綜合系統(tǒng)理論評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定性研究

謝廷勇，張紫峰，白艷萍

?

綜合系統(tǒng)理論評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定性研究

謝廷勇1,2，張紫峰1，白艷萍2

（1.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，桂林541000）

滑坡穩(wěn)定性的分析評(píng)價(jià)是一較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程問(wèn)題，涉及工程地質(zhì)學(xué)、巖體力學(xué)、計(jì)算科學(xué)等多學(xué)科交匯。在系統(tǒng)分析滑坡體的地質(zhì)條件和環(huán)境背景的基礎(chǔ)上，采用綜合、系統(tǒng)理論分析評(píng)價(jià)方法對(duì)龍勝某二級(jí)公路2號(hào)滑坡進(jìn)行研究；通過(guò)使用剩余推力計(jì)算和有限單元（ANSYS）法等，進(jìn)行系統(tǒng)分析、綜合評(píng)價(jià)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并對(duì)其進(jìn)行加固處理后監(jiān)測(cè)，滑坡穩(wěn)定性較好，反映該方法是成功有效的。

滑坡；穩(wěn)定性；剩余推力法；系統(tǒng)理論

隨著我國(guó)公路建設(shè)的發(fā)展，線路兩側(cè)出現(xiàn)許多高陡的自然邊坡和工程邊坡，尤其在山區(qū)或丘陵地區(qū)，時(shí)常涉及滑坡問(wèn)題。滑坡穩(wěn)定性的分析評(píng)價(jià)是一復(fù)雜的系統(tǒng)工程問(wèn)題，它涉及工程地質(zhì)學(xué)、巖體力學(xué)和計(jì)算科學(xué)（及方法）等多種學(xué)科交匯問(wèn)題，是一個(gè)綜合研究程度較高的問(wèn)題。

龍勝某二級(jí)公路經(jīng)過(guò)龍勝滑石礦，由于滑石礦在公路下方修建新選廠，在公路下方開(kāi)挖形成高陡邊坡，由于山體坡度較陡，地形、地貌復(fù)雜，降水充沛，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，風(fēng)化作用等內(nèi)外地質(zhì)作用強(qiáng)烈，滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育，發(fā)育一系列滑坡構(gòu)成滑坡群，現(xiàn)狀調(diào)查共有五處，其中2號(hào)滑坡距已治理的滑坡北西側(cè)100m左右，該滑坡發(fā)生于2008年1月份左右，出現(xiàn)了鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路路面開(kāi)裂和上邊坡滑塌跡象，但未出現(xiàn)整體滑移，目前處于蠕滑狀態(tài)（圖1）。

1 2號(hào)滑坡成因機(jī)制分析

1.1 地質(zhì)條件

滑坡發(fā)育與所在地段巖土體分布及工程性質(zhì)有關(guān)，邊坡頂部為堅(jiān)硬的中風(fēng)化細(xì)碧巖為主，中部、底部山坡巖體表層多為坡積、殘積土層覆蓋，坡殘積土巖性主要為含粘土碎石，透水性相對(duì)較好，致使雨季時(shí)坡殘積土體與強(qiáng)風(fēng)化細(xì)碧巖接觸面局部飽水。土體受水浸泡后重量增加，抗剪強(qiáng)度降低，在坡殘積土層與強(qiáng)風(fēng)化層接觸面易形成滑動(dòng)面，產(chǎn)生滑坡。坡殘積土層與強(qiáng)風(fēng)化層接觸面為軟弱面，遇到連續(xù)集中降雨、大強(qiáng)度降雨入滲到下部泥巖頂面時(shí)受阻，順?lè)纸缑孢\(yùn)移，滑帶土軟化，強(qiáng)度降低。加之后期人類活動(dòng)作用改變了斜坡原有的應(yīng)力狀態(tài)，促使坡體發(fā)生變形，在長(zhǎng)時(shí)間的變形積累下，應(yīng)力進(jìn)一步集中，最終產(chǎn)生滑動(dòng)。各滑坡中前部變形均較強(qiáng)烈，其力學(xué)機(jī)理均為牽引式滑動(dòng)。

