談滑坡勘察中幾個常用參數(shù)及計算方法

2013-11-06 02:55:00趙海峰

山西建筑 2013年9期

趙海峰

(核工業(yè)廣州工程勘察院，廣東廣州 510800)

1 滑坡勘察的特點

滑坡勘察不同于一般建筑的巖土工程勘察，其特點主要有以下幾個方面:

1)重視地質(zhì)環(huán)境條件的調(diào)查，并從條件中尋找滑坡的形成演化過程和主要作用因素;

2)充分認識滑坡的地質(zhì)結(jié)構，從其結(jié)構出發(fā)研究其穩(wěn)定性;

3)重視變形原因的分析，并與外界引發(fā)因素相聯(lián)系，研究主要引發(fā)因素的作用特點與強度(靈敏度);

4)穩(wěn)定性評價和防治工程設計參數(shù)具有不唯一性，常表現(xiàn)為較強的離散性，應根據(jù)滑坡的個體特點與作用因素綜合確定，進行多狀態(tài)的模擬計算;

5)目前尚未研究出具有普適性的穩(wěn)定性計算方法，現(xiàn)有的方法都有較多的假定條件。

2 計算參數(shù)的確定

2.1 C，φ 的關系

滑動面抗剪強度表達式:

τ=σtgφ +C。

當滑帶土處于飽水狀態(tài)C=0:

τ=σtgφ。

從公式可以看出:

1)抗剪強度是隨作用于滑動面上的法向應力的增大而增大;

2)內(nèi)聚力為一常數(shù);

3)內(nèi)摩擦角為一變量。

滑體厚度的大小影響滑動面的抗剪強度。當滑體厚度增大時，內(nèi)摩擦角的作用增大;當滑體厚度減小時，內(nèi)聚力的作用增大。有關文獻將滑體(上覆巖土體)厚度為4 m作為一個界線。

a.滑體厚度小于4 m時，其抗剪強度主要由內(nèi)聚力控制;

b.滑體厚度大于4 m時，其抗剪強度主要由內(nèi)摩擦角控制。

為方便計算，通過抗剪強度相等原則，采用一個定值的綜合內(nèi)摩擦角φo代替內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力。稱似摩擦角或綜合摩擦角。

GB 50330-2002，建筑邊坡工程技術規(guī)范:

φo=arctg(tgφ +2c/rhcosθ)。

TB 10025-2006，鐵路路基支擋結(jié)構設計規(guī)范:

φo=arctg(tgφ +2c/rh)。

注意:

1)當內(nèi)聚力越大時，計算出的側(cè)向巖土壓力“失真”越嚴重;

2)當正應力增大，計算的側(cè)向巖土壓力偏小，則不安全;

3)當正應力減小，計算的側(cè)向巖土壓力偏大，偏于安全。

《建筑邊坡工程技術規(guī)范》中規(guī)定:由于邊坡巖土體的不均一性等，一般情況下，等效內(nèi)摩擦角的計算邊坡高度不宜超過15 m，不得超過25 m。

規(guī)范公式中存在的問題:

抗剪強度相等原則:

τ=σtgφ +C ×L，τ=σtgφo。

則:tgφo=tgφ +C ×L/σ。

其中，正應力σ=G×cosθ。

G=r×h×a/2。

a=cosθ× L。

G=r×h×L×cosθ/2

σ=r×h×L×cos2θ/2。

tgφo=tgφ +C/r× h ×cos2θ/2=tgφ +2C/rhcos2θ。

因0＜cosθ＜1，cosθ＞cos2θ。

規(guī)范推薦公式計算的φo小于推導公式計算的φo，有一安全儲備。

2.2 試驗法(室內(nèi)試驗、原位試驗)

試驗法最大的不足是由于滑帶土的不均勻性導致試驗結(jié)果離散性太大。盡管目前對取樣部位及取樣方法進行了規(guī)定，且試驗盡可能模擬各部位滑坡的受力特征，但仍然難以達到滿意的效果。

2.3 參數(shù)反演法

反演或稱反分析是通過恢復已破壞斜坡的原始狀態(tài)或滑動后滑坡狀態(tài)，在分析其破壞機理的基礎上，建立極限平衡方程，然后反求滑動面的C，φ值。

1)明確反映變形破壞機制;

2)計算步驟盡可能簡化，抓住主要問題，提高適宜性;

