考慮邊坡不同演化階段的巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析

龍賽瓊，陳煥美，蔣文鵬，梁棟才，尹小濤

(1.云南省交通發(fā)展投資有限責(zé)任公司， 云南 昆明 650034; 2.云南大永高速公路有限公司, 云南 大理 671000；3.云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司， 云南 昆明 650200;4.中國(guó)科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071；. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100000)

邊坡與滑坡工程抗剪強(qiáng)度參數(shù)直接影響到巖土體的承載特性，對(duì)工程建設(shè)有著重要意義。目前，獲取巖土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的方法有試驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)法和反演法。室內(nèi)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)法都在一定程度上不能完全符合邊坡工程的實(shí)際狀況。反演法是一種用來(lái)確定邊坡與滑坡工程抗剪強(qiáng)度參數(shù)的有效手段[1]。它在已知穩(wěn)定性系數(shù)及滑面等條件下，反算滑面的巖土抗剪強(qiáng)度參數(shù)。它采用的是以邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)倒推巖土體力學(xué)參數(shù)的邏輯，目前相關(guān)研究已有可觀成果[2]。張新敏等[3]利用廣義楔形法及程序GWEDGEM對(duì)滑帶c和φ值進(jìn)行敏感性分析。孫超偉等[4]基于場(chǎng)變量的有限元強(qiáng)度折減法，借助ABAQUS軟件，建立了一套求解三維均質(zhì)邊坡反分析模型。唐紅波等[5]利用bishop極限平衡理論對(duì)自然破進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。盧坤林等[6]以滑面正應(yīng)力修正三維邊坡穩(wěn)定性分析方法為基礎(chǔ)，建立了確定滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的三維反分析模型。譚萬(wàn)鵬等[7]采用位移反分析方法反演了邊坡巖土體強(qiáng)度參數(shù)。湯羅圣等[8]將數(shù)值模擬與位移監(jiān)測(cè)結(jié)合起來(lái)，并用此方法成功反演了三峽庫(kù)區(qū)某滑坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)。丁德馨等[9]運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，首次提出并建立了圓弧滑動(dòng)智能化算法。羅莉等[10]也采用遺傳算法反演得到了滑坡巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，提出了將強(qiáng)度折減與位移優(yōu)化反分析結(jié)合起來(lái)反演簡(jiǎn)單邊坡體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的方法。朱友誼[11]以點(diǎn)穩(wěn)定性系數(shù)理論為基礎(chǔ)，采用軟件FLAC3D參數(shù)反演得出符合滑坡實(shí)際現(xiàn)狀的滑帶土強(qiáng)度參數(shù)。柳旻等[12]通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)，揭示了工程開(kāi)挖對(duì)通過(guò)影響表面裂縫的大小，進(jìn)一步造成穩(wěn)定性的下降。

研究表明，施工擾動(dòng)會(huì)加劇卸荷變形和坡體軟化變形，巖體軟化后的變形模量下降約80%。開(kāi)挖前的5.56的穩(wěn)定性系數(shù)，在施工擾動(dòng)與地下水共同作用下降至1.96，開(kāi)挖后從2.77 降至1.07[13]。邊坡開(kāi)挖擾動(dòng)，改變了原自然坡的地表狀態(tài)，可能使?jié)撛诓焕浫鯇用媾R空，導(dǎo)致開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性下降；開(kāi)挖后使坡體變陡，產(chǎn)生卸荷變形，坡表一定范圍巖體剛度下降，坡體產(chǎn)生隨節(jié)理裂隙擴(kuò)張，結(jié)合雨水的侵入作用[14]，導(dǎo)致坡體的強(qiáng)度逐漸下降。以往的學(xué)者大多是針對(duì)邊坡或滑坡的某一階段進(jìn)行研究的，忽略了巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的演化過(guò)程，這常常導(dǎo)致邊坡發(fā)生設(shè)計(jì)滿(mǎn)足規(guī)范要求，但實(shí)際上卻在開(kāi)挖過(guò)程中或開(kāi)挖后出現(xiàn)失穩(wěn)的情況。

