多級(jí)滑坡相互作用機(jī)理及穩(wěn)定性分析

張永康

（中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

多級(jí)滑坡相互作用機(jī)理及穩(wěn)定性分析

張永康

（中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

通常一個(gè)大型滑坡常常不是單一的一塊，多可以被分成幾級(jí)或幾塊，某一級(jí)的變形會(huì)不同程度地影響到與其毗鄰的級(jí)的穩(wěn)定。有時(shí)，這一級(jí)的滑動(dòng)還會(huì)對(duì)周邊坡體造成一定的破壞。對(duì)多級(jí)相互滑坡的作用機(jī)理進(jìn)行了較為深入的分析，提出考慮多級(jí)滑坡相互作用的穩(wěn)定性分析方法，最后通過算例分析，表明對(duì)于多級(jí)滑坡互交疊的情況，在進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性分析時(shí)，若不考慮各級(jí)滑坡的相互影響，很有可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏于不安全。

多級(jí)滑坡；作用機(jī)理；穩(wěn)定性

1　引言

《滑坡學(xué)與滑坡防治技術(shù)》（王恭先、徐峻齡等，2004）一書中曾指出：“大凡一個(gè)大型滑坡常常不是單一的一塊，多可以被分成幾級(jí)或幾塊（前者更為常見），在某一級(jí)上進(jìn)行工程活動(dòng)（如開挖或加載）不僅會(huì)破壞這一級(jí)的穩(wěn)定，這一級(jí)的失穩(wěn)也會(huì)不同程度地影響到與其毗鄰的級(jí)的穩(wěn)定。有時(shí)，滑坡體的滑動(dòng)還會(huì)對(duì)周邊坡體造成一定的破壞，譬如：南昆線的八渡滑坡，修筑站場(chǎng)的開挖部位恰是中級(jí)滑坡的前緣，在這一部位開挖對(duì)中級(jí)滑坡顯然是不利的，挖去了其支撐部位的巖體，中級(jí)滑坡復(fù)活乃是情理中事，對(duì)下級(jí)滑坡本不應(yīng)產(chǎn)生什么影響，起初下級(jí)滑坡也確實(shí)沒有復(fù)活，但是，由于大量棄土堆積在下級(jí)滑坡上和施工過程中大量地表水的下滲，再兼罕見的暴雨，可造成巨大危險(xiǎn)的下級(jí)滑坡也終被“激活”?！庇纱丝梢姡嗉?jí)滑坡是一種較為常見的現(xiàn)象，例如發(fā)育在多盤公路上的麥秀山滑坡，而且各級(jí)滑坡之間的相互影響也是客觀存在的，但目前滑坡的穩(wěn)定性分析中還較少考慮這一因素的影響，這對(duì)工程而言有可能是不利的。因此，本文擬從多級(jí)滑坡的相互作用機(jī)理方面入手，來探討考慮各級(jí)滑坡相互影響的穩(wěn)定性分析方法，并給出計(jì)算實(shí)例以說明。

2　多級(jí)滑坡相互作用機(jī)理

以兩級(jí)滑坡為例，如圖1所示，前級(jí)滑坡為A1B1C1D1，后級(jí)滑坡為A2B2C2D2；O點(diǎn)為兩級(jí)滑坡在斷面上的交點(diǎn)位置。

圖1　兩級(jí)滑坡相互作用示意圖

若前級(jí)滑坡失穩(wěn)，其后緣OD1主動(dòng)拉裂張開，對(duì)于后級(jí)滑坡而言，相當(dāng)于在其坡腳卸載，抗滑力減小，且?guī)r體卸荷松弛，造成坡腳巖體質(zhì)量惡化，降低了后級(jí)滑坡的穩(wěn)定性。

若后級(jí)滑坡失穩(wěn)，滑體向前蠕動(dòng)變形，不斷擠壓抗滑段A2B2，對(duì)于前級(jí)滑坡而言，相當(dāng)于在其后緣的OD1段加載，增加了下滑力，對(duì)前級(jí)滑坡穩(wěn)定性不利。

