基于蠕變強度折減法的滑坡穩(wěn)定性分析

馬 沖 胡 斌 詹紅兵 蔣海飛,3

(1.中國地質大學工程學院，湖北 武漢 430074;2.中國地質大學數學與物理學院，湖北 武漢 430074;3.廣西地質環(huán)境監(jiān)測總站，廣西 桂林 541004)

基于蠕變強度折減法的滑坡穩(wěn)定性分析

馬 沖1,2胡 斌1詹紅兵1蔣海飛1,3

(1.中國地質大學工程學院，湖北 武漢 430074;2.中國地質大學數學與物理學院，湖北 武漢 430074;3.廣西地質環(huán)境監(jiān)測總站，廣西 桂林 541004)

基于傳統強度折減法，提出了考慮巖土體蠕變時效特性的蠕變強度折減法。以重慶某滑坡工程為研究對象，選取主滑線剖面建立FLAC二維地質模型,采用蠕變強度折減法進行了滑坡的蠕變時效穩(wěn)定性研究，結果表明：①經歷相同蠕變時間，滑坡前緣監(jiān)測點位移量最大，其次為滑體底部監(jiān)測點，說明滑坡發(fā)生變形破壞首先從前緣開始并沿滑動面逐漸向后緣發(fā)展；②考慮巖土蠕變特性的滑坡長期穩(wěn)定性系數為1.18，較未考慮蠕變的滑坡穩(wěn)定性系數1.26降低了6.3%，說明蠕變不利于滑坡穩(wěn)定，建議采用穩(wěn)定性系數1.18作為滑坡治理和地災危險性評估的依據。

滑坡 蠕變 蠕變強度折減法 長期穩(wěn)定性

邊坡穩(wěn)定性一直是地質災害危險性評估的重要研究內容[1-3]?；碌男纬墒且粋€循序漸進的過程，其因時間變化而積累起來的變形量由巖土材料的蠕變引起，因而分析滑坡穩(wěn)定性時應充分考慮到巖土體的蠕變性質[4-6]。值得注意的是，目前常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法在計算過程中均忽略了巖土體的蠕變特性[7-8]。因此，采用考慮巖土體蠕變特性的計算方法對滑坡穩(wěn)定性進行分析才能充分滿足滑坡預警預報和地質災害危險性評估的要求[9-11]。以重慶某滑坡工程為例，采用考慮巖土蠕變特性的計算方法對滑坡穩(wěn)定性進行了研究。

1 滑坡工程概況

重慶某滑坡處于構造剝蝕條狀丘陵與長江河谷過渡的岸坡地帶，位于三峽庫區(qū)回水域左岸，整體平面形態(tài)呈不規(guī)則的圈椅狀?；潞缶壐叱碳s287.5 m，前緣高程約150.6 m，滑體橫寬約356.1 m，縱長約280.6 m，滑體厚度為18.8～26.3 m，總體積約為218.35×104m3。經工程地質測繪與鉆孔揭露，滑坡地層主要為第四系和侏羅系。第四系地層厚度為20.3～27.8 m，巖性主要有粉質黏土、崩塌堆積塊石土。崩塌堆積塊石之間的主要充填物質為粉砂質泥巖與粉質黏土，塊石與充填物接觸面局部可見明顯的光滑鏡面，呈現出蠕變現象?；禄鶐r為侏羅系粉砂巖，呈灰色、粉粒結構，抗風化能力強，屬中厚—厚層構造，單層厚度約12 m。因該區(qū)域的長江航道狹窄，若滑坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，將直接造成航道堵塞以及威脅到船舶通行安全，故有必要對該滑坡穩(wěn)定性進行計算，為地災危險性評估提供參考。

2 穩(wěn)定性分析方法

對比剛體極限平衡條分法和強度折減法可知，后者依托數值模擬技術，通過折減巖土體強度參數來計算坡體穩(wěn)定性。隨著數值模擬技術的發(fā)展，強度折減法已被廣泛應用于各種坡體的穩(wěn)定性分析。但是，傳統強度折減法仍然忽略了巖土體的蠕變力學性質，因而不能準確地反映出滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)。為在穩(wěn)定性分析中引入材料的蠕變性質，采用蠕變強度折減法來進行穩(wěn)定性計算，即

FS=τ/τs,

(1)