考慮邊坡不同演化階段的巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析方法是一種考慮施工擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)分析方法，可獲得邊坡不同發(fā)展階段下的巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，得出比試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)更符合實(shí)際情況的巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)衰減規(guī)律，為邊坡主動(dòng)加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)，有效指導(dǎo)邊坡設(shè)計(jì)工作。

1 巖土抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析的前提

根據(jù)反分析計(jì)算的特點(diǎn)，總結(jié)出如下三類(lèi)信息。此三類(lèi)信息是反分析計(jì)算的前提，信息越準(zhǔn)確，反分析得到的結(jié)果越接近真實(shí)情況。

(1) 坡體的穩(wěn)定系數(shù)值。反分析中，滑坡穩(wěn)定系數(shù)取值與滑坡發(fā)育階段有關(guān)。根據(jù)滑坡變形情況，文獻(xiàn)[15-18]已經(jīng)對(duì)滑坡在不同發(fā)育階段的穩(wěn)定性系數(shù)推薦值做過(guò)深入的研究，可以參照表1進(jìn)行選取。本文參照此表取值。

表1 滑坡不同發(fā)育階段穩(wěn)定評(píng)估系數(shù)表

(2) 滑面的確切位置，包括后緣拉裂縫及前緣剪出口?；瑤б罁?jù)鉆孔資料或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定。反分析的計(jì)算剖面根據(jù)地質(zhì)勘察資料確定，剖面應(yīng)為主滑方向。

(3) 滑坡劇滑或變形時(shí)的工況。必須查清劇滑動(dòng)前的雨情、震情、水位升降、斜坡棄土等生成劇滑破壞的外力因素。當(dāng)坡體處于強(qiáng)變形或擠壓變形階段，尚沒(méi)有發(fā)生滑動(dòng)，同樣需要查清造成坡體變形的各種外力因素。

2 考慮邊坡不同演化階段的巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析方法

提出一種基于邊坡演化階段的巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析方法，這種方法主要基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果、工程經(jīng)驗(yàn)、地質(zhì)勘察資料和巖土體抗剪強(qiáng)度的反演分析來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其具體方法如下：首先，對(duì)處于某一階段或某幾個(gè)階段的邊坡(如原始邊坡、開(kāi)挖邊坡、失穩(wěn)后邊坡)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，再結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到巖體強(qiáng)度參數(shù)；其次，根據(jù)地質(zhì)勘察資料建立包括坡形、地層分布和滑動(dòng)面在內(nèi)的計(jì)算模型；最后，通過(guò)不同階段邊坡穩(wěn)定狀態(tài)計(jì)算出處于不同發(fā)展階段邊坡的巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并將之與室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比分析，得到符合不同階段工程實(shí)際情況的巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

2.1 開(kāi)挖邊坡的巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析

開(kāi)挖邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)(或滑坡?tīng)顟B(tài))，穩(wěn)定系數(shù)Fs值比較容易確定。該階段的穩(wěn)定系數(shù)Fs=0.95～1.00，列出極限平衡方程來(lái)反算巖土抗剪強(qiáng)度參數(shù)。因?yàn)閹r體的c值受風(fēng)化影響較大，可先設(shè)定φ進(jìn)行反分析試算。一般說(shuō)來(lái)根據(jù)反分析得到的滑帶c、φ值是一組區(qū)間值，可結(jié)合試驗(yàn)值進(jìn)行確定。

極限平衡法的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)公式如下：

Fs=f(c′、φ′、u、N、W、D、α、βi)

(1)

式中：c′為有效黏聚力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；u為孔隙水壓力；N為土條底部法向力；W為土條自重；D為集中點(diǎn)荷載；α為土條底部?jī)A角；βi為各種幾何參數(shù)。

