復合型滑坡推力計算方法研究

譚福林，胡新麗，張玉明，方　堃，李　蕊

(中國地質(zhì)大學(武漢) 工程學院，武漢　430074)

復合型滑坡推力計算方法研究

譚福林，胡新麗，張玉明，方堃，李蕊

(中國地質(zhì)大學(武漢) 工程學院，武漢430074)

摘要：復合型滑坡是推移式和牽引式的組合，既有牽引式滑坡的特點又有推移式滑坡的性質(zhì)，通過對復合型滑坡形成機理的研究，揭示了復合型滑坡具有前部牽引—后部加載—中部滑帶剪斷貫通—最終整體滑移失穩(wěn)的變形破壞模式，對應(yīng)地將復合型滑坡分為3個區(qū)：前緣啟動區(qū)(牽引作用)、中間主滑區(qū)、后緣啟動區(qū)(加載作用)。針對不同區(qū)的破壞形式和受力特點，以及不同區(qū)之間的相互作用過程，建立了準確合理的地質(zhì)力學計算模型，對不同區(qū)推力進行詳細的計算推導。在推力計算過程中，復合型滑坡推力計算具有區(qū)段針對性，前緣啟動區(qū)和后緣啟動區(qū)需要考慮與中間主滑區(qū)之間的相互作用，而中間主滑區(qū)的穩(wěn)定性是對整個滑坡起主導作用，在計算推力時，既要考慮前緣啟動區(qū)阻滑段的缺失又要考慮后緣啟動區(qū)的加載效應(yīng)。以典型復合型滑坡為例，通過計算充分說明此推力計算方法的合理性，為復合型滑坡防治工程設(shè)計提供計算方法。

關(guān)鍵詞：復合型滑坡；變形破壞模式；地質(zhì)力學計算模型；推力計算；條塊受力分析

1研究背景

滑坡按運動形式分為牽引式滑坡和推移式滑坡，牽引式滑坡表現(xiàn)在滑坡的下部首先達到極限平衡狀態(tài)并產(chǎn)生很大位移，此時下部坡體首先失穩(wěn)，導致上部坡體失去下部坡體的抗力而跟著發(fā)生滑動；對于推移式滑坡，中上部坡體由于外荷載增加或者強度降低首先達到極限狀態(tài)，從而增加了對下部坡體的推力，導致坡體的整體下滑[1]。

現(xiàn)今由于人類工程活動，坡腳快速開挖或河流沖蝕及坡頂堆填土加載, 使軟弱面上的剪應(yīng)力超過其抗剪強度而引起滑動[2],最終導致滑坡的變形破壞模式變得更為復雜，形成復合型滑坡，主要表現(xiàn)在2個方面：第一，滑坡前緣首先向下滑動，自下而上漸變式牽引變形控制，具有牽引式的性質(zhì)；第二，滑坡后部的巨大勢能逐漸向滑坡中前部推進即后緣加載，在中后部滑移面附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)剪切裂縫，具有推移式的特點?？傮w上，變形破壞模式既有牽引式特點又有推移式特點，表現(xiàn)為復合型滑坡變形破壞模式。

王恭先[3]對滑坡機理進行了系統(tǒng)的研究，提出了滑坡破壞模式、應(yīng)力場、發(fā)育過程和階段的一般性規(guī)律；宋東日等[4]、袁從華等[5]對牽引式滑坡變形特征進行研究，針對牽引式滑坡提出了不同的加固原則。雍睿等[6]把推移式滑坡分為3個演化階段，著重分析滑坡變形破壞時效演化規(guī)律，并且建立推移式滑坡概化模型。

