水力及地震荷載耦合作用下基覆滑坡強度特性研究

楊文軒 陳瑩

淺層基覆滑坡的穩(wěn)定性受水及動荷載作用顯著，通過對西南某公路橋梁工程所穿越的基覆滑坡進行水力及地震荷載作用下的滑坡力學(xué)響應(yīng)開展研究，采用條分法定量地對該滑坡在水力、地震荷載及耦合作用下進行穩(wěn)定性分析。研究結(jié)果表明：滑坡體在持續(xù)性降雨或暴雨條件下，坡體處于長期飽和狀態(tài)，坡體穩(wěn)定系數(shù)為1.03，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；滑坡在地震荷載作用下，坡體穩(wěn)定系數(shù)為0.89，坡體不穩(wěn)定；在水力飽和作用及地震荷載耦合作用下，穩(wěn)定系數(shù)降低到0.79，坡體處于更不穩(wěn)定狀態(tài)。對于淺層的基覆滑坡，地震及水力的耦合作用相較于單純的持續(xù)性降雨的狀況，更容易誘發(fā)坡體的滑動，產(chǎn)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

水力與地震； 耦合； 滑坡； 強度

P642.22 A

［定稿日期］2022-07-19

［作者簡介］楊文軒（1990—），男，碩士，工程師，主要從事道路路基路面設(shè)計工作；陳瑩（1986—），女，本科，助理工程師，主要從事鐵路路基設(shè)計工作。

某在建公路位于簡陽市老君井鄉(xiāng)石堰村，其線路穿越該地區(qū)的斜坡上存在一不穩(wěn)定崩坡積體，其里程樁號為： K11+800～K11+860，路線設(shè)計以橋梁形式橫跨坡體中前部通過。由于該地區(qū)屬于位于四川盆地內(nèi)，雖然遠離盆地邊緣的地震帶，但是受到地震作用的影響較明顯，加之降雨量較為豐沛，雨水加上地震動荷載的聯(lián)合作用，對于該公路橋梁的安全性勢必造成不良影響，如遭遇極端暴雨及地震的影響，極有可能造成公路橋梁的損毀及人員的傷亡［1-3］。研究者針對基覆滑坡穩(wěn)定性進行了大量的研究［4-8］，并取得較大的進展，但是多集中于水體作用對滑坡穩(wěn)定性的研究，對于淺層的基覆滑坡在水力及動荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)尚且不足。本文以該滑坡工程的基本巖性賦存特征及所可能遭遇的不利工況為基礎(chǔ)，采用條分法對該滑坡進行理論分析，并提出有效預(yù)防滑坡破壞的措施，對保證線路橋梁的安全及周邊人員生命財產(chǎn)安全具有重要意義。

1 工程概況

1.1 工程基本概況

該不穩(wěn)定坡體基本呈“簸箕”狀，前寬后窄，后緣陡坎高度約1～2 m，滑坡沿坡體滑動方向長約60 m，橫向最長約75 m，滑體最大埋深厚度約7.00 m，滑坡體的總方量約23 000 m3，為小型淺層滑坡?；律襟w坡度約30°，滑坡體上部山體植被發(fā)育，滑坡的剪出口位于斜坡下部。該滑坡工程地質(zhì)勘察采用了1∶2000的工程地質(zhì)繪制，涵蓋面積0.038 km2。本次布設(shè)鉆孔3個，各孔進尺約15.50 m，取擾動樣2件，巖樣2件，利用橋孔1個。

1.2 坡體工程地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)勘察，及野外鉆孔揭露，確定該坡體存在滑動面，且該滑動面為巖土分界面的基覆滑坡。該坡體主要覆蓋層為粉質(zhì)黏土（Q4c+dl），褐紅色?；矌r性為強、中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，褐紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄-中厚層狀構(gòu)造，附近基巖露頭，量測產(chǎn)狀為156°∠12°坡體巖層巖性如表1所示。

滑坡體地下水主要為基巖裂隙水，勘察期間在滑坡鉆孔揭露地下水埋深14.80 m?；w地下水主要接受上部松散巖類孔隙水和大氣降水補給。

該滑坡屬于小型淺層滑坡，主要是第四系殘坡積覆蓋層及基巖面產(chǎn)生活動?；聞菽苡兴陆?，滑坡表層植被多為雜草、灌木，植被較發(fā)育，滑坡體無明顯的裂縫，為古滑坡體，但滑坡在強降雨及周邊頻繁的地震動荷載作用等不利因素影響下，穩(wěn)定性降低；另一方面砂質(zhì)泥巖遇水易軟化的特點，會大幅降低了坡體的抗剪強度，可能誘發(fā)再次滑動（表1）。