2.2 失穩(wěn)后邊坡的巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析

失穩(wěn)后邊坡距今時(shí)間最短，能夠進(jìn)行較為準(zhǔn)確的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)勘查。邊坡失穩(wěn)后，巖土體通過(guò)變形調(diào)整到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，所以巖體強(qiáng)度較開(kāi)挖邊坡的巖體強(qiáng)度是有所降低的。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查報(bào)告確定坡體是否有蠕滑變形(Fs=1.0)或完全穩(wěn)定狀態(tài)(Fs=1.01～1.05)。

2.3 自然邊坡的巖土體抗剪強(qiáng)度反分析

自然邊坡?tīng)顟B(tài)距今時(shí)間長(zhǎng)，穩(wěn)定系數(shù)Fs的確定需要涉及到滑坡范圍之外的巖體，所以要在數(shù)據(jù)詳實(shí)的情況下進(jìn)行反分析。應(yīng)在開(kāi)挖邊坡反分析得到的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，參考滑坡范圍之外巖體試驗(yàn)結(jié)果和工程類(lèi)比結(jié)果，確定自然邊坡的巖土體抗剪強(qiáng)度。這個(gè)強(qiáng)度值是工程施工擾動(dòng)之前的初始強(qiáng)度，獲得這個(gè)強(qiáng)度參數(shù)對(duì)于邊坡設(shè)計(jì)中加固時(shí)機(jī)的選擇是十分有益的。

室內(nèi)試驗(yàn)和反演分析求得的巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)應(yīng)邊坡的三個(gè)不同階段，如圖1所示。

圖1 邊坡不同階段的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

3 全強(qiáng)風(fēng)化巖體抗剪強(qiáng)度反分析實(shí)例

以云南某高速公路的2個(gè)工程開(kāi)挖后失穩(wěn)的邊坡為例，建立兩組反分析模型，對(duì)不同階段的邊坡巖體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了反分析。

邊坡所處工程區(qū)域濕熱多雨，巖體風(fēng)化作用強(qiáng)烈、風(fēng)化深度大。邊坡1地表為第四系殘坡積層粉質(zhì)黏土，下伏第三系砂礫巖和白堊系下統(tǒng)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖。邊坡2出露的地層主要有第四系坡殘積層粉質(zhì)黏土、全—強(qiáng)風(fēng)化褐紅色粉砂質(zhì)泥巖。

3.1 邊坡1不同階段巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析

圖2展示了邊坡1的自然坡面、設(shè)計(jì)坡形及目前開(kāi)挖后的邊坡形態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果以及工程經(jīng)驗(yàn)確定不同階段的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)反分析依據(jù)：原始坡面(Fs>1.0)；開(kāi)挖設(shè)計(jì)坡面(Fs<1.0)；失穩(wěn)后坡面(Fs≈1.05)。開(kāi)挖邊坡計(jì)算模型見(jiàn)圖3。計(jì)算中取滑體重度為20 kN/m3。

圖2 不同階段的邊坡形態(tài)

圖3 開(kāi)挖后邊坡計(jì)算模型

滑帶巖體主要為碎石土狀，室外鉆探取樣難以取到，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果偏高?；瑤юぞ哿=10 kPa～30 kPa，內(nèi)摩擦角φ=17°～26°。將不同的參數(shù)組合帶入分析模型中計(jì)算，得到的反分析結(jié)果如下：當(dāng)c=25 kPa，φ=23°時(shí)，開(kāi)挖后坡形下邊坡穩(wěn)定性穩(wěn)定性系數(shù)為0.985，符合邊坡開(kāi)挖過(guò)程中失穩(wěn)的狀態(tài)。