現(xiàn)有的滑坡地質(zhì)災(zāi)害中，由于多方面因素的綜合影響，使復合型滑坡占有很大比例，而現(xiàn)今大多數(shù)學者針對復合型滑坡的研究比較少，極少數(shù)人只是對復合型滑坡作簡單的穩(wěn)定性評價分析[7-8]。理論分析和力學計算是復合型滑坡研究中最為重要的一種方法，它不僅給穩(wěn)定性以定量概念，也是工程設(shè)計所必需的分析方法。因此，通過開展不同力學機制下復合型滑坡破壞模式的分析及推力計算方法研究具有重要的理論和實踐意義，這為研究復合型滑坡演化過程的普遍規(guī)律提供了科學依據(jù)。

2復合型滑坡形成機理

突出滑坡地質(zhì)基礎(chǔ)的重要性，必須以正確的地質(zhì)分析為基礎(chǔ)，且和地質(zhì)分析的結(jié)論相一致，并建立合理的地質(zhì)力學計算模型，對滑坡進行推力計算及穩(wěn)定性評價；同時要為滑坡加固治理選擇合理的設(shè)計推力，首先需要深入了解滑坡變形特征及形成機理。

2.1復合型滑坡形成條件

復合型滑坡形成條件主要從地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等開展研究。地形地貌：滑坡坡面形態(tài)一般為前后部陡-中部稍緩式特點，滑移面形態(tài)為后部陡-中前部緩式復合型滑面。地層巖性：滑坡往往發(fā)生在堆積層、風化帶及巖土體的軟弱夾層所組成的斜坡地帶，滑體多為松散堆積物構(gòu)成，結(jié)構(gòu)松散，透水性好，強度低。地質(zhì)構(gòu)造：滑坡后緣主要存在陡峭巖體，并且節(jié)理裂隙比較發(fā)育，完整性差，易發(fā)生崩塌落石現(xiàn)象，對滑坡后緣起到加載效應(yīng)。水文地質(zhì)：地表降水與地下水降低巖土體強度，增加巖土體自重，產(chǎn)生動水壓力、靜水壓力、孔隙水壓力等。

2.2復合型滑坡變形破壞模式

通過野外地質(zhì)調(diào)查，了解復合型滑坡的形成條件，并結(jié)合其變形破壞特征，對復合型滑坡的演化過程(前緣和后緣先變形，最后整體變形)進行詳細分析，根據(jù)形成條件和變形破壞過程，相應(yīng)地把復合型滑坡分為3個區(qū)即前緣啟動區(qū)(牽引作用)、中間主滑區(qū)、后緣啟動區(qū)(加載作用)。

自然條件下，斜坡處在穩(wěn)定或略高于極限平衡狀態(tài)，坡腳是重要的阻滑段，公路修建對坡腳的開挖或者庫區(qū)庫水對前緣沖刷、庫水位升降等不利工況下，致使斜坡前緣臨空高度增加，抗滑力逐漸減小，導致斜坡前緣產(chǎn)生變形，坡面產(chǎn)生裂縫；產(chǎn)生的牽引變形裂縫為地下水下滲提供了通道，持續(xù)降雨形成的地表水也可通過裂縫下滲到斜坡的更深部，這樣將導致潛在滑動面軟化、滑體重度增加及產(chǎn)生靜動水壓力，綜合不利條件下導致前緣滑體失穩(wěn)，前緣先啟動變形破壞，隨著變形的逐步發(fā)展而形成前緣啟動區(qū)；前緣啟動區(qū)導致滑體后緣支撐削弱甚至臨空，前緣啟動區(qū)導致滑體后緣以后的中間主滑區(qū)阻滑作用減弱而產(chǎn)生變形。另外，滑坡后緣危巖體常年崩塌及人類活動(采煤、修建房屋等)導致后緣大量堆載，后緣張開裂縫發(fā)育，后緣滑體荷載不斷積累，巖土體在斜坡上的下滑力逐漸達到并超過其抗滑力，引起后部失穩(wěn)開始滑動而推動前部滑動形成后緣啟動區(qū)，后緣啟動區(qū)朝中間主滑區(qū)壓縮變形，對中間主滑區(qū)是一個逐漸加載的過程，產(chǎn)生鼓張裂縫。