可以看出，兩級(jí)滑坡的相互作用主要體現(xiàn)在兩級(jí)滑坡的滑體共用部分的受力上，即圖中的A2B2OD1部分，該部分既是前級(jí)滑坡的牽引段，同時(shí)又是后級(jí)滑坡的抗滑段。為此，取出滑體共用部分的分離體進(jìn)行單獨(dú)研究，如圖2所示。圖中的P是作用在OD1上的合力，W是滑體重力，S為A2O段滑面上的剪力，N為A2O段滑面上的正壓力。

當(dāng)前級(jí)滑坡失穩(wěn)向下發(fā)生整體滑動(dòng)時(shí)，OD1段完全張開，此時(shí)P=0（不考慮巖土體的抗拉強(qiáng)度）；當(dāng)后級(jí)滑坡失穩(wěn)時(shí)，分離體將沿A2O1段滑面達(dá)到極限平衡狀態(tài)，此時(shí)的P達(dá)到最大值Pmax。因此，若不考慮巖土體的抗拉強(qiáng)度，P的取值范圍為0～Pmax，但具體數(shù)值應(yīng)該取決于前級(jí)滑坡和后級(jí)滑坡的變形破壞過程和階段。

圖2　共用滑體受力分析圖示

3　考慮多級(jí)滑坡相互作用的穩(wěn)定性分析方法

3.1前級(jí)滑坡首先失穩(wěn)

當(dāng)前級(jí)滑坡失穩(wěn)時(shí)，前級(jí)滑坡的穩(wěn)定性分析和滑坡推力計(jì)算仍可按照常規(guī)辦法進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于后級(jí)滑坡而言，前級(jí)滑坡失穩(wěn)將造成滑體共用部分A2B2OD1脫離后級(jí)滑坡，O1D1段成為臨空面，作用其上的P值變?yōu)?，在穩(wěn)定性分析時(shí)，可直接將該共用滑體部分從后級(jí)滑坡中移除，按照新的滑坡形狀（D1OC2D2），采用常規(guī)穩(wěn)定性分析方法計(jì)算即。

圖3　前級(jí)滑坡失穩(wěn)對(duì)后級(jí)滑坡的影響

3.2后級(jí)滑坡失穩(wěn)定

當(dāng)后級(jí)滑坡失穩(wěn)時(shí)，滑體不斷向前擠壓，作用于O1D1上的推力P不斷增加，當(dāng)共用滑體A2B2OD1達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，推力P達(dá)到最大值，這也是對(duì)前級(jí)滑坡而言的最不利狀態(tài)。如圖4所示。

圖4　后級(jí)滑坡失穩(wěn)對(duì)前級(jí)滑坡的影響

后級(jí)滑坡的穩(wěn)定性分析方法仍可按照常規(guī)方法計(jì)算。前級(jí)滑坡的穩(wěn)定性分析則要考慮推力P的作用，實(shí)際分析時(shí)，可按照以下兩個(gè)步驟進(jìn)行分析：

3.2.1推力P的確定

推力P的計(jì)算按照最不利狀態(tài)考慮，以兩級(jí)滑坡的共用滑體部分A2B2OD1為研究對(duì)象進(jìn)行分析，假設(shè)其在推力P的作用下達(dá)到極限平衡狀態(tài)，計(jì)算圖示如圖5。計(jì)算方法參照我國(guó)鐵路和工民建等部門常用的傳遞系數(shù)法進(jìn)行推導(dǎo)。