由于無(wú)法準(zhǔn)確確定自然邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，利用開(kāi)挖邊坡模型對(duì)自然邊坡的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行反分析。在將開(kāi)挖邊坡模型向后延伸，在實(shí)際滑面之后30 m設(shè)置另外一個(gè)滑面，采用開(kāi)挖后的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算得到該滑面的穩(wěn)定性系數(shù)為0.945，小于實(shí)際滑面的穩(wěn)定性系數(shù)0.985，實(shí)際情況是坡體沿實(shí)際滑面發(fā)生滑動(dòng)，而后緣滑面基本上保持穩(wěn)定。因此初始地形條件下巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)應(yīng)略大，取c=33 kPa，φ=24°時(shí)，開(kāi)挖后邊坡后緣滑面穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到1.040，如圖4所示，這可看作自然邊坡的初始抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

圖4 自然邊坡巖體初始抗剪強(qiáng)度反分析模型

邊坡開(kāi)挖造成施工擾動(dòng)，導(dǎo)致阻滑段抗滑能力降低，邊坡失穩(wěn)。為確定邊坡失穩(wěn)后滑帶的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，建立失穩(wěn)后邊坡計(jì)算模型如圖5所示。由于邊坡失穩(wěn)后坡體仍處于蠕滑狀態(tài)，其穩(wěn)定性系數(shù)為1.05左右。當(dāng)最危險(xiǎn)滑面穩(wěn)定性系數(shù)為1.054時(shí)，得到滑帶抗剪強(qiáng)度為c=10 kPa，φ=21°，這表明邊坡失穩(wěn)后滑帶的抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步下降，邊坡補(bǔ)救方案不得不面對(duì)這一較低的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

圖5 失穩(wěn)后邊坡計(jì)算模型

3.2 邊坡2不同階段巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析

圖6展示了邊坡2的自然坡面及開(kāi)挖后的邊坡形態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果以及工程經(jīng)驗(yàn)確定邊坡不同階段的穩(wěn)定狀態(tài)反分析依據(jù)：K100+252邊坡剖面存在三種形狀態(tài)，原始坡面(Fs>1.0)，初次開(kāi)挖坡面(Fs<1.0)和二次開(kāi)挖坡面(Fs=0.95)。計(jì)算中取滑體重度為22 kN/m3。

圖6 開(kāi)挖后邊坡計(jì)算模型

首先對(duì)初次開(kāi)挖階段的邊坡巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行反分析，根據(jù)滑坡后的補(bǔ)充勘察結(jié)果，初次開(kāi)挖狀態(tài)下的滑帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)為c=20 kPa，φ=19.8°。初始開(kāi)挖后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)Fs=0.99，這和初次開(kāi)挖后邊坡失穩(wěn)相符合。

滑坡發(fā)生后進(jìn)行二次開(kāi)挖。二次開(kāi)挖完畢，邊坡仍出現(xiàn)了整體變形，說(shuō)明滑帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)在降雨及工程擾動(dòng)下發(fā)生弱化。當(dāng)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)Fs=0.95時(shí)，反分析得到滑帶的強(qiáng)度參數(shù)為c=17 kPa，φ=19°。

為獲取自然邊坡巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，在實(shí)際滑面的后部假定3組滑面，如圖7所示，分別計(jì)算其穩(wěn)定性系數(shù)。采用開(kāi)挖后滑帶的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c=20 kPa，φ=19.8°，發(fā)現(xiàn)滑面2的穩(wěn)定性系數(shù)Fs=0.98(<0.99)，這與邊坡沿實(shí)際滑面發(fā)生滑動(dòng)相矛盾，因此巖體初始抗剪強(qiáng)度參數(shù)應(yīng)略大。當(dāng)滑面2的穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到1.006時(shí)，得到巖體初始抗剪強(qiáng)度參數(shù)為：c=30 kPa，φ=25°，如圖8所示。

圖7 滑坡后緣危險(xiǎn)滑面的搜索

3.3 巖體抗剪強(qiáng)度的演化過(guò)程

巖體抗剪強(qiáng)度演化過(guò)程見(jiàn)圖9。巖體抗剪強(qiáng)度從自然邊坡的初始強(qiáng)度，逐漸過(guò)渡到工程擾動(dòng)后的巖體強(qiáng)度，滑坡發(fā)生后巖體經(jīng)過(guò)變形錯(cuò)動(dòng)，其強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