圖1　復合型滑坡破壞模式Fig.1　Failure mode ofcomplex landslide

總之，滑坡前緣啟動區(qū)受沖刷或開挖變陡造成坡腳附近應(yīng)力集中，坡體應(yīng)力調(diào)整，下部坡體變形滑動，關(guān)鍵阻滑段缺失而對中間主滑區(qū)支撐減弱。中間主滑區(qū)滑帶多是地質(zhì)上已存在的相對軟弱帶(面)，受水軟化而強度降低，承受不了后緣啟動區(qū)逐漸加載產(chǎn)生的下滑力而發(fā)生變形，出現(xiàn)塑性區(qū)。隨著塑性區(qū)的擴大，中間主滑區(qū)向下蠕動，當整個滑動面空間貫通時，滑坡就開始整體滑移。最終，形成前部牽引—后部加載—中部滑帶剪斷貫通—最終整體滑移失穩(wěn)的變形破壞模式，即復合型滑坡破壞模式，見圖1。

3復合型滑坡推力計算

針對復合型滑坡的破壞模式，中間主滑區(qū)是控制整個滑坡的穩(wěn)定性的關(guān)鍵區(qū)，因此，建立合理的物理和力學計算模型對復合型滑坡進行穩(wěn)定性評價及推力計算至關(guān)重要。

3.1復合型滑坡力學計算模型

通過復合型滑坡形成機理研究建立力學計算模型。其滑坡計算模型和條分簡圖見圖2，本文假定各區(qū)之間相互作用條塊數(shù)為2(若為3，4，…，n，計算原理一樣)。

(a)滑坡計算模型(b)滑坡條塊分割圖2 滑坡計算及條塊分割模型Fig.2 Sliceandblocknumberforlandslidecalculation

3.2推力計算公式推導

復合型滑坡演化過程是基于前緣啟動區(qū)、中間主滑區(qū)、后緣啟動區(qū)滑體之間的相互依存關(guān)系，以及3個區(qū)滑體之間的變形不協(xié)調(diào)，具有分期變形過程。因此，對復合型滑坡進行穩(wěn)定性評價和推力計算時，就其變形破壞機理，把滑坡作為整體分析欠妥，應(yīng)對3個不同變形破壞區(qū)相互作用力學特征進行分析。

計算各區(qū)推力時，作以下基本假定： 假定同樣沿滑面取單位寬度計算，不計兩側(cè)摩擦力和滑坡體自身擠壓力，滑動面和破裂面分別按直線計算，整體呈折線滑動，如圖2(b)所示。此處條分法的規(guī)則和原有條分規(guī)則基本一樣，但這里人為規(guī)定在2個區(qū)之間滑體相互作用段兩滑體條分位置相同，相應(yīng)前緣啟動區(qū)滑體的i條塊對應(yīng)中間主滑區(qū)滑體的n+i條塊及中間主滑區(qū)滑體第i條塊對應(yīng)后緣啟動區(qū)m+i條塊(m表示后緣啟動區(qū)與中間主滑區(qū)無相互作用段的條塊數(shù)，n表示中間主滑區(qū)與前緣啟動區(qū)無相互作用段的條塊數(shù)，見圖2(b))， 為便于推力計算推導，這里只考慮重力。

圖3　前緣啟動區(qū)整體受力Fig.3　Overall stress of leading edge start area

3.2.1前緣啟動區(qū)推力計算

由于前緣啟動區(qū)是整

個滑坡的關(guān)鍵阻滑段，對于前緣啟動區(qū)受力，需考慮中間主滑區(qū)對其存在的下滑推力。前緣啟動區(qū)整體受力如圖3，相互作用段條塊受力見圖4。

圖4　前緣啟動區(qū)滑體第i條塊的受力情況Fig.4　Forces on the ith block of sliding body in the leading edge start area

