基于蠕變時效穩(wěn)定理論的滑坡預(yù)測技術(shù)工程應(yīng)用

王 建 君

(上海申元巖土工程有限公司，上海 200011)

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基于蠕變時效穩(wěn)定理論的滑坡預(yù)測技術(shù)工程應(yīng)用

王 建 君

(上海申元巖土工程有限公司，上海 200011)

以南京牛首山文化旅游區(qū)一期巖土綜合治理工程為例，利用蠕變時效理論，對邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合，多次準確預(yù)測了邊坡局部滑坡時間，及時發(fā)布了滑坡預(yù)警，為現(xiàn)場采取應(yīng)急措施提供了依據(jù)。

滑坡,蠕變時效穩(wěn)定理論,時效共軛點,GPS監(jiān)測

0 引言

滑坡災(zāi)害是人類社會所遭遇的最惡劣的自然災(zāi)害之一，經(jīng)常會造成嚴重的人員傷亡、財產(chǎn)損失和負面社會影響。對滑坡災(zāi)害進行準確預(yù)測預(yù)報，對降低由此引發(fā)的人員傷亡和財產(chǎn)損失至關(guān)重要。滑坡災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報包括兩個方面，即邊坡失穩(wěn)破壞時間的預(yù)報和邊坡變形趨勢的預(yù)測。國內(nèi)外學者和工程技術(shù)人員通過大量室內(nèi)外試驗研究，積累大量資料，并形成了許多滑坡災(zāi)害預(yù)測預(yù)報方法和技術(shù)，包括齋藤模型[1],Voight模型[2]和協(xié)同預(yù)測預(yù)報模型[3]等。

現(xiàn)有研究成果及工程實踐表明，邊坡發(fā)生滑坡前的變形特性可分為三個階段，首先是初始變形階段，繼而發(fā)生穩(wěn)態(tài)變形，最后進入加速變形階段并最終發(fā)生滑坡破壞。其中，邊坡加速變形經(jīng)常被認為是邊坡失穩(wěn)破壞的最顯著特征。因此，邊坡變形—時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)是進行滑坡預(yù)測預(yù)報最主要、最關(guān)鍵的基礎(chǔ)。利用邊坡變形監(jiān)測資料進行滑坡預(yù)報的關(guān)鍵在于準確確定邊坡發(fā)生加速變形的起始時間和根據(jù)邊坡加速變形數(shù)據(jù)預(yù)測邊坡失穩(wěn)時間。現(xiàn)有蠕變模型中，開爾文模型[4]適于反映巖土體的穩(wěn)態(tài)蠕變特性，齋藤模型適于反映土體的加速蠕變特性。基于此，楊人光[5]通過耦合開爾文模型和齋藤模型，建立了巖土體的蠕變時效穩(wěn)定理論，實現(xiàn)了預(yù)測邊坡發(fā)生加速變形時間及邊坡失穩(wěn)時間的目的，為邊坡滑坡的預(yù)測預(yù)報提供了理論依據(jù)。

南京牛首山文化旅游區(qū)一期巖土工程綜合治理工程邊坡巖體裂隙發(fā)育，工程建設(shè)中發(fā)生局部滑坡破壞的可能性較大。為此，該工程項目引入巖土體的蠕變時效理論，以便于根據(jù)邊坡變形監(jiān)測結(jié)果進行邊坡滑坡的預(yù)測預(yù)報，為工程項目的順利、安全實施保駕護航。事實上，通過利用蠕變時效理論擬合邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，本工程施工階段的多次局部滑坡均得以準確預(yù)報，并及時做出預(yù)警，為施工現(xiàn)場采取應(yīng)對措施、避免人員傷亡、降低財產(chǎn)損失等提供了可能。本文將以GPS-17測點為例介紹蠕變時效穩(wěn)定理論在滑坡預(yù)測預(yù)報的應(yīng)用。

1 蠕變時效穩(wěn)定理論

恒定應(yīng)力作用下，巖土體必然發(fā)生蠕變變形，且?guī)r土體的蠕變?nèi)ハ蛑饕譃樗p蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變及加速蠕變?nèi)N類型。依據(jù)蠕變時效理論，穩(wěn)態(tài)蠕變階段巖土體的力學特性可由開爾文模型[4]反映，即:

(1)

其中，E為巖土體的彈性模量；η為巖土體的粘性系數(shù)；ξ為巖土體的粘彈性滯后系數(shù)。

加速蠕變階段巖土體的力學特性可由齋藤模型[1]反映，即：

(2)