圖8 后緣強(qiáng)度系數(shù)調(diào)整后的開(kāi)挖邊坡計(jì)算模型

滑坡后滑帶巖土樣本的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果如下，在不同含水率條件下，巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)在c=11 kPa～25 kPa，φ=25°～32°。參考地區(qū)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，此類(lèi)碎石土狀的強(qiáng)度參數(shù)一般在c=9 kPa～12 kPa，φ=23°～26°。反分析得到的滑坡后巖體強(qiáng)度參數(shù)和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，但略低于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果；滑帶巖體主要為碎石土狀，無(wú)法取原狀樣，重塑樣很難反映滑帶巖體實(shí)際情況，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果偏高。為了實(shí)際施工安全考慮，邊坡不同演化階段的巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)應(yīng)主要參照反分析分析結(jié)果，演化過(guò)程見(jiàn)圖9。

圖9 巖體抗剪強(qiáng)度的演化過(guò)程

從巖體抗剪強(qiáng)度演化曲線可以看出，巖體在工程擾動(dòng)后強(qiáng)度下降，c下降幅度在20.0%～24.2%，φ下降幅度在4.2%～33.0%，原因在于泥質(zhì)粉砂巖和泥巖的粘粒和親水礦物含量高，工程擾動(dòng)后邊坡臨空變形導(dǎo)致裂隙擴(kuò)張，在剪切變形過(guò)程中親水礦物吸水膨脹使得結(jié)構(gòu)變得松散，這導(dǎo)致按初始巖體強(qiáng)度設(shè)計(jì)能保持穩(wěn)定的邊坡在開(kāi)挖后失穩(wěn)，滑坡后巖體抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步下降，這是由于滑坡造成的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致滑帶巖體含水量增大，表現(xiàn)出泥化效應(yīng)，和初始強(qiáng)度相比，下降幅度分別達(dá)到33.3%～43.3%和24.0%～58.3%。巖體的地質(zhì)成因、顆粒成分、礦物成分是導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度在不同邊坡階段大幅下降的內(nèi)因，外因則是工程擾動(dòng)等不利作用。針對(duì)受工程擾動(dòng)影響大的巖體，邊坡設(shè)計(jì)和施工中必須抓住有利時(shí)機(jī)，采取“主動(dòng)加固”設(shè)計(jì)理念：預(yù)先加固、及時(shí)加固，避免工程擾動(dòng)后巖體抗剪強(qiáng)度大幅下降，以致邊坡失穩(wěn)，再采取補(bǔ)救措施的不利后果。

4 結(jié) 論

(1) 針對(duì)目前巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析方法中未考慮施工擾動(dòng)和邊坡全施工周期巖土體抗剪強(qiáng)度衰減的情況，提出了考慮邊坡不同演化階段的巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析方法。

(2) 通過(guò)兩個(gè)工程實(shí)例的計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，得出本文提出的反分析方法符合實(shí)際情況：巖土體抗剪強(qiáng)度受施工擾動(dòng)影響發(fā)生衰減，這導(dǎo)致按勘察階段確定的巖土體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)的邊坡在開(kāi)挖后失穩(wěn)，邊坡失穩(wěn)后巖土體抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步下降，這給邊坡補(bǔ)救設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大困難。

(3) 基于邊坡不同演化階段的巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)反分析結(jié)果，開(kāi)挖擾動(dòng)造成的巖土體抗剪強(qiáng)度衰減是不能忽略的，為更好利用巖土體初始抗剪強(qiáng)度，對(duì)開(kāi)挖擾動(dòng)后易造成巖土體抗剪強(qiáng)度大幅下降的泥質(zhì)粉砂巖和泥巖，建議采取主動(dòng)加固設(shè)計(jì)理念，以保證邊坡安全并節(jié)約工程造價(jià)。