3.2.1.1前緣啟動區(qū)與中間主滑區(qū)相互作用段

前緣啟動區(qū)滑體第1條塊下滑力T1、抗滑力N1和剩余下滑力E1的表達式分別為：

(1)

(2)

(3)

則前緣啟動區(qū)滑體第i條塊下滑力Ti和抗滑力Ni分別為：

(4)

(5)

由圖5可得如下計算公式：

(6)

(7)

圖5　不同區(qū)段間滑體條塊推力傳遞Fig.5　Transmission ofthrust between slidingbody blocks of differentsections

式中：Pn+i為中間主滑區(qū)滑體條塊剩余下滑力(kN)；εi為中間主滑區(qū)滑體條塊和前緣啟動區(qū)滑體條塊剩余推力傳遞因子。

因此前緣啟動區(qū)滑體第i條塊剩余下滑力Ei為

Ei=Gisinαi-

(8)

其中:

(9)

(10)

式中：λi為前緣啟動區(qū)(后緣啟動區(qū)、中間主滑區(qū))滑體內(nèi)條塊傳遞系數(shù)；vi為前緣啟動區(qū)(后緣啟動區(qū))和中間主滑區(qū)滑體間條塊傳遞系數(shù)。

3.2.1.2前緣啟動區(qū)與中間主滑區(qū)無相互作用段

同理計算得到前緣啟動區(qū)滑體第i條塊剩余下滑力Ei為

(11)

3.2.2后緣啟動區(qū)推力計算

在外部地質(zhì)營力作用下，滑坡后部危巖體持續(xù)性地發(fā)生自然崩塌，修建房屋和人類采煤活動導致后緣加載，造成后緣啟動區(qū)豎直向荷載不斷增加。根據(jù)其受力特點，后緣啟動區(qū)整體受力圖見圖6(a)，條塊簡化受力圖見圖6(b)。

圖6 后緣啟動區(qū)整體受力和滑體第i條塊受力分析Fig.6 Overallstressandforcesontheithblockofslidingbodyoftrailingedgestartarea

后緣啟動區(qū)推力計算推導如下。

后緣啟動區(qū)滑體第1條塊下滑力T1、抗滑力Ni和剩余下滑力M1的表達式分別為：

(12)

(13)

(14)

則后緣啟動區(qū)滑體第i條塊下滑力Ti、抗滑力Ni和剩余下滑力Mi的表達式分別為：

Ti=(Gi+Fi)sinγi+Mi-1cos(γi-1-γi) ;

(15)

Ni=[(Gi+Fi)cosγi+

Mi-1sin(γi-1-γi)]tanφi+cili；

(16)

Fi)cosγitanφi]+λiMi-1。

(17)

式中：γi為后緣啟動區(qū)滑體i條塊滑面傾角(°)；Fi為后緣啟動區(qū)滑體i條塊豎向外荷載(kN)。

3.2.3中間主滑區(qū)推力計算

中間主滑區(qū)是復合型滑坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵區(qū)段，前部失去了支撐，后部加載，根據(jù)受力特點，分析中間主滑區(qū)整體受力見圖7，條塊受力圖如圖8。

圖7　中間主滑區(qū)整體受力分析

圖8　中間主滑區(qū)滑體第i條塊的受力情況Fig.8　Forces on the ith block of sliding bodyin the main sliding area

3.2.3.1中間主滑區(qū)與后緣啟動區(qū)(加載作用)相互作用段

中間主滑區(qū)基本假定和前緣啟動區(qū)一致，中間主滑區(qū)滑體第1條塊下滑力T1、抗滑力N1和剩余下滑力P1的表達式分別為：

(18)

(19)

(20)

則中間主滑區(qū)滑體第i條塊下滑力Ti、抗滑力Ni的表達式分別為：

(21)

(22)

因此中間主滑區(qū)滑體第i條塊剩余下滑力Pi為

(23)

其中:

(24)

(25)

(26)

