考慮滑帶變形劣化特征的類土質(zhì)滑坡穩(wěn)定性模擬分析

陳志超

（1.福建省地質(zhì)工程勘察院，福建 福州；2.自然資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，福建 福州）

緒論

根據(jù)對金鐘山滑坡的初步勘察，金鐘山滑坡具有較厚的殘坡積土層和全風(fēng)化層，這種土層具有明顯結(jié)構(gòu)性特征，多數(shù)學(xué)者將這類性質(zhì)介于巖質(zhì)和土質(zhì)之間的過渡類型稱為類土質(zhì)[1]。香港地區(qū)將風(fēng)化花崗巖稱為腐巖(Saprolite),“它是指處于全風(fēng)化帶和強風(fēng)化帶中的并保留原有結(jié)構(gòu)的巖土混合體”[2]。

該滑坡是寧德境內(nèi)最大的類土質(zhì)滑坡，可作為福建省內(nèi)類土質(zhì)滑坡的典型代表。僅從規(guī)模和代表性的角度就具備重要的研究價值。坡體經(jīng)過兩次大規(guī)模治理，仍不能保持穩(wěn)定。研究者認為其與滑坡滑帶參數(shù)的選取有著重要關(guān)系，類土質(zhì)滑坡破壞后，其巖土體參數(shù)存在明顯的下降現(xiàn)象，不能以原土體強度參數(shù)代替滑帶參數(shù)進行穩(wěn)定性分析。目前已經(jīng)有較多學(xué)者采用環(huán)剪試驗獲取滑帶參數(shù)[3]，為此，研究擬采用環(huán)剪試驗獲取滑帶參數(shù)，進行滑坡數(shù)值模擬，其最終的治理結(jié)果和思路將為相同類型的滑坡防治研究提供較好的借鑒。因此從地質(zhì)災(zāi)害防治研究的角度出發(fā)，該滑坡也具備重要的研究價值。

1 滑坡概況

1.1 滑坡特征及演化階段

滑坡場地地處丘陵地貌單元，滑坡所在山體整體地形渾圓，山體頂部標高133.92 m，山腳標高48.33 m，高差約85 m，山坡自然坡度約20～35°，植被發(fā)育?；轮行膮^(qū)域內(nèi)分布地層巖性上覆主要為第四系殘積粘性土層（Q4el），下伏為燕山早期第二次侵入中?；◢忛W長巖及其各風(fēng)化層（γδ52（3）b）。

該滑坡（邊坡）共經(jīng)歷4 次主要變化階段：

（1） 初次綜合治理階段：于2010 年8 月份對擬建設(shè)用地原始山坡進行開挖，形成寬約155 m、高度12～28.5 m、坡度約60°的高陡邊坡。于2010 年8 月對該邊坡進行綜合治理支護，在邊坡坡腳設(shè)置長約50 m，厚度約1 m，高約2 m 的毛石砼擋墻。在坡面設(shè)置了預(yù)應(yīng)力為1 000 KN 錨索框架，坡腳與坡頂設(shè)置了截排水措施。期間并未出現(xiàn)任何變形。

（2） 滑坡初次變形階段：2012 年7 月2 日，受降雨影響，邊坡上部山坡處出現(xiàn)一道長約80 m 下錯裂縫，兩個月內(nèi)由最初的0.1 m 錯落到現(xiàn)狀1.5～4.3 m，隨后坡面局部出現(xiàn)數(shù)道走向不一的張拉裂縫，邊坡支護區(qū)域大部分格構(gòu)梁發(fā)生錯斷、推擠變形，坡腳地面局部出現(xiàn)隆起跡象，滑坡形成。

（3） 二次治理階段：2013 年初對滑坡進行綜合治理，治理工程包括在原邊坡坡頂進行卸載并設(shè)置了抗滑樁，樁徑2 m，樁間距4 m，樁頂采用預(yù)應(yīng)力錨索加固。治理完工時間為2013 年12 月，施工完成后期間，滑坡繼續(xù)變形跡象不明顯。