1.3 場地地質(zhì)構(gòu)造及地震概況

據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，經(jīng)1∶2000工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探成果，場區(qū)未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造通過，主要表現(xiàn)為產(chǎn)狀156°∠12°的單斜構(gòu)造。根據(jù)國家地震局2015年發(fā)布的1/400萬GB 18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，項目區(qū)地震動反應(yīng)頻譜特征周期為0.45 s，地震動峰值加速度為0.10g，地震基本烈度為Ⅶ度。同時，依據(jù)JTGB02—2013《公路工程抗震規(guī)范》，須進行抗震設(shè)防。

2 滑坡穩(wěn)定性分析

2.1 穩(wěn)定性分析理論

滑坡體屬于淺層基覆滑坡，根據(jù)勘察及鉆孔數(shù)據(jù)顯示，滑動面即為覆蓋層與基巖的交界面。為了分析不同工況下滑坡體的穩(wěn)定性，本研究采用GB 50021-2001（2009版）《巖土工程勘察規(guī)范》（以下簡稱為《規(guī)范》）［9］推薦的條分法公式對滑坡的穩(wěn)定性進行驗算。將滑坡體分成9個條塊進行計算，從上往下依次編號為1～9，見圖1。

2.1.1 滑坡穩(wěn)定性評價標準

根據(jù)工程經(jīng)驗及工程重要性，并依據(jù)JTGD 30-2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》［10］的標準要求，本研究將滑坡穩(wěn)定系數(shù)劃分為4個區(qū)間：當穩(wěn)定系數(shù)K≥1.20為穩(wěn)定，1.20＞K≥1.10基本穩(wěn)定，1.10＞K≥1.0為欠穩(wěn)定，K＜1.0為不穩(wěn)定。

2.1.2 滑坡穩(wěn)定性計算理論

本研究的滑坡選用滑體的土的容重（γ）和滑動面（帶）土的粘聚力（c）和內(nèi)摩擦角（φ）等參數(shù)作為計算分析指標。根據(jù)《規(guī)范》［9］推薦的滑坡穩(wěn)定性計算公式，計算滑體的穩(wěn)定性。

K=∑n-1i=1Ri∏n-1i=1Ψj+Rn∑n-1i=1Ti∏n-1j=1Ψj+Tn

式中：K為穩(wěn)定系數(shù)；Ti為作用于第i塊滑面上的滑動分力（kN/m），出現(xiàn)與滑動面方向相反的滑動分力時，Ti取負值；Ti=Wisinαi；Ri為作用于第i段的抗滑力（kN/m）；Ri=Wicosαitanφi+cili；Ψi為第i塊段的剩余下滑力傳遞至第i+1塊時的傳遞系數(shù)（j＝i）。

Ψi=cos（αi-αi+1）-sin（αi-αi+1）-tanφi+1

∏n-1j=1Ψi·Ψi+1·Ψi+2……Ψn-1

式中：li為第i條塊滑面長度（m）；αi為第i條塊滑面傾角（°）；ci為第i條塊滑體的粘聚力標準值（kPa）；φi為第i條塊滑體的內(nèi)摩擦角標準值（°）。

2.1.3 不同工況下的理論計算

為了有效探索降水、動荷載及其組合對滑坡體的穩(wěn)定性的影響，本研究設(shè)置了4種工況：天然狀態(tài)、暴雨（土體飽和）狀態(tài)、天然滑體地震動荷載狀態(tài)以及暴雨地震動荷載組合狀態(tài)。根據(jù)滑體穩(wěn)定性計算所選取的參數(shù)，天然狀態(tài)選取土體重度為天然重度，暴雨狀態(tài)則選取土體為飽和重度，地震動荷載的峰值加速度為0.10g。根據(jù)工程勘察及取樣測試結(jié)果，本研究的4種工況物理力學(xué)的獲取參數(shù)見表2。

2.2 不同工況結(jié)果分析

2.2.1 滑體條塊下滑力及抗滑力結(jié)果及分析

根據(jù)2.1.3節(jié)中所設(shè)定的4種工況，基于現(xiàn)場獲取的巖土體巖性物理力學(xué)參數(shù)，將該滑坡劃分成9塊土體進行單元計算，通過理論計算分析。獲得9塊土體在4種工況下所的剩余下滑力（圖2）以及剩余抗滑力（圖3）。