其中，A為巖土體的屈服強度系數(shù)；α為巖土體的不穩(wěn)定時效指數(shù)。

依據(jù)蠕變時效穩(wěn)定理論[5]，巖土體發(fā)生蠕變破壞前，其蠕變曲線上存在一個時間點tp，該點既滿足式(1)的變形—時間關(guān)系，又滿足式(2)的變形—時間關(guān)系，時間點tp可稱為時效共軛點。由于式(1)與式(2)在時間點tp處耦合，故可認為巖土體的蠕變曲線在tp時刻由穩(wěn)態(tài)蠕變階段進入加速蠕變階段。此外，由式(2)可以求得滑移導致的巖土體失穩(wěn)破壞時間tf，該失穩(wěn)時間即為巖土體的蠕變破壞時間。基于蠕變曲線拐點形變量和形變率的連續(xù)性，求得時效共軛點tp與失穩(wěn)破壞點tf。

為判定按上述方法得到的tp是否是真正的時效共軛點，楊人光[5]由式(1)與式(2)的二階微分方程導出巖土體的失穩(wěn)判據(jù)ve。該失穩(wěn)判據(jù)ve為時效共軛點參數(shù)(tp，yp)的函數(shù)，即:

(3)

其中，v0為問題蠕變階段巖土體的初始蠕變變形速率；yp為tp時刻巖土體的變形量。若ve=1.0，則巖土體始終處于穩(wěn)態(tài)蠕變狀態(tài)；若ve>1.0，則巖土體由穩(wěn)態(tài)蠕變狀態(tài)進入加速蠕變狀態(tài)，且加速蠕變達到一定階段后，巖土體將發(fā)生蠕變破壞。因此，式(3)所定義的失穩(wěn)判據(jù)具有判斷巖土體從穩(wěn)定轉(zhuǎn)向失穩(wěn)作用，可作為蠕變時效理論中巖土體破壞的失穩(wěn)判據(jù)。

2 蠕變時效穩(wěn)定理論在工程實例中的應(yīng)用

2.1 工程概況

南京牛首山文化旅游區(qū)一期項目是南京市重點打造的佛教文化休閑度假區(qū)項目。該項目的重點建筑——佛頂宮位于原廢棄礦坑中，且建筑物的樁基及底板均坐落于廢棄礦坑的邊坡坡頂與坡面上。巖土工程勘察表明，原廢棄礦坑邊坡高差達141 m，坡度達45°，邊坡巖體節(jié)理、裂隙、崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，對本項目的實施造成較大挑戰(zhàn)。

為保證佛頂宮運營期間的安全，設(shè)計采用注漿加固、錨桿掛網(wǎng)噴射混凝土、錨桿(索)框架等措施進行邊坡加固。但由于邊坡高差較大、邊坡巖土體穩(wěn)定性較差，該項目邊坡加固治理施工期間發(fā)生滑坡的風險較大。為此，現(xiàn)場采取動態(tài)監(jiān)測與信息化施工等措施降低施工期的滑坡風險和可能造成的損失。

南京牛首山文化旅游區(qū)邊坡巖土工程治理施工期間，蠕變時效穩(wěn)定理論被用于現(xiàn)場邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析及滑坡預(yù)測中，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果及時做出滑坡預(yù)警預(yù)報，為現(xiàn)場采取應(yīng)急措施提供支持。事實上，本項目施工期間多次局部滑坡都得到準確預(yù)報，使得現(xiàn)場能及時撤離人員、機械設(shè)備，避免了人員傷亡，極大地降低了財產(chǎn)損失。以圖1中的GPS-17測點為例，簡要介紹本項目施工期間蠕變時效穩(wěn)定理論在邊坡滑坡預(yù)測方面的應(yīng)用及其發(fā)揮的作用。

2.2 GPS-17測點滑坡預(yù)測

現(xiàn)場自2013年1月19日開始監(jiān)測GPS-17測點的邊坡變形，監(jiān)測頻率為1次/3 d。到2013年3月13日，現(xiàn)場巡查發(fā)現(xiàn)該測點周圍坡面出現(xiàn)輕微開裂，之后加強對該測點處邊坡發(fā)生局部滑坡的預(yù)測。