（4） 樁前土再次變形階段：2014 年7 月開始，滑坡抗滑樁前部平臺開始逐漸下錯沉降，樁間部分擋土板發(fā)生斷裂頂出，坡面格構(gòu)梁發(fā)生斷裂，坡腳擋土墻出現(xiàn)開裂等跡象，現(xiàn)今滑坡在每次持續(xù)強降雨過后依然有局部變形破壞跡象發(fā)生。

滑坡演化過程見圖1。

1.2 滑坡變形監(jiān)測

根據(jù)滑坡樁前土監(jiān)測孔C8 和坡腳監(jiān)測孔C11 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)顯示?？够瑯稑肚捌脚_監(jiān)測孔C8，變形主要分為2 個期次。初期變形累計最大位移突變區(qū)間在26 m 附近，為最初滑帶所在位置，表現(xiàn)為剪切變形。0～26 m 區(qū)間表現(xiàn)出傾斜特征，表明滑體呈現(xiàn)出整體連續(xù)變形，滑體完整性遭到破壞。二次變形在2015 年4-10 月期間，測斜孔0～9 m 區(qū)間出現(xiàn)較大變形，推測樁前土在9 m 處出現(xiàn)滑移。估算C8 孔上部累計最大位移量約150～180 mm。

滑坡坡腳C11 監(jiān)測孔，變形分為兩個期次，初期變形最大變形量100 mm，變形突變點位于10 m 附近，變形量約60 mm，滑帶位于19 m 附近，表現(xiàn)為剪切變形。該區(qū)域變形最大時間為2014 年9 月，9 月以前未見監(jiān)測數(shù)據(jù)，2014 年9 月以后變形趨于緩和。二期變形時間在2015 年6-10 月期間，最大累計變形量125 mm。

2 滑坡及滑帶強度參數(shù)分析

前期勘察設(shè)計階段，滑坡體物理力學(xué)參數(shù)主要通過常規(guī)的室內(nèi)直剪試驗進行確定，對于風(fēng)化巖體按規(guī)范取經(jīng)驗值。主要獲取土體天然狀態(tài)（天然工況）及飽和狀態(tài)（強降雨工況）直剪抗剪強度參數(shù)用以條分法滑坡穩(wěn)定分析。最終結(jié)果如表1 所示。為進一步研究滑帶土對滑坡穩(wěn)定性及支護結(jié)構(gòu)的影響，研究通過環(huán)剪試驗，獲取滑帶殘余強度參數(shù)用以替代土體強度參數(shù)。根據(jù)測試成果，滑坡滑帶土的殘余強度參數(shù)見表1。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計

3 模型設(shè)置及工況

為了研究滑坡演化過程的變形特征和變形機理，研究選取了滑坡變形過程中的2 個階段3 個工況狀態(tài)進行數(shù)值模擬分析。工況①選取滑坡初步開挖并施加擋墻和錨索框架的初次綜合治理階段，工況②為施加抗滑樁的二次治理階段。另外，由于滑坡在初期變形階段已發(fā)生滑移，滑帶已經(jīng)形成，為了研究滑帶土對滑坡整體以及滑坡樁前土的影響，在滑坡二次治理階段的模擬中，根據(jù)根據(jù)階段（1）中的滑帶特征及形態(tài)，引入滑帶模塊，設(shè)置了針對的對照的工況③模型。

模型巖土體參數(shù)采用表1 常規(guī)試驗成果，土體主要采用飽和參數(shù)。滑帶參數(shù)采用環(huán)剪試驗得出的殘余強度結(jié)果，彈性模量取20 Mpa、泊松比取0.30。各工況中的抗滑樁、擋土墻采用實體單元，強度采用混凝土參數(shù)。由于篇幅所限僅選取滑坡中部的4-4'主剖面進行2D 建模分析。

4 數(shù)值計算結(jié)果分析

數(shù)值計算結(jié)果主要通過滑坡體模型的X 方向位移變化進行分析。X 方向位移變化主要由于該滑坡體主要進行深部位移監(jiān)測，為方便與監(jiān)測成果進行比較，選取X 方向位移作為參考值。最終分析結(jié)論如下：