1.2 地形條件

滑坡區(qū)地形上總體為上陡下緩，自然坡度25o～45o，局部在45o以上，新選廠的建設(shè)，開(kāi)挖坡腳，致使上述結(jié)構(gòu)面露于人工邊坡上，由于人工邊坡大部分尚未采取防護(hù)措施，或設(shè)計(jì)有擋土墻，但施工進(jìn)度緩，使巖土體長(zhǎng)期暴露受風(fēng)化影響而強(qiáng)度迅速降低，在暴雨或其它突變因素誘發(fā)下，易產(chǎn)生滑坡。

1.3 降雨條件

滑坡區(qū)屬亞熱帶氣候，四周環(huán)山，氣候濕潤(rùn)，植被發(fā)育，樹(shù)木茂盛，雨量充沛。據(jù)龍勝縣氣象資料，歷年年最大降雨量2 032.6mm，年平均降雨量1 546.2mm，雨季月平均降雨量273.9mm，日最大降雨量317mm，小時(shí)最大降雨量57.3mm，每年雨季集中在4~8月份，且大部分以暴雨或強(qiáng)降雨形式出現(xiàn)，延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，大量雨水滲入山坡，造成地表土體重量增大和下伏含水層地下水位升高，泡軟軟弱結(jié)構(gòu)面，使軟弱結(jié)構(gòu)面力學(xué)強(qiáng)度降低，使山體易于沿軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑坡。

1.4 人類工程活動(dòng)

人類對(duì)坡體的改造結(jié)果使得局部坡度變大、斜坡底部臨空、坡體結(jié)構(gòu)松動(dòng)，地下水的作用增強(qiáng)，進(jìn)一步惡化滑坡的穩(wěn)定性。

2 極限平衡法滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 極限平衡法滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)計(jì)算模型

極限平衡法是滑坡穩(wěn)定性分析的主要方法，也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的較成熟的穩(wěn)定性分析方法。極限平衡法也是一種定量分析方法，主要方法有：瑞典法、Bishop法、Jaubu法、Sarma法和不平衡推力法等等。其中不平衡推力法是我國(guó)技術(shù)人創(chuàng)造的一種滑坡穩(wěn)定性分析方法，也稱為傳遞系數(shù)法或者剩余推力法，該法計(jì)算簡(jiǎn)單，并且能夠?yàn)榛轮卫硖峁┰O(shè)計(jì)推力，因此在水利、鐵路、交通等部門得到了廣泛的應(yīng)用，在國(guó)家規(guī)范和行業(yè)規(guī)范中都將其列為推薦方法使用。

剩余下滑力按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：-第i條塊剩余下滑力（KN/m）；-第安全系數(shù)，取1.15；-傳遞系數(shù)，

；

式中：θi-第i條塊所在滑動(dòng)面的傾角（°）；-第i條塊土的內(nèi)摩擦角（°）；Ci—第i條塊土的內(nèi)聚力（KPa）；Li-第i條塊滑動(dòng)面長(zhǎng)度；

計(jì)算模型根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算模型，滑動(dòng)帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)和滑體容重參數(shù)的選取按表1按雨季計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表2。

表1 2號(hào)滑坡滑動(dòng)帶土抗剪強(qiáng)度和滑體容重參數(shù)取值

表2 2號(hào)滑坡剖面穩(wěn)定系數(shù)和剩余下滑力計(jì)算結(jié)果表

2.2 極限平衡法滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2號(hào)滑體除上部有少量表層路面和填土外，主要由稍密～中密狀含粘土角礫組成，其膠結(jié)程度較差，透水性好，若遇長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)降雨，易于滲入地下，并在強(qiáng)風(fēng)化基巖面匯集，同時(shí)由于滑床由強(qiáng)風(fēng)化細(xì)碧巖組成，接觸面土體遇水易軟化，力學(xué)性質(zhì)亦較低，透水性較弱，為相對(duì)隔水層，有利于地下水在其頂面滯留而軟化土層形成軟弱帶，其頂面處于飽水狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度明顯降低，主要表現(xiàn)在C、值的降低，形成—軟弱帶，即滑帶，坡體易沿該帶產(chǎn)生滑移。

2號(hào)滑坡目前（旱季）整體穩(wěn)定系數(shù)處于1.05～1.15之間，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，（雨季）整體安全系數(shù)處于1.00～1.05之間，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在計(jì)算中各條塊滑面均采用滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，因此實(shí)際穩(wěn)定性要比計(jì)算值相對(duì)要高，所以不存在從滑坡體中上部剪出的可能性。