式中，FS為折減系數；τ為抗剪強度；τs為折減后的抗剪強度。

Cvisc模型由伯格斯模型和摩爾庫倫模型串聯組成，模型如圖1所示。圖1中，EM、ηM分別表示彈性模量和麥克斯韋爾黏性系數；EK、ηK分別表示黏彈性模量和開爾文黏性系數；σt表示服從Mohr-Coulomb強度屈服準則的巖土體屈服強度；εM、εK、εP分別表示為麥克斯韋爾體、開爾文體的應變和塑性應變[7]。在計算過程中，為使巖土體僅出現衰減蠕變，以便對巖土體強度進行折減計算，通常將ηM取為+∞。原因是：假如巖土體出現了加速蠕變現象，無論是否對巖土體的強度進行折減，其變形仍會持續(xù)增大。

圖1 Cvisc蠕變模型

一般地，材料的流變與其所受的應力偏量相關。因此，三維狀態(tài)下的Cvisc模型可表達為

(2)

(3)

(4)

式中，σ11、σ22、σ33分別為巖土體的最大、中間、最小主應力。

3 基于Cvisc模型的滑坡穩(wěn)定性數值分析

3.1 滑坡地質模型及計算參數

基于FLAC3D，建立滑坡地質模型如圖2所示，該模型由粉砂巖(基巖，淺色部分)和第四系崩塌堆積物(深色部分)組成。模型共包含1 557個節(jié)點和888個單元，X、Y、Z3個方向分別為387 m、183 m、2 m。模型的約束條件為：滑坡地質模型的左右兩側為水平約束條件，模型底部為全部固定約束。

圖2 FLAC3D滑坡地質模型

進行滑坡穩(wěn)定性計算時，令ηM=+∞，那么Cvisc模型簡化為廣義開爾文模型[7]，相應的滑坡地質模型計算參數如表1所示。為進行比較分析，先采用基于Mohr-Coulomb屈服準則的傳統強度折減法計算獲取滑坡滿足彈塑性力學特征的穩(wěn)定性系數，計算時所采用的參數如表2所示。

表1 Cvisc模型參數(天然狀態(tài))

3.2 結果分析

為研究蠕變對穩(wěn)定性的影響效應，先采用不考慮巖土體蠕變特征的傳統強度折減法對滑坡的穩(wěn)定性進行計算。在FLAC3D中，經過不斷修正FS，最終得到滑坡在天然狀態(tài)下達到臨界破壞狀態(tài)時的FS為1.26，因而可認為在不考慮蠕變效應影響的情況下，滑坡的穩(wěn)定性系數為1.26。通過查看滑坡穩(wěn)定性計算后的剪應變速率云圖，可見明顯的突變帶(如圖3所示)，突變帶的空間位置就是由傳統強度折減法確定的滑動面。

表2 Mohr-Coulomb模型計算參數(天然狀態(tài))

注：表1、表2中第四系的力學參數表示黏土和崩塌塊石土的平均力學參數。

圖3 傳統強度折減法計算結果

根據文獻[12]可知，利用FLAC3D中的Cvisc蠕變模型進行滑坡穩(wěn)定性計算時，有2個邊坡失穩(wěn)判據可參考：①塑性區(qū)從坡腳到坡頂是否貫通；②坡體中多個變形監(jiān)測點經歷一定時間長度后能否達到穩(wěn)定狀態(tài)。這里選用第2個判據來判斷滑坡所處的穩(wěn)定狀態(tài)，并在滑坡前緣、后緣以及滑體坡面、滑體內部設置位移監(jiān)測點，其分布位置如圖2所示。

基于Cvisc模型的蠕變強度折減法，將FS由1.06逐漸增大到1.22，得到不同強度折減系數下1#～4#監(jiān)測點的蠕變變形曲線，折減系數為1.06、1.18和1.22時的蠕變曲線如圖4～圖6所示。

圖4 折減系數為1.06時蠕變曲線

由圖4～圖5中各監(jiān)測點的蠕變曲線可看出，在折減系數取值為1.06～1.18時，蠕變曲線先經歷瞬時彈性變形，隨后進入到減速蠕變階段。這個時期的蠕變曲線變化平緩，說明巖土蠕變變形速率開始出現衰減并不斷減少至零，最后蠕變曲線出現平緩的線段，宏觀上表示滑坡蠕變變形處于穩(wěn)定狀態(tài)。由圖6可知，當折減系數取值為1.22時，蠕變曲線在經歷了較為短暫的彈性變形后，蠕變位移隨蠕變時間增長而不斷增大，監(jiān)測點3#、4#在經歷365 d的蠕變后并未出現衰減蠕變現象。通過統計分析得到，當強度折減系數由1.06變化到1.22時，監(jiān)測點1#至監(jiān)測點4#經歷365 d蠕變所對應的位移量如圖7所示。