4.1 滑坡初期治理階段（工況①）

根據(jù)工況①X 方向位移云圖（見圖2）滑坡中后部應(yīng)變整體分布區(qū)間達到坡面以下20～25 m 處，較推測滑坡滑面偏淺，但整體形態(tài)基本一致?；耎 方向最大位移位于坡腳，位移量約720 mm，坡體中部位移量約300～500 mm，由于該階段未進行滑坡位移監(jiān)測，無法判斷位移準確性，但根據(jù)滑坡變形跡象判斷，整體變形狀態(tài)基本一致?；履Ｐ秃缶壩挥谄履_以上約50 m 位置，與實際滑坡后緣位置基本一致。

圖2 工況①X 方向變形云圖

4.2 滑坡抗滑樁治理階段（工況②、③）

為了研究滑帶對滑坡體后期變形特征的影響，采用未施加滑帶的工況②和施加滑帶的工況③兩種工況進行數(shù)值模擬分析，兩種工況下除了滑帶參數(shù)變化其他各計算參數(shù)均保持一致。

（1） 根據(jù)工況②、③模擬結(jié)果，兩種形式模擬均得出滑坡在抗滑樁施工完成后樁后土體變形量較小，主要變形集中在樁前土，這與1.2 節(jié)中的監(jiān)測結(jié)果一致。由此可知，抗滑樁在滑坡后期起到了一定的阻滑作用，滑坡的后期的失穩(wěn)主要為樁前土的局部變形。

（2） 從變形現(xiàn)象及變形量角度看，根據(jù)兩種工況下滑坡的X 方向變形云圖可知，在未單獨施加滑帶情況下，最大X 方向位移發(fā)生在坡面處，樁前平臺位移約120 mm。工況③考慮滑帶的作用情況下，其在設(shè)置滑帶的位置存在明顯的應(yīng)變，抗滑樁樁前土的變形也延伸至擋墻前方，抗滑樁樁后平臺的X 方向位移達到了160 mm 左右。根據(jù)1.2 節(jié)中對滑坡位移的監(jiān)測結(jié)果，在考慮滑帶的情況下的數(shù)值計算結(jié)果與實際更為接近。另外根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，滑坡在二次治理后期擋墻前方平臺出現(xiàn)明顯變形隆起跡象，因此，工況②模擬結(jié)果與該事實相悖，工況③模型與實際更為相符。從穩(wěn)定性分析角度上看，工況②通過強度折減法計算后的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.13，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但滑坡樁前土已發(fā)生變形，因此與實際情況部分。工況③滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)為0.90，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這與滑坡實際情況相符。綜上所述，工況③模擬成果與實際更相符。

（3） 滑帶的加入使滑坡樁前土變形加大了40 mm，滑坡的整體變形情況受滑帶影響明顯。由此可知，該滑坡滑帶在初次變形后已經(jīng)形成，并對于后期的變形破壞仍存在一定影響。

工況2 X 方向變形云圖和工況3X 位移云圖，見圖3和圖4。

圖3 工況②X 方向變形云圖

圖4 工況③位移云圖

5 結(jié)論

（1） 金鐘山滑坡涉及土石方量約25×104m3?；麦w主要物質(zhì)為殘坡積砂質(zhì)粘性土，具部切穿全風(fēng)化層，屬推移式中層中型土巖混合質(zhì)滑坡。滑坡物質(zhì)具有一定的原巖結(jié)構(gòu)，在原生狀態(tài)及破壞重塑狀態(tài)下具有明顯的強度差異。

（2） 研究采用有限元對滑坡2 個變形階段3個工況進行建模分析，數(shù)值計算結(jié)果與實際變形結(jié)果及變形過程基本一致?；麦w初期變形階段滑坡以整體變形為主，抗滑樁施工完成，以樁前土的局部變形為主。

（3） 滑帶土滑帶土在初次變形后仍對滑坡變形起到一定的影響，主要表現(xiàn)在樁前土變形受滑帶影響，整體加深，并從擋墻前部剪出。