梅州某殘積土滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法研究

姚 勇，穆 鵬

(1.嘉應(yīng)學(xué)院 土木工程學(xué)院，廣東 梅州 514015;2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

梅州某殘積土滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法研究

姚 勇1，穆 鵬2

(1.嘉應(yīng)學(xué)院 土木工程學(xué)院，廣東 梅州 514015;2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

殘積土;鐵路滑坡;穩(wěn)定性;四元聯(lián)系數(shù);梅州

梅州地區(qū)花崗巖殘積土分布廣泛，花崗巖殘積土滑坡是威脅鐵路安全的主要地質(zhì)災(zāi)害，滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法歷來是工程地質(zhì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。針對(duì)這一熱點(diǎn)問題，以梅州某鐵路殘積土滑坡為例，建立穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型，旨在為滑坡研究和治理提供相應(yīng)的參考和借鑒，完善和發(fā)展滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。對(duì)該滑坡的土體進(jìn)行了直接快速剪切試驗(yàn)，獲得其強(qiáng)度指標(biāo)，殘積土試樣浸水后抗剪強(qiáng)度降低，主要是黏聚力的減小，內(nèi)摩擦角降幅并不大。在詳細(xì)介紹四元聯(lián)系數(shù)原理及計(jì)算的基礎(chǔ)上，建立殘積土滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型，并應(yīng)用該模型對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果為不穩(wěn)定，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果及折線法的計(jì)算結(jié)果基本吻合。

廣東省花崗巖分布范圍廣，分布面積占全省面積的40%左右。在粵北、粵西北及粵東地區(qū)，花崗巖節(jié)理發(fā)育，易風(fēng)化形成很厚的紅色風(fēng)化殼，即花崗巖殘積土。花崗巖殘積土邊坡是工程活動(dòng)中常見的地質(zhì)體，其失穩(wěn)成災(zāi)是鐵路、公路等工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的廣泛而嚴(yán)重的工程地質(zhì)問題。

不論是天然斜坡還是人工邊坡其影響因素都是多樣化的，具有模糊性和不確定性。在各種天然因素和人類活動(dòng)的影響下，斜坡一直處于動(dòng)態(tài)變化過程中，受時(shí)間、空間等因素的制約［1］。這些因素具有明顯的模糊性和不確定性，難以用精確的數(shù)量來表達(dá)，針對(duì)這一特征筆者以梅州市某鐵路滑坡為例建立基于四元聯(lián)系數(shù)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型，先對(duì)殘積土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)應(yīng)用建立的模型對(duì)其進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

1 花崗巖殘積土試驗(yàn)

試驗(yàn)土樣取自梅州市大埔縣某鐵路花崗巖殘積土滑坡，結(jié)合邊坡工程地質(zhì)鉆探進(jìn)行試驗(yàn)取樣，土樣1取自滑坡體，土樣2取自滑動(dòng)帶，每個(gè)土樣各取6盒試樣，按規(guī)定進(jìn)行蠟封。土樣基本物理性質(zhì)的測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 土樣的基本物理性質(zhì)

對(duì)土樣進(jìn)行直接快速剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器為ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，垂直壓力分別為100、200、300和400 kPa，快剪試驗(yàn)分別進(jìn)行了天然含水量狀態(tài)和浸水飽和后24 h的試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

表2表明花崗巖殘積土在浸水后抗剪強(qiáng)度明顯降低，主要是黏聚力減小，內(nèi)摩擦角降幅并不大。因此，降雨對(duì)花崗巖殘積土邊坡的穩(wěn)定性影響較大，在梅州地區(qū)邊坡失穩(wěn)及滑坡的主要誘發(fā)因素為強(qiáng)降雨。

2 花崗巖殘積土邊坡穩(wěn)定性模型

2.1 四元聯(lián)系數(shù)原理及計(jì)算

多元聯(lián)系數(shù)是根據(jù)同異反聯(lián)系數(shù)U=A+Bi+Cj在Bi項(xiàng)上的展開式U=A+B1i1+B2i2+…+Bnin+Cj而得到的一種具有層次結(jié)構(gòu)的函數(shù)［2－4］。取n=2，得四元聯(lián)系數(shù)U=A+B1i1+B2i2+Cj，為了應(yīng)用上的方便，四元聯(lián)系數(shù)又常改寫成U=A+Bi+Cj+Dk。