3.2.3.2中間主滑區(qū)與后緣啟動區(qū)無相互作用段

同理計算得到中間主滑區(qū)滑體第i條塊剩余下滑力Pi為

(27)

4工程應(yīng)用

以巴東縣東瀼口鎮(zhèn)東瀼口村寶塔滑坡為例，通過對滑坡的變形特征分析，建立合理的地質(zhì)模型和滑坡推力計算模型來詳細說明上述復合型滑坡推力計算方法的具體應(yīng)用。

4.1滑坡變形特征分析

該滑坡變形主要發(fā)生于滑坡中后部高程540m左右和中前部高程485m左右處?；轮泻蟛?40m高程左右裂縫產(chǎn)生時間為2010年8月，裂縫走向為185°，基本與滑坡主滑方向垂直，縫寬為15cm左右；高程535m左右裂縫產(chǎn)生時間為2012年5月，左右地面傾斜，墻面傾斜,產(chǎn)生裂縫寬10～30cm，走向183°左右；滑坡中前部高程490m拉裂縫產(chǎn)生時間為2010年9月，裂縫走向為180°，縫寬10～12cm；高程485m拉裂縫產(chǎn)生時間為2011年7月，裂縫走向為181°，縫寬20cm左右。形成裂縫總體走向與滑坡主滑方向基本垂直；經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，裂縫分布位置見圖9，圖中與滑坡主滑方向近似垂直的紅色條帶表示裂縫。

圖9　裂縫平面分布Fig.9　Plane distribution of cracks

從滑坡的變形特征來分析：通過對滑坡裂縫的實地調(diào)查，滑坡中后部和中前部裂縫出現(xiàn)的時間較早，滑坡中后部變形增加了其前面滑坡體的下滑力，隨后又對前部滑坡體加載，同時滑坡中前部變形導致關(guān)鍵阻滑段抗滑力降低，穩(wěn)定性降低，呈現(xiàn)復合型滑坡變形破壞的特點。

4.2滑坡計算模型建立及參數(shù)選取

依據(jù)滑坡變形破壞特征分析，結(jié)合滑坡自身工程地質(zhì)特征建立滑坡計算模型簡圖(見圖10)。

圖10　滑坡計算模型Fig.10　Landslide calculation model

經(jīng)對巖土室內(nèi)試驗成果分析及對滑坡具代表性剖面的反演分析，結(jié)合工程經(jīng)驗類比，綜合確定滑體天然重度為20.5kN/m3，飽和重度為22.0kN/m3?；瑤量辜魪姸染C合取值如表1所示。

表1　滑帶土抗剪強度參數(shù)綜合取值

4.3滑坡設(shè)計推力計算

結(jié)合工程地質(zhì)分析，通過計算確定寶塔滑坡3個區(qū)之間存在相互作用力，針對寶塔復合型滑坡采用2種不同的計算情況得到滑坡設(shè)計推力，第1種情況為本文推導公式計算推力，其中后緣啟動區(qū)安全系數(shù)取1.2，中間主滑區(qū)安全系數(shù)取1.0，前緣啟動區(qū)安全系數(shù)取1.15;第2種情況中把滑坡視為一個變形整體，安全系數(shù)取1.15。得到的設(shè)計推力曲線如圖11所示。

圖11　寶塔滑坡推力曲線Fig.11　Curves of thrust of Baota landslide

由推力曲線可以看出，滑坡中間主滑區(qū)存在鎖固效應(yīng)，第1種情況相對第2種情況計算得到的設(shè)計推力有以下優(yōu)點：一方面，在中間主滑區(qū)存在鎖固效應(yīng)的情況下，有效地利用了滑坡自身的阻滑作用，計算得到的設(shè)計推力更小 ，能夠達到既安全又經(jīng)濟的目的；另一方面，針對實際工程中這類變形破壞模式的滑坡，第1種情況計算得到的設(shè)計推力既考慮了前緣啟動區(qū)阻滑段的缺失又考慮了后緣啟動區(qū)的加載效應(yīng)。