由圖2可知，4種工況下，總體表現(xiàn)出減小的趨勢，在第4條塊上出現(xiàn)突變，表明暴雨、地震及其耦合作用并未對土體條塊剩余下滑力的整體衰減趨勢產(chǎn)生明顯的影響。此外，暴雨、地震動荷載對土體下滑力有明顯的放大作用，特別是1～4條塊的放大作用明顯，而5～9條塊則趨近于相等。而不同工況的放大次序依次為：暴雨地震組合>地震工況>暴雨工況>天然狀態(tài)工況。其本質(zhì)原因是地震動荷載的作用相對強烈，坡體整體重量較大，從而整體慣性力大，因此在地震波作用下，坡體就會向臨空面產(chǎn)生位移。此外，由于暴雨或者長期降水的作用，使得坡體處于近似于飽和的狀態(tài)，坡體的整體重度增加；同時，由于土體飽和，土顆粒間的弱結(jié)合水層被自由水充填其中，削弱了土體的粘結(jié)力，從表觀上反映出來的就是土體的抗剪強度大幅降低。

由于該滑坡是基覆滑坡，其滑動面為土巖交界面，水體的下滲使得土體與巖面形成一層水膜，進而降低了坡體滑動的啟動力。因此，暴雨加上地震的最不利耦合作用或者地震動荷載作用下，坡體是最不穩(wěn)定的，極易發(fā)生滑動，其次是持續(xù)性的降雨或暴雨，其弱化坡體的穩(wěn)定性作用明顯，處于臨近滑動的不利狀態(tài)。

由圖3可知，4種工況下坡體抗滑力整體變化趨勢相近，出現(xiàn)明顯的塊體抗滑強度穩(wěn)定段，而暴雨及地震的作用在1～3條塊上表現(xiàn)出一定的弱化抗滑力的作用，而在4～8條塊上保持相對穩(wěn)定的抗滑強度。土體的抗滑強度主要受到雨水的作用，使得土體重度增加，抗剪強度弱化的影響，以及地震載荷的擾動。

2.2.2 滑體穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果及分析

為了研究不同影響因素對滑坡體的穩(wěn)定性的影響，本研究將對滑坡體在4種工況下所獲地的最終剩余下滑力、剩余抗滑力進行整理，以天然狀態(tài)下的坡體作為對比研究的標準，將暴雨、地震及其兩者耦合作用下的3種工況進行下滑力增加比、抗滑力減小比以及穩(wěn)定性系數(shù)分析，分析結(jié)果見表3。

由表3可見，暴雨作用、天然狀態(tài)耦合地震動荷載作用、暴雨地震作用導(dǎo)致坡體整體下滑力增加比為6%、28%、34%，而抗滑力減小比則只有7%、2%、9%。顯然，3種不利工況對于弱化坡體，增加坡體下滑力作用明顯，而對與坡體抗滑力的弱化作用相對較小。暴雨使得土體趨近于飽和，衰減其抗剪強度，而地震則是在于地震動作用與重量較大的坡體，使得其慣性力作用下導(dǎo)致坡體位移，因而地震動對坡體的下滑力增加是最大的，其次是暴雨工況。而坡體抗滑力的衰減主要是由于抗剪強度的降低，因此，降雨成為主要影響因素，地震作用相比之下較低。由圖4可知，暴雨、地震作用使得坡體的穩(wěn)定性系數(shù)分別為：1.03、0.89，而暴雨地震的耦合作用下則降低到0.79?？梢姷卣饘ζ麦w的穩(wěn)定性影響最大，極易造成坡體的滑動，使得坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，持續(xù)性的降水及暴雨則大幅弱化坡體的穩(wěn)定性，使其處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。而最不利的暴雨及動荷載作用下，坡體將會產(chǎn)生破話滑動。

3 結(jié)論及措施

基于現(xiàn)場工程滑坡的物理力學(xué)參數(shù)，通過對滑坡體的4種工況進行理論分析，地震動荷載對該類基覆滑坡的影響最大，其次是暴雨或持續(xù)性降水。而暴雨及地震動的最不利耦合工況下，勢必導(dǎo)致滑坡的破壞?；略谔烊粻顟B(tài)、暴雨狀態(tài)、天然土體地震狀態(tài)及暴雨地震狀態(tài)下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為：1.17、1.03、0.89、0.79。為了有效保證坡體的安全，針對該滑坡可能面對的不利工況，提出治理措施：在橋墩的右側(cè)合適位置設(shè)計數(shù)排抗滑樁，清除表層松散土體，特別是上層土體宜進行削坡處理，降低坡體上部的荷載。在坡口剪出口進行擋墻支護。加強坡面防護及截排水措施，減少坡體受到水弱化土體的影響。同時，建立滑坡的動態(tài)監(jiān)測預(yù)警，實時監(jiān)測滑坡的變化。

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