假定如下：

1）滑坡體不可壓縮并作整體下滑，不考慮條塊之間的擠壓變形；

2）條塊之間只傳遞壓力不傳遞拉力，不出現(xiàn)條塊之間的拉裂；

3）條塊間作用力以集中力表示，它的作用線平行于前一塊的滑面方向，作用在分界面的中點(diǎn)；

4）垂直滑坡主軸取單位長(zhǎng)度寬的巖土體作計(jì)算的基本斷面，不考慮條塊兩側(cè)的摩擦力；

5）推力P為作用在交界面O1D1上的合力，作用在交界面的中點(diǎn)，其大小和方向由極限平衡條件確定。

圖5　推力P計(jì)算圖示

取第i塊為分離體，將各力分解在該條塊滑面的方向上，可得以下方程：

由上式可得出第i條塊的剩余下滑力Ei，即

式中：Ei——第i塊滑體剩余下滑力；

Ei-1——第（i-1）塊滑體剩余下滑力；

Wi——第i塊滑體的重量；

Ri——第i塊滑體滑床反力；

Ψi——傳遞系數(shù)；

Ψi——cos（αi-1-αi）-sin（αi-1-αi）tanφi

ci——第i塊滑體滑面上巖土體的粘聚力；

li——第i塊滑體的滑面長(zhǎng)度；

ψi——第i塊滑體滑面上巖土的內(nèi)摩擦角；

αi——第i塊滑體滑面的傾角；

αi-1——第（i-1）塊滑體滑面的傾角。

計(jì)算推力P時(shí)，首先設(shè)第n條塊（最后一個(gè)條塊）的剩余下滑力En=0，從下往上逐塊進(jìn)行計(jì)算（注：常規(guī)傳遞系數(shù)法計(jì)算是從上往下計(jì)算），逐步計(jì)算出第1條塊的下方推力E1，然后根據(jù)第1條塊的靜力平衡方程求出推力P。

3.2.1前級(jí)滑坡穩(wěn)定性分析

在求得推力P后，前級(jí)滑坡穩(wěn)定性仍可按常規(guī)采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，與平常不同的是，兩級(jí)滑坡的交界面O1D1上的合力用計(jì)算出的推力P代替，如圖6所示。

圖6　前級(jí)滑坡穩(wěn)定性分析圖示

其中第1塊：

其他塊體：

式-3～式-7中符號(hào)同3.2.1。

4　算例

某滑坡地質(zhì)斷面圖如圖7所示，滑坡分為前后兩級(jí)，且前級(jí)滑坡與后級(jí)滑坡之間存在交疊，滑體容重為20kN/m3，其他參數(shù)如圖7所示。試用兩種方法（不考慮兩級(jí)滑坡相互作用的常規(guī)方法和考慮相互作用的方法）分別計(jì)算兩種情況下（前級(jí)滑坡首先失穩(wěn)和后級(jí)滑坡首先失穩(wěn)）各級(jí)滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

圖7　滑坡斷面圖

采用本文推薦方法計(jì)算出各工況下各級(jí)滑坡的穩(wěn)定系數(shù)見表1。

表1　各工況下滑坡穩(wěn)定系數(shù)

由表1可知，對(duì)于前級(jí)滑坡首先失穩(wěn)工況，當(dāng)不考慮各級(jí)滑坡相互作用時(shí)，采用傳遞系數(shù)法計(jì)算出后級(jí)滑坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.278，若考慮滑坡相互作用，即將共用滑體部分去除后進(jìn)行計(jì)算，其穩(wěn)定系數(shù)僅為0.895，這表明前級(jí)滑坡失穩(wěn)會(huì)引起后級(jí)滑坡發(fā)生牽引式破壞。對(duì)于后級(jí)滑坡首先失穩(wěn)工況，不考慮相互作用和考慮相互作用算出的前級(jí)滑坡穩(wěn)定系數(shù)分別為1.176和0.814，這表明后級(jí)滑坡失穩(wěn)會(huì)向前推擠巖體，致使前級(jí)滑坡發(fā)生推移式滑動(dòng)破壞。由此可以看出，對(duì)于多級(jí)滑坡相互交疊的情況，在進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性分析時(shí)，若不考慮各級(jí)滑坡的相互影響，很有可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏于不安全。

5　結(jié)束語

1）多級(jí)滑坡在大型滑坡中是一種常見的客觀現(xiàn)象，在滑坡分析中，要詳細(xì)分析其相互作用關(guān)系；

2）多級(jí)滑坡的作用機(jī)理主要表現(xiàn)為：若前級(jí)滑坡失穩(wěn)，其后緣主動(dòng)拉裂張開，對(duì)于后級(jí)滑坡而言，相當(dāng)于在其坡腳卸載，抗滑力減小，且?guī)r體卸荷松弛，造成坡腳巖體質(zhì)量惡化，降低了后級(jí)滑坡的穩(wěn)定性；若后級(jí)滑坡失穩(wěn)，滑體向前蠕動(dòng)變形，不斷擠壓其抗滑段，對(duì)于前級(jí)滑坡而言，相當(dāng)于在其后緣段加載，增加了下滑力，對(duì)前級(jí)滑坡穩(wěn)定性不利；

3）對(duì)于多級(jí)滑坡相互交疊的情況，在進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性分析時(shí)，若不考慮各級(jí)滑坡的相互影響，很有可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏于不安全。

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