圖5 折減系數為1.18時蠕變曲線

圖6 折減系數為1.22時蠕變曲線

圖7 不同折減系數下監(jiān)測點X方向位移總量曲線

圖7中可明顯看出：當滑坡巖土參數折減1.06～1.18倍時，各監(jiān)測點的X方向位移增量并不明顯，位移量也均少于10 mm；當滑坡巖土參數折減1.22倍時，位于滑坡前緣的監(jiān)測點3以及位于滑體底部的監(jiān)測點4#的位移增量出現了明顯的增大。同時，由圖中位移變化曲線也可知，滑坡X方向的位移量隨折減系數的增大而逐漸增大，其變化過程中存在1個臨界值。當折減系數少于臨界值時，滑坡位移增量變化不明顯；當折減系數大于臨界值時，滑坡某些部位的位移量就會成倍增長，并可最終導致滑坡發(fā)生變形破壞。從位移量變化情況看，折減系數由1.18增加到1.22時，監(jiān)測點3#的位移值最大，位移增量為148.04%，監(jiān)測點4#的位移值其次，位移增量為38.02%，監(jiān)測點1#及監(jiān)測點2#的位移變化量不大，這表明：滑坡前緣處于坡腳位置，因受剪應力集中影響而導致滑坡前緣巖土體的剪應變最大，滑坡發(fā)生破壞的過程應是先從前緣開始，然后沿著滑動面逐漸擴展貫通至后緣?；谏鲜龇治?，可認為折減系數的臨界值為1.18，且滑坡在考慮巖土體蠕變特性的情況下的穩(wěn)定性系數也可保守地認為是1.18。由于充分考慮了時間因素對滑坡穩(wěn)定性的影響(即考慮了巖土材料的蠕變時效性)，因此穩(wěn)定性系數1.18可作為滑坡的長期穩(wěn)定性系數。對比分析發(fā)現，滑坡采用傳統強度折減法計算得到的短期穩(wěn)定性系數為1.26，采用蠕變強度折減法計算得到的長期穩(wěn)定性系數為1.18，前者較后者高出6.8%，故采用長期穩(wěn)定性系數1.18作為滑坡工程治理和地災危險性評估的依據將更具科學性與合理性。

4 結 論

(1)采用蠕變強度折減法時，可用折減系數1.18作為滑坡長期穩(wěn)定性系數；采用傳統強度折減法時，滑坡穩(wěn)定性系數為1.26，前者比后者降低了6.3%?；陆洑v365 d的蠕變后，穩(wěn)定性系數由1.26降低到1.18，說明巖土材料的蠕變性質不利于滑坡的穩(wěn)定，在評估滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)時不能忽略巖土體的蠕變時效特性。

(2)在考慮巖土蠕變特性的情況下，折減系數的臨界值可取為1.18。折減系數由1.18增大到1.22時，監(jiān)測點3#的X方向位移量最大，其次為監(jiān)測點4#，表明滑坡發(fā)生變形破壞首先從前緣開始，并沿滑動面逐漸向滑坡后緣發(fā)展。

(3)利用蠕變強度折減法計算得到的監(jiān)測點位移與現場實測位移數據相結合進行滑坡預警預報時，所選用的預警標準應大于未考慮蠕變時的。對滑坡工程進行支護治理時，建議采用滑坡長期穩(wěn)定性系數1.18作為設計參數。

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(責任編輯 徐志宏)

Analysis of Landslide Stability Based on Creep Strength Reduction Technique

Ma Chong1,2Hu Bin1Zhan Hongbing1Jiang Haifei1,3

(1.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.School of Mathematics and Physics，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China;3.Guangxi Zhuang Autonomous Region Geological Environmental Monitoring Station，Guilin 541004，China)

Based on the traditional strength reduction technique，the creep strength reduction technique of considering creep property of rock and soil medium have been proposed.The FLAC2Dgeological model of the main slip line profile is established，and the creep aging stability of landslide is studied by using creep strength reduction technique with respect to a landside in Chongqing city.The results show that：①the displacement of monitoring point in landslide leading edge is the biggest，followed by that under sliding bottom when experienced the same creep time.It indicates that landslide damage begins with the leading edge and generally moves to the trail edge along with the sliding surface；②the landslide long-term stability coefficient is 1.18 with considering creep property of rock and soil medium，and it's 1.26 with not，lower by 6.3%.It indicated that creep is not conducive to the stability of landslide.It suggests the stability coefficient 1.18 as the parameter for engineering design and geological hazard assessment.

Landslide，Creep，Creep strength reduction technique，Long-term stability

2014-09-05

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(編號：2011CB710604)，國家自然科學基金面上項目(編號：41172281)。

馬 沖(1985—)，男，博士研究生。通訊作者 胡 斌(1974—)，男，博士，教授。

TU45

A

1001-1250(2014)-11-050-04