的力的平衡時(shí)考慮滲透力，浸潤線以下的條塊重力采用浮重度計(jì)算，浸潤線以上的條塊重力采用天然重度計(jì)算。

圖1 浸潤線條件下土條的受力圖

條塊的下滑力和抗滑力分別表示如下:

式中:T為條塊下滑力，R為抗滑力，W為重力，Pw為滲透力，c為滑面內(nèi)聚力，l為底面長度，Vu為浸潤線以上體積，Vd為浸潤線以下體積，θ為滑面傾角，α為浸潤線傾角，φ為滑面內(nèi)摩擦角，γ為天然重度，γ'為浮重度，γw為水的重度。

浸潤線緩慢上升可認(rèn)為浸潤線平行上升，浸潤線由EF位置平行變化到GH位置(GH位置條塊的受力用增加下腳標(biāo)1來表示，EFGH的面積用S表示)時(shí)，條塊重力的變化表示為:

由式(5)和式(6)可見，浸潤線緩慢上升，根據(jù)浸潤線下浮重度和浸潤線上天然重度計(jì)算的重力減小，但滲透力增加，浸潤線緩慢上升前后條塊剩余推力的變化量表示如下:

將式(5)和式(6)代入式(7)得:

為了方便考慮浸潤線緩慢上升對(duì)剩余推力的影響，令γ=1.9γw，γ'=1.1γw，tgφ=btgθ，則滑坡剩余推力的變化可表示為:

b值為滑面內(nèi)摩擦角與傾角正切比，f值為浸潤線緩慢上升滑坡剩余推力的相對(duì)改變量，由此可見，在滑塊天然重度、浮重度與水的重度設(shè)置成一定比例條件下，浸潤線緩慢上升時(shí)滑坡剩余推力的變化不僅與重度、水下巖土體體積的改變量成正比，還與浸潤線的傾角、滑面傾角和內(nèi)聚力密切相關(guān)。

2 剩余推力變化的規(guī)律

2.1 滑面內(nèi)摩擦角與傾角正切比對(duì)剩余推力變化量的影響

滑面內(nèi)摩擦角與傾角正切比b值在一定程度上反映滑體的穩(wěn)定性狀態(tài)。探討了浸潤線緩慢上升時(shí)b值對(duì)剩余推力變化量的影響，圖2中顯示的是浸潤線緩慢上升時(shí)b值對(duì)滑坡剩余推力變化的影響，圖2中b值取1.1，浸潤線角度取10°。

在滑面傾角和浸潤線角度值一定的條件下，浸潤線緩慢上升前后滑坡剩余推力的改變量隨b值的增大而呈現(xiàn)出一定幅度的增大。當(dāng)b值從0.7增加到1.3時(shí)，浸潤線上升相同的高度，f值從0.200增加到0.328。

2.2 浸潤線角度對(duì)剩余推力變化量的影響

探討了浸潤線緩慢上升時(shí)不同浸潤線角度對(duì)剩余推力變化量的影響，圖3顯示的是浸潤線緩慢上升時(shí)浸潤線角度對(duì)滑坡剩余推力變化的影響，圖3中b值取1.1，滑面傾角取15°。

圖2 浸潤線緩慢上升時(shí)b值對(duì)剩余推力的影響

圖3 浸潤線緩慢上升時(shí)浸潤線角度對(duì)剩余推力的影響

在滑面傾角和b值一定的條件下，浸潤線緩慢上升前后滑坡剩余推力的改變量隨浸潤線角度的增大而緩慢減小。當(dāng)浸潤線角度從5°增加到25°時(shí)，浸潤線上升相同的高度，f值從0.289減小到0.262。

2.3 滑面傾角對(duì)剩余推力變化量的影響

探討了浸潤線緩慢上升時(shí)滑面傾角對(duì)剩余推力變化量的影響，圖4中顯示的是浸潤線緩慢上升時(shí)浸潤線角度對(duì)滑坡剩余推力變化的影響，圖4中b值取1.1，浸潤線角度取10°。

圖4 浸潤線緩慢上升時(shí)滑面傾角對(duì)剩余推力的影響

在浸潤線角度和b值一定的條件下，浸潤線緩慢上升前后滑坡剩余推力的改變量隨滑面傾角的增大而呈現(xiàn)出較大幅度的增大。當(dāng)滑面傾角從5°增加到45°時(shí)，浸潤線上升相同的高度，f值從0.093增加到1.082。

3 剩余推力變化量的臨界點(diǎn)

3.1 特殊條件下的剩余推力

若浸潤線傾角與滑面傾角相等，式(10)可變?yōu)?

式中，f大于0，說明在該條件下浸潤線上升會(huì)使剩余推力增大。

另一方面，若滑面傾角與滑面內(nèi)摩擦角相等，即b=1，式(10)可變?yōu)?

因1－tg(α－θ)tgθ=tgθ［tg(90－θ)－tg(α－θ)］，故式

(12)也大于0，也說明在該條件下浸潤線上升會(huì)使剩余推力增大。

3.2 剩余推力變化量的臨界點(diǎn)

式(11)、式(12)、圖2、圖3、圖4結(jié)果均表示浸潤線緩慢上升，剩余推力的改變量均大于零，即在上述條件下，滑坡剩余推力隨浸潤線緩慢升高均變大。

根據(jù)式(5)和式(6)，隨著浸潤線緩慢上升，滲透力增大，利用浮重度和天然重度計(jì)算的條塊重力減小，重力貢獻(xiàn)的下滑力和抗滑力均減小，滲透力貢獻(xiàn)的下滑力和抗滑力均增加，故浸潤線緩慢上升前后剩余推力既可能增加，又可能減小。