2.3 極限平衡法滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果

在天然條件下，由于地質(zhì)條件和各種影響因素沒(méi)有多大改變，2號(hào)滑坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨（工況Ⅱ）的情況下，2號(hào)滑坡穩(wěn)定性差，將產(chǎn)生整體滑移。

表3 各土層材料計(jì)算參數(shù)

3 有限單元法（ANSYS）計(jì)算分析

3.1 有限單元法（ANSYS）及其計(jì)算參數(shù)

有限元法相比于極限平衡法考慮了介質(zhì)的特征，相對(duì)真實(shí)地反應(yīng)了邊坡的受力狀態(tài)。所謂有限元強(qiáng)度折減法，就是在理想彈塑性有限元計(jì)算中，將邊坡巖土體抗剪切強(qiáng)度參數(shù)逐漸降低，知道其達(dá)到破壞狀態(tài)為止，同時(shí)得到邊坡的強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)Fs，于是有：

有限元強(qiáng)度折減法不需要對(duì)滑動(dòng)面形狀和位置做假定，也無(wú)需進(jìn)行條分，通過(guò)強(qiáng)度折減使邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，非線性有限元靜力計(jì)算將不收斂，此時(shí)的折減系數(shù)就是穩(wěn)定安全系數(shù)。

土體破壞的標(biāo)志是滑體出現(xiàn)沒(méi)有限制的塑性變形，此時(shí)滑移面上的應(yīng)變或者位移出現(xiàn)突變，因此，這種突變可作為邊坡破壞的標(biāo)志，此外有限元靜力計(jì)算會(huì)同時(shí)出現(xiàn)不收斂。所以本章采用ANSYS有限元計(jì)算是否收斂或者滑面上節(jié)點(diǎn)塑性應(yīng)變和位移突變作為邊坡失穩(wěn)的判斷依據(jù)。

3.2 邊坡穩(wěn)定性有限元法（ANSYS）計(jì)算分析評(píng)價(jià)

對(duì)剖面5-5’分析：邊坡水平方向位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)Fs的增加而減小，當(dāng)Fs=1.2至Fs=1.24段時(shí)邊坡水平方向位移的減少程度放緩，表明當(dāng)Fs>1.24時(shí)，邊坡內(nèi)積蓄的能量因2號(hào)邊坡的滑動(dòng)而釋放。邊坡塑性變形隨著強(qiáng)度折減系數(shù)Fs的增加而逐漸增大，當(dāng)Fs=1.25時(shí)由于下部塑性變形增大使2號(hào)滑坡的上部不能保持原有狀態(tài)而失穩(wěn)，造成滑坡的產(chǎn)生。分析得出：5-5’剖面的邊坡安全系數(shù)應(yīng)為1.24。剖面5-5’不同折減系數(shù)影響得到表4；在此表上得到圖2和圖3。

表4 5-5’剖面不同折減系數(shù)對(duì)邊坡的變形

對(duì)剖面6-6’分析：邊坡水平方向位移隨強(qiáng)度折減系數(shù)Fs的增加而減小，當(dāng)Fs=1.08至Fs=1.09段時(shí)邊坡水平方向位移的減少程度放緩，表明當(dāng)Fs>1.09時(shí)，邊坡內(nèi)積蓄的能量因2號(hào)邊坡的滑動(dòng)而釋放。邊坡塑性變形隨著強(qiáng)度折減系數(shù)Fs的增加而逐漸增大，到了一定值時(shí)保持值不變，當(dāng)Fs=1.1時(shí)由于下部塑性變形增大使2號(hào)滑坡的上部不能保持原有狀態(tài)而失穩(wěn)，造成滑坡的產(chǎn)生。分析得出：6-6’剖面的邊坡安全系數(shù)應(yīng)為1.09。剖面6-6’不同折減系數(shù)影響得到表5；在此表上得到圖4和圖5。

表5 6-6’剖面不同折減系數(shù)對(duì)邊坡的變形

對(duì)5-5’剖面和6-6’剖面得出結(jié)論：隨著折減系數(shù)的增加，水平正方向位移最大值越來(lái)越小，并且塑性變形最大值越來(lái)越大，2號(hào)滑坡存在穩(wěn)定性失穩(wěn)。