四元聯(lián)系數(shù)的首項(xiàng)不帶系數(shù)(即其系數(shù)為+1)，因此該項(xiàng)始終為正值;其余各項(xiàng)的系數(shù)則視不同情況在［－1，1］區(qū)間取不同的值，取值原則分別有比例取值、鄰近取值、均分取值。

設(shè)穩(wěn)定性的評(píng)估指標(biāo)有n項(xiàng)，根據(jù)文獻(xiàn)［3］，單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的四元聯(lián)系數(shù)的計(jì)算式為

式中:v1、v2、v3分別為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的門限值;x為評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值。

當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)(如坡高、坡度等)取值越大、邊坡越不穩(wěn)定時(shí)，

2.2 花崗巖殘積土滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)公式

花崗巖殘積土邊坡穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)公式為

式中:W為權(quán)系數(shù)向量;R為同異反多元測(cè)量評(píng)價(jià)矩陣;E為聯(lián)按式(1)確定四元聯(lián)系數(shù);當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)(如抗剪強(qiáng)度指標(biāo))越小邊坡越不穩(wěn)定時(shí)，按式(2)確定四元聯(lián)系數(shù)。系分量系統(tǒng)矩陣［5］。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定與分級(jí)

花崗巖殘積土邊坡的穩(wěn)定性受多種因素的影響，必須考慮殘積土的工程性質(zhì)及其構(gòu)造特征，根據(jù)其形成條件選取具有一定普遍性和客觀實(shí)際性的災(zāi)害因子，包括坡高、邊坡坡角、天然容重、土的內(nèi)摩擦角、土的黏聚力、地震烈度，其分級(jí)情況見表3。需要強(qiáng)調(diào)的是天然容重按加權(quán)平均的方法得出平均值;當(dāng)存在明顯滑動(dòng)帶時(shí)，土的內(nèi)摩擦角和黏聚力應(yīng)該取滑動(dòng)帶土樣的試驗(yàn)值，無明顯滑動(dòng)帶時(shí)取各土層的加權(quán)平均值。

表3 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

由于各個(gè)因素在滑坡形成中的重要性有所不同，每一因素有一個(gè)相應(yīng)的權(quán)系數(shù)(權(quán)重)，各評(píng)價(jià)因子權(quán)重的取值是將20份專家打分表的結(jié)果平均得來，因此充分考慮了工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和主觀能動(dòng)性。

2.4 計(jì)算步驟

第一步，將殘積土滑坡穩(wěn)定性劃分為四級(jí)即穩(wěn)定、較穩(wěn)定、基本穩(wěn)定和不穩(wěn)定，其中a、b、c、d分別表示穩(wěn)定、較穩(wěn)定、基本穩(wěn)定和不穩(wěn)定的測(cè)度。各評(píng)價(jià)指標(biāo)的四元聯(lián)系數(shù)通過式(1)來確定。

第二步，通過式(2)來確定滑坡穩(wěn)定性的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果四元聯(lián)系數(shù)u。

第三步，根據(jù)均分原則確定四元聯(lián)系數(shù)的聯(lián)系分量取值并計(jì)算各評(píng)價(jià)因子的聯(lián)系數(shù)值。

均分原則是指i與j的取值應(yīng)位于［－1，1］區(qū)間的兩個(gè)三等分處，由于［－1，1］區(qū)間長(zhǎng)度為2，三等分該區(qū)間，則得三個(gè)子區(qū)間［－1，－0.333］、［－0.333，0.333］、［0.333，1］，也就是說i=0.333，j= －0.333，k= －1。

第四步，根據(jù)均分原則確定穩(wěn)定、較穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、不穩(wěn)定的聯(lián)系數(shù)值范圍，最后根據(jù)評(píng)價(jià)值所屬的區(qū)間確定穩(wěn)定性。將［－1，1］區(qū)間均分成4 個(gè)子區(qū)間，即［0.5，1］、［0，0.5］、［－0.5，0］、［－1，－0.5］，它們分別對(duì)應(yīng)于穩(wěn)定、較穩(wěn)定、基本穩(wěn)定和不穩(wěn)定4個(gè)等級(jí)。