受17日降雨影響，3月19日GPS-17測點周邊坡面的裂縫明顯增大。圖2為3月1日～3月19日期間GPS-17測點邊坡變形監(jiān)測結(jié)果。由圖2可知，16日～19日期間，該測點周邊邊坡變形顯著增加，這主要是17日降雨所造成的。根據(jù)蠕變時效穩(wěn)定理論，通過擬合7日，10日，16日，19日的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以求得參數(shù)ξ,A,α和v0的值，進而可求得邊坡蠕變的時效耦合點tp與失穩(wěn)時間tf，計算結(jié)果如表1所示。經(jīng)預(yù)測，邊坡失穩(wěn)時間為3月19日，即最后一次的監(jiān)測時間，不能作為滑坡發(fā)生時間，故而未發(fā)布滑坡預(yù)警。不過，自19日起加強對17號測點的監(jiān)測，監(jiān)測頻率調(diào)整為1次/d。

表1 由7日、10日、16日、19日監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測的各蠕變參數(shù)

圖3為3月1日～3月22日期間GPS-17測點邊坡變形監(jiān)測結(jié)果。通過利用蠕變時效穩(wěn)定理論對7日，10日，16日，22日的邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合，可以求得邊坡蠕變的時效耦合點tp、失穩(wěn)時間tf及其他蠕變參數(shù)，如表2所示。經(jīng)預(yù)測，邊坡的失穩(wěn)破壞時間tf為3月24日，相應(yīng)的邊坡蠕變變形曲線如圖3所示。

由于利用該組監(jiān)測數(shù)據(jù)所預(yù)測的邊坡失穩(wěn)時間tf(3月24日)遲于最后一次監(jiān)測時間(3月22日)，故該預(yù)測失穩(wěn)時間很可能是邊坡實際發(fā)生滑坡的時間。為此，現(xiàn)場利用另外4組不同監(jiān)測數(shù)據(jù)進行失穩(wěn)時間預(yù)測，以校核邊坡失穩(wěn)時間預(yù)測結(jié)果，校核結(jié)果如

表2所示。由表2可知，盡管所采用的監(jiān)測數(shù)據(jù)不同，但通過擬合監(jiān)測數(shù)據(jù)，蠕變時效穩(wěn)定理論所預(yù)測的邊坡失穩(wěn)時間均為3月24日，故可以認為該處邊坡在3月24日發(fā)生局部滑坡的可能性非常大。因此，現(xiàn)場做出“3月24日GPS-17測點邊坡將發(fā)生局部滑坡”的預(yù)警，并建議盡快進行人員和設(shè)備的撤離工作。

事實上，GPS-17測點周邊邊坡在3月24日早上發(fā)生局部滑坡。由于預(yù)先發(fā)布過滑坡預(yù)警，并及時進行人員、設(shè)備的撤離，本次局部滑坡未造成任何人員傷亡與財產(chǎn)損失。

表2 由GPS-17測點監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測的各蠕變參數(shù)

3 結(jié)語

蠕變時效穩(wěn)定理論通過耦合開爾文模型和齋藤模型反映巖土體的穩(wěn)態(tài)蠕變和加速蠕變特性，能夠較好地進行滑坡預(yù)測。通過擬合現(xiàn)場邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，蠕變時效穩(wěn)定理論得以在南京牛首山文化旅游區(qū)一期巖土工程綜合治理工程中成功應(yīng)用，多次準確預(yù)測邊坡滑坡，及時發(fā)布滑坡預(yù)警，為現(xiàn)場采取應(yīng)急措施、避免人員傷亡、降低財產(chǎn)損失提供了良好的支持。

[1] M.Saito. Forecasting time of slope failure by tertiary creep. Journal of Japan Landslide Society,1968(4)：1-8.

[2] B.Voight. A method for prediction of volcanic eruptions. Nature,1988(332)：125-130.

[3] 賀小黑,王思敬,肖銳鏵，等.協(xié)同滑坡預(yù)測預(yù)報模型的改進及其應(yīng)用[J].巖土工程學報,2013(35)：1839-1848.

[4] W.Thompson. On the elasticity and viscosity of metals. Proceedings of the Royal Society of London,1865,A14,289-297.

[5] 楊人光.巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論與滑坡預(yù)測預(yù)報[M].北京:地質(zhì)出版社,2010.

Application of a landslide forecasting technique based on the aging stability theory of creep

Wang Jianjun

(ShanghaiShengyuanGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd,Shanghai200011,China)

Taking comprehensive geotechnical treatment engineering of Niushou mountain culture tourism region in Nanjing as an example, the paper carries out slope deformation monitoring data simulation by applying creep age-forming stability theory, accurately predicts local slope sliding time, and timely publishes landslide alarming, which has provides some guidance for adopting emergent measures in the field.

landslide, creep age-forming stability theory, time-response conjugate point, GPS monitoring

1009-6825(2017)10-0075-02

2017-01-19

王建君(1982- )，男，工程師

P642.22

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