3)易于校核;

4)不刻意追求新穎和復雜化。

在進行反演分析時應特別注意以下幾點:

1)應盡可能地模擬滑坡蠕滑時的邊界條件，尤其是地下水位，如果難以做到，則可取勘探時雨季最高地下水位;

2)選擇分析剖面與主滑剖面一致;

3)用作反演分析的理論方法，應與設計用的穩(wěn)定性及推力計算方法一致。

GB 50021-2001(2009年版)巖土工程勘察規(guī)范、JTJ 064-2011公路工程地質(zhì)勘測規(guī)范、TB 10027-2001鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程、DZ/T 0218-2006滑坡防治工程勘查規(guī)范等規(guī)范規(guī)程中對反演法均作了相應的規(guī)定。但在具體計算過程中需注意以下幾個方面:

1)無論是采用恢復已破壞斜坡的原始狀態(tài)或滑動后滑坡狀態(tài)，首先必須明確滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)，并取相應的穩(wěn)定系數(shù)。各種規(guī)范規(guī)程中按滑坡的賦存活動狀態(tài)(正在滑動、暫時穩(wěn)定、穩(wěn)定)給出了一個相應的區(qū)間值，但在取值過程中需考慮滑坡的危害程度，危害程度大取小值，危害程度小取大值。

2)除主滑剖面外需取與主滑剖面平行的不少于一條的計算剖面。

3)假定C值計算φ值或假定φ值計算C值，須注意兩值的對應性，計算中相鄰假定值不能過大。

在反演分析中，滑坡幾何參數(shù)確定后，穩(wěn)定性系數(shù)可根據(jù)滑坡穩(wěn)定狀態(tài)，給定一個值，那么公式中的變量只有C，φ。我們可以用兩個或兩個以上的剖面建立二元一次或高階方程組，聯(lián)立求解方程式可以較為精確地反算出滑帶土的抗剪強度參數(shù)。

2.4 經(jīng)驗法(類比法)

各類規(guī)范、規(guī)程、手冊都給出了較多的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，在應用過程中要注意滑帶土的相似性和不同性。

硬性結(jié)構面:主要由結(jié)構面的幾何形態(tài)、膠結(jié)情況及充填厚度所決定。

1)結(jié)構面起伏較大且較粗糙，內(nèi)摩擦角較大;

2)結(jié)構面如為鈣質(zhì)、鐵質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)，內(nèi)聚力較大;

3)隨著結(jié)構面充填物厚度的增大，結(jié)構面抗剪強度由充填物的抗剪強度來控制。

滑帶土的抗剪強度還與土的礦物成分及粒徑有關。如組成土的礦物成分中高嶺土、伊利石、蒙脫石含量較高，則土的內(nèi)聚力較大，粒徑大，內(nèi)聚力小。

《建筑邊坡工程技術規(guī)范》《工程巖體分級標準》《工程地質(zhì)手冊》等都給出了一些經(jīng)驗公式和數(shù)據(jù)。其中《工程地質(zhì)手冊》中給出了抗剪強度指標與斜坡坡度之間的一個統(tǒng)計資料(見表1)。

表1 滑坡計算參數(shù)匯總表

滑坡計算參數(shù)，包括滑坡巖土和滑動面(滑帶)的物理力學性質(zhì)參數(shù)。在以上研究的基礎上滑坡計算參數(shù)確定的基本思路如圖1所示。

圖1 滑坡計算參數(shù)確定的思路

3 穩(wěn)定性系數(shù)

滑坡穩(wěn)定性研究的主要任務是進行滑體穩(wěn)定性計算，評價目前和穩(wěn)定狀態(tài)和可能的變形發(fā)展趨勢，它是在確定了地質(zhì)模型和物理破壞模式以后，給出合理的數(shù)學概化模型。

滑坡穩(wěn)定性系數(shù):是判斷滑坡穩(wěn)定程度的一個量化值。

滑坡穩(wěn)定性的計算方法大致可分為三類:1)極限平衡法;2)數(shù)值法;3)概率法。

極限平衡分析法是一種定量方法，也是工程上使用最多、最成熟的方法，是目前國內(nèi)有關規(guī)范、規(guī)程采用最多的一種計算方法。

極限平衡假設:當坡體的強度指標降低Fs倍后，坡體內(nèi)存在一達到極限平衡狀態(tài)的滑面，滑體處于臨界狀態(tài)。

條塊剛性假設:對滑體進行剖分后，各條塊為剛性塊體，只發(fā)生整體運動而不產(chǎn)生條塊內(nèi)部的變形。

同樣的力學破壞模式，同樣的力學參數(shù)，采用不同的計算方法，穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果可相差30%。