4 極限平衡法與有限元法（ANSYS）的比較

從剩余推力法與有限元法（ANSYS）計(jì)算得出的結(jié)果的比較，見(jiàn)表6：天然狀態(tài)下，坡體由于受重力的影響有向前和向外的微小位移，坡體的位移量從頂部至坡腳逐漸減小。在天然狀態(tài)下，坡體向趨于穩(wěn)定性的方向發(fā)展，并且保持一種平衡狀態(tài)，整體失穩(wěn)的可能性不大；在降雨?duì)顟B(tài)下，坡體由于降雨影響使坡體重力增加，打破了某種平衡狀態(tài)，由于原先的平衡被打破需要重現(xiàn)建立新的的平衡，但是這種平衡在降雨的條件下一直沒(méi)有建立，故導(dǎo)致了坡體的失穩(wěn)。

表6 不同計(jì)算方法得出的結(jié)果

5 結(jié)論

1）建立了2號(hào)滑坡定量分析的極限平衡法中的不平衡推力法和有限元法（ANSYS）中的有限元強(qiáng)度折減法。通過(guò)在材料力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)確定各巖土層的物理特性，建立起地質(zhì)模型，確定本構(gòu)模型的選取，確定了2號(hào)滑坡在天然狀態(tài)處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨?duì)顟B(tài)時(shí)整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2）采用不平衡推力法和有限元強(qiáng)度折減法兩種方法對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)的地質(zhì)評(píng)價(jià)，其結(jié)論都是2號(hào)滑坡在天然狀態(tài)處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨?duì)顟B(tài)時(shí)整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)論一致，兩種不同力學(xué)理論方法的相互補(bǔ)充驗(yàn)證，克服了兩只方法在力學(xué)處理上的不足，可較好反映滑坡變形破壞的實(shí)際規(guī)律。

3）滑坡是一個(gè)很復(fù)雜的變化動(dòng)態(tài)體系，要多種定量方法并舉、相互校核來(lái)提高評(píng)價(jià)分析的準(zhǔn)確度。通過(guò)工程實(shí)例證明，綜合系統(tǒng)分析是滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要或較佳方法。它對(duì)類似滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有借鑒意義。

[1] 黃潤(rùn)秋，張倬元，王士天．高邊坡穩(wěn)定性的系統(tǒng)工程地質(zhì)研究 [M]．成都：成都科技大學(xué)出版社，1991．

[2] 孫玉科，牟會(huì)寵，姚寶魁．邊坡巖體穩(wěn)定性分析[M]．北京 ：科學(xué)出版社，1988．

[3] 黃潤(rùn)秋．20世紀(jì)以來(lái)中國(guó)的大型滑坡及其發(fā)生機(jī)制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，3：433～454．

[4] 陳祖煜．邊坡穩(wěn)定性分析極限平衡法的改進(jìn)和應(yīng)用[J].清華大學(xué)學(xué)位論文，1991．

[5] 鄭穎人，趙尚毅.有限元強(qiáng)度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004,23（19）：3381～3388．

[6] 宋雅坤，鄭穎人等.有限元強(qiáng)度折減法在三維邊坡中的應(yīng)用研究[J]．2006,10（5）：822～827．

[7] 黃書(shū)珍，胡仁喜，康士廷等編著.ANSYS12.0土木工程有限元分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010,5．

Study of Landslide Stability Evaluation System Theory

XIE Ting-yong1,2ZHANG Zi-feng1BAI Yan-ping2

(1-China Nonferrous metals Guilin Geology for Mining Co. Ltd., Guilin, Guangxi 541004; 2- College of Earth Science, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 54100)

This assesses stability of No.2 landslide of the Longsheng Highway based on the geological condition and environmental background and by the use of residual thrust and finite element (ANSYS) methods. The monitoring of the reinforced landslide indicates this evaluation method is successful and effective.

landslide; stability; comprehensive assessment; residual thrust method

P642.22

A

1006-0995（2015）01-0104-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.01.023

2013-10-18

謝廷勇(1977-），男，漢族，廣西桂林市人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事巖土、地質(zhì)災(zāi)害勘查治理等工作