浸潤線緩慢上升時(shí)剩余推力由增大到減小的分界點(diǎn)稱為剩余推力變化臨界點(diǎn)。表1中分析了b值從0.1到0.9、滑面傾角從5°增加到45°之間取值時(shí)，剩余推力變化達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)的浸潤線傾角。當(dāng)b值一定時(shí)，滑面傾角越大，浸潤線緩慢上升剩余推力變化達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)浸潤線傾角越大;當(dāng)滑面傾角一定時(shí)，b值越大，浸潤線緩慢上升剩余推力變化達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)浸潤線傾角也越大;當(dāng)b值超過0.9后，浸潤線緩慢上升剩余推力只增大，不減小。

表1 浸潤線緩慢上升時(shí)剩余推力變化臨界點(diǎn)

根據(jù)剩余推力變化臨界點(diǎn)計(jì)算，把一定滑面傾角條件下的臨界點(diǎn)隨b值變化連成曲線，得到了浸潤線上升時(shí)剩余推力變化臨界線(圖5)。臨界線以下區(qū)域，浸潤線緩慢上升前后剩余推力變化是增大的，臨界線以上區(qū)域，浸潤線緩慢上升前后剩余推力變化是減小的。

圖5 浸潤線緩慢上升時(shí)剩余推力變化臨界線

4 結(jié)論

(1)浸潤線緩慢上升時(shí)滑坡剩余推力的改變量不僅與重度、水下巖土體體積的改變量成正比，還與浸潤線的傾角、滑面傾角和內(nèi)聚力密切相關(guān)。

(2)分析了滑面內(nèi)摩擦角與傾角正切比、浸潤線角度、滑面傾角對(duì)浸潤線緩慢上升前后滑坡剩余推力改變量的影響。在滑面傾角和浸潤線角度值一定的條件下，浸潤線緩慢上升前后滑坡剩余推力的改變量隨b的增大而呈現(xiàn)出一定幅度的增大。在滑面傾角和b值一定的條件下，浸潤線緩慢上升前后滑坡剩余推力的改變量隨浸潤線角度的增大而緩慢減小。在浸潤線角度和b值一定的條件下，浸潤線緩慢上升前后滑坡剩余推力的改變量隨滑面傾角的增大而呈現(xiàn)出較大幅度的增大。

(3)探討了b值從0.1變化到0.9時(shí)浸潤線緩慢上升前后剩余推力變化臨界點(diǎn)，繪制了剩余推力變化臨界線，得到了浸潤線上升時(shí)剩余推力增大區(qū)域和減小區(qū)域。在浸潤線角度較小條件下，滑坡剩余推力隨浸潤線緩慢升高而變大，只有在浸潤線角度較大條件下才可能出現(xiàn)滑坡剩余推力隨浸潤線緩慢升高而減小的特征。

本文在是在滑塊天然重度、浮重度與水的重度設(shè)置成一定比例的條件下分析了浸潤線緩慢上升前后滑坡剩余推力的變化規(guī)律，計(jì)算分析中沒有考慮到土體的土體性質(zhì)與重度之間的關(guān)系，今后將針對(duì)這方面作進(jìn)一步的探索。

［1］莫偉偉，徐平，丁秀麗．庫水位漲落對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響研究進(jìn)展［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2(6):997－1002．

［2］劉才華，陳從新，馮夏庭等．地下水對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響［J］．巖土力學(xué)，2005，26(3):419－422．

［3］劉才華，陳從新，馮夏庭．庫水位上升誘發(fā)邊坡失穩(wěn)機(jī)理研究［J］．巖土力學(xué)，2005，26(5):769－773．

［4］殷躍平．三峽庫區(qū)地下水滲透壓力對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響研究［J］．中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2003，14(3):1－8．

［5］丁秀麗，付敬，張奇華．三峽水庫水位漲落條件下奉節(jié)南橋頭滑坡穩(wěn)定性分析［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23 (17):2913－2919．

［6］張衛(wèi)民，陳蘭云．地下水位線對(duì)土坡穩(wěn)定的影響分析［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(2):5319－5322．

［7］鄧東平，李亮，趙煉恒．穩(wěn)定滲流條件下土坡穩(wěn)定性分析的一種新方法［J］．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2011，19(1):29－35．

Influence Law of Slowly Rising of Phreatic Line on Residual Sliding Force of Landslides

Wang Yang1，2and Liu Yiliang1
(1.Engineering Faculty，China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan 430074，China;2.Engineering Research Center of Rock-Soil Drilling＆Excavation and Protection，Ministry of Education，Wuhan 430074，China)

Changes of phreatic line of groundwater have great impact on sliding force，anti-sliding force and residual sliding force of a landslide．Based on Transmission Coefficient Method，a calculation model for the varibles of residual sliding force with slow rise of the phreatic line is established，which is used to discuss influence rule on residual sliding force of sliding surface angle，phreatic line angle and tangent ratio of internal friction angle to sliding surface angle．The dividing point，where the varibles of residual sliding force with slow rise of the phreatic line vary from increasing to decreasing，is called the critical point of residual sliding force，and the distribution of phreatic line angle is analyzed as residual sliding force arrives at the critical point．The critical line，increasing area and decreasing area of residual sliding force during the slow rise of the phreatic line，are put forward．

phreatic line;landslide;residual sliding force;critical line

P642.22

A

1000－811X(2012)04－0021－04

2012－02－19

2012－03－22

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41002103，40872176)

汪洋(1979－)，男，湖北天門人，博士，副教授，主要從事滑坡穩(wěn)定性及庫岸災(zāi)害的研究．E-mail:wangyangcug@126.com