5結(jié)論

本文通過對復合型滑坡形成機理研究，建立了合理的地質(zhì)力學模型，提出復合型滑坡推力確定的計算方法。初步得到如下結(jié)論：

(1) 通過研究復合型滑坡變形破壞機理，提出復合型滑坡具有前部牽引—后部加載—中部滑帶剪斷貫通—最終整體滑移失穩(wěn)的變形破壞模式，把復合型滑坡劃分為前緣啟動區(qū)(牽引作用)、中間主滑區(qū)、后緣啟動區(qū)(加載作用)，概化出復合型滑坡的基本地質(zhì)力學模型。

(2) 復合型滑坡中間主滑區(qū)是復合型滑坡穩(wěn)定性評價和計算的重點，中間主滑區(qū)的滑動面對滑坡的產(chǎn)生起著控制作用，其滑動面一旦貫通將發(fā)生整體失穩(wěn)破壞，因此，在地質(zhì)力學模型建立過程中必須考慮其與后緣啟動區(qū)和前緣啟動區(qū)之間的相互作用，即前緣啟動區(qū)關(guān)鍵阻滑段的缺失和后緣啟動區(qū)的加載效應(yīng)。

(3) 在復合型滑坡推力計算過程中，鑒于其變形破壞模式，根據(jù)3個區(qū)段的變形破壞先后，考慮區(qū)段之間的相互作用，對滑坡分區(qū)進行受力分析，分別進行推力計算，從而為復合型滑坡穩(wěn)定性評價和計算提供一種科學的定量確定方法。

(4) 以典型復合型滑坡為實例，分區(qū)采用不同的安全系數(shù)進行控制，通過計算充分說明了推導公式計算得到設(shè)計推力曲線的合理性。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

A Method of Calculating the Thrust of Complex Landslide

TANFu-lin,HUXin-li,ZHANGYu-ming,FANGKun,LIRui

(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Abstract:Complex landslide is the combination of load-caused landslide and retrogressive landslide, with the characteristics of both load-caused landslide and retrogressive landslide. Through research on the formation mechanism of complex landslide, we reveal that complex landslide successively experiences the failure modes of retrogression in the front side, load in the backside, penetration of slip zone in the middle, and finally global sliding instability. Correspondingly, we divide complex landslide into three zones: start area in the leading edge (tractive effect), main slide area in the middle, and start area in the trailing edge (loading effect). According to the failure modes and mechanical characteristics of different areas, as well as the interaction among these areas, we establish a calculation model of geomechanics, and derive the thrust of the three areas in detail. The thrust calculation for different areas should be specific. For the calculation of leading edge start area and trailing edge start area, their interactions with the main sliding area should be considered. And the stability of the main sliding area plays a dominant role in the whole landslide. It is necessary to consider the absence of slide-resistance of the leading edge start area and also the loading effect of the trailing edge start area. Calculation example of a typical complex landslide proves the rationality of the thrust calculation method. This research provides a reference for the prevention and control of complex landslide.

Key words:complex landslide; deformation and failure mode; geomechanical model; calculation of thrust；stress analysis of slices and blocks

收稿日期：2015-03-10；修回日期：2015-04-01

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“973”項目(2011CB710604)；國家自然科學基金項目(41272305)

作者簡介：譚福林(1990-)，男，江西贛州人,碩士研究生，主要從事巖土體穩(wěn)定性評價與模型實驗研究工作，(電話)18064077915 (電子信箱)tanfulin868889@163.com。 通訊作者：胡新麗(1968-)，女，河南許昌人,教授，博士生導師，主要從事巖土工程穩(wěn)定性評價、地質(zhì)災(zāi)害防治科研設(shè)計及教學工作,(電話)13907152610(電子信箱)huxinli@cug.edu.cm。

doi:10.11988/ckyyb.20150169

中圖分類號：P642.2

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)06-0099-06

2016,33(06):99-104