3 工程實(shí)例

梅州市大埔縣位于廣東省東北部，韓江中上游，是花崗巖風(fēng)化土分布比較典型的地區(qū)，且多降雨，受臺(tái)風(fēng)影響較強(qiáng)，歷來是滑坡等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)和易發(fā)區(qū)，其中以花崗巖殘積土和風(fēng)化土滑坡類型為主。

以梅州某鐵路滑坡為例，該滑坡體處于低山丘陵區(qū)，地形相對(duì)高差大，前緣坡度較大，有向鐵路側(cè)山谷滑動(dòng)的趨勢(shì)。據(jù)鉆探資料，該滑坡有明顯滑帶，位于殘積土與強(qiáng)風(fēng)化花崗巖結(jié)合部，滑動(dòng)帶有多次剪切破壞的特征，厚0.6～0.9 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及地質(zhì)勘探資料確定該滑坡的相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。

表4 滑坡穩(wěn)定性主要影響因素實(shí)測(cè)值

根據(jù)式(1)及式(2)得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的四元聯(lián)系數(shù)分別為:u1=0+0.45i+0.53j+0.02k;u2=0+0i+0j+1k;u3=0+0i+0j+1k;u4=0+0i+0j+1k;u5=0+0i+0j+1k;u6=0+0.53i+0.47j+0k。

根據(jù)式(3)得

按均分原則將i=0.333、j= －0.333、k= －1 帶入u，得u=－0.76，在區(qū)間［－1，－0.5］內(nèi)，故該滑坡對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性等級(jí)為不穩(wěn)定。

為了驗(yàn)證該方法的可行性和準(zhǔn)確性，利用折線法對(duì)該滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，強(qiáng)度指標(biāo)取滑帶土的試驗(yàn)值，天然容重取加權(quán)平均值，在天然工況下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.01，在降雨條件下的穩(wěn)定性系數(shù)為0.97(主要考慮強(qiáng)度指標(biāo)的降低)。與本文所用方法的計(jì)算結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)語

(1)分別對(duì)天然狀態(tài)和飽和含水24 h后的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，得到滑坡體和滑帶的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。殘積土試樣浸水后抗剪強(qiáng)度降低，主要是黏聚力的減小，內(nèi)摩擦角降幅并不大。

(2)建立基于四元聯(lián)系數(shù)的殘積土滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型，選取具有一定普遍性和客觀實(shí)際性的災(zāi)害因子為評(píng)價(jià)因子，利用專家打分來確定權(quán)重，因此充分考慮了工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和主觀能動(dòng)性。

(3)利用該模型對(duì)梅州某鐵路滑坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，結(jié)果為不穩(wěn)定，與折線法的結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了該方法的可行性和準(zhǔn)確性。

［1］王念秦，羅東海，姚勇.鐵路黃土高邊坡變形破壞機(jī)理及穩(wěn)定性研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(7):10－14.

［2］余國(guó)祥.對(duì)聯(lián)系數(shù)中的不確定數(shù)i的研究［J］.遼寧師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，25(4):349 －356.

［3］鄧朝賢，金菊良，王宗志，等.基于模糊四元聯(lián)系數(shù)的防洪工程體系安全綜合評(píng)價(jià)模型［J］.災(zāi)害學(xué)，2008，23(3):41－43.

［4］郭瑞林，陳觀臣.品種區(qū)試的四元聯(lián)系數(shù)多因素態(tài)勢(shì)排序分析法［J］.農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究，2003，19(3):218－222.

［5］余國(guó)祥.綜合評(píng)價(jià)的多元聯(lián)系數(shù)模型及應(yīng)用［J］.紹興文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，24(9):99 －10.

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1000－0941(2012)10－0053－03

梅州市科學(xué)技術(shù)局、嘉應(yīng)學(xué)院聯(lián)合自然科學(xué)育苗工程項(xiàng)目(2011KJM05)

姚勇(1984—)，男，湖南望城縣人，助教，碩士，主要從事土木工程與地質(zhì)工程方面的教學(xué)與科研工作。

2012－01－21

(責(zé)任編輯 孫占鋒)