同種計算方法，同樣的力學參數(shù)，同樣的力學破壞模式，剖分方法的不同，計算結(jié)果相差很大。不同影響因素狀態(tài)下差值也不同。其差值最大可達20%。坡面或滑面越陡，剖分方法的影響越大。

在以下位置應設置滑坡體條塊垂直分界面:

1)滑動面傾角變化點;

2)滑動面物理力學參數(shù)變化點;

3)滑動面與地下水位線相交點;

4)地面線與河流或水體設計水位線的交點;

5)滑坡體重度突變位置;

6)滑坡推力零界位置。

規(guī)范、規(guī)程中采用的計算方法:

1)滑動面為單一的滑面或圓弧形:瑞典條分法或者畢肖普(Bishop)法。

瑞典條分法是將滑動面以上的土體分成n個垂直分條，對作用于各土條上的力進行力或力矩平衡分析。該方法是忽略土條之間和相互作用力的影響。

畢肖普法是假定滑動面是以o為圓心，R為半徑的圓弧，從中任取一土條i為分離體，其分離體的作用力為:土條重引起的法向反力和切向力，并分別作用于底面中心處。根據(jù)靜力平衡條件或極限平衡條件各土條力對圓心進行力矩平衡分析。忽略條間切向力。

2)滑動面為平面(巖質(zhì))滑動時采用平面極限平衡法。

3)滑動面為折線時采用傳遞系數(shù)法(不平衡推力)。

上述計算方法中，瑞典條分法偏于過分安全，畢肖普法和傳遞系數(shù)法誤差較小。

4 傳遞系數(shù)法

4.1 傳遞系數(shù)法顯示解公式

傳遞系數(shù)法是采用投影法建立的一個力的平衡方程。

《巖土工程勘察規(guī)范》《建筑邊坡工程技術規(guī)范》《滑坡防治工程勘察規(guī)范》中采用的是顯示解:

對存在地下水作用時，穩(wěn)定性分析應考慮地下水的作用:

1)水下(浸潤線)部分巖土體重度取浮重度;

2)第i計算條塊巖土體所受的動水壓力Pwi按下式計算:

分子:各條塊抗滑力之和，分母:各條塊下滑力之和。

a.公式是按逐塊投影法進行推導，其數(shù)學邏輯是正確的。按公式可理解為:滑體各條塊下滑力傳遞至最末條塊之剩余下滑力和最末條塊下滑力之和與滑體各條塊抗滑力傳遞至最末條塊之剩余抗滑力和最末條塊抗滑力之和的絕對值之比。但忽略了各條塊之下滑力和抗滑力在傳遞過程中的相互作用關系。

在某一平行于條塊分界面的豎直分界面位置，若滿足條件:剩余下滑力不大于0、靠滑坡前緣一側(cè)條塊下滑力大于0，則該豎直分界面靠滑坡后緣一側(cè)各條塊的下滑力和抗滑力均不再向下傳遞。

b.動水壓力對滑體的穩(wěn)定性是不利的。在動水壓力計算公式中，當?shù)趇計算條塊底面傾角為負值(向下)且絕對值大于第i計算條塊地下水位面傾角時，所產(chǎn)生的動水壓力方向指向上為一抗滑力，這違背了動水壓力性質(zhì)。

4.2 傳遞系數(shù)法隱式解

隱式解中是對滑體下滑力進行折減，經(jīng)多交迭代使滑體末條塊剩余下滑力等于零時的系數(shù)(Fs)即為滑坡穩(wěn)定性系數(shù)。

4.3 傳遞系數(shù)法顯式解和隱式解的關系

1)當穩(wěn)定性系數(shù)小于1.0時，穩(wěn)定性系數(shù)的顯式解小于隱式解;2)當穩(wěn)定性系數(shù)等于1.0時，穩(wěn)定性系數(shù)的顯式解等于隱式解;3)當穩(wěn)定性系數(shù)大于1.0時，穩(wěn)定性系數(shù)的顯式解大于隱式解。