探究基于巖土流變特性滑坡的穩(wěn)定性

鐘天宇，路正昆

（重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局107 地質(zhì)隊(duì)，重慶 400000）

0 引言

經(jīng)過分析總結(jié)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)系可以清晰地進(jìn)行了解，即當(dāng)安全系數(shù)小于1.2 時(shí)，目標(biāo)邊坡不穩(wěn)定；安全系數(shù)大于1.2 小于1.5 時(shí)，邊坡一般穩(wěn)定，少數(shù)情況下不穩(wěn)定；當(dāng)安全系數(shù)大于1.5 時(shí)，可以準(zhǔn)確判斷邊坡穩(wěn)定。如果采用區(qū)間有限元法進(jìn)行計(jì)算，則必須劃分網(wǎng)格圖和結(jié)果圖。結(jié)合有限元程序，得到網(wǎng)格中各節(jié)點(diǎn)的位移和應(yīng)力區(qū)間。安全系數(shù)計(jì)算為1732，根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，邊坡狀態(tài)絕對(duì)穩(wěn)定。相比之下，極限區(qū)間平衡法的結(jié)果更加保守可靠，因此本文主要對(duì)措施進(jìn)行研究，以期為相關(guān)專業(yè)人員提供參考。

1 巖土流變性特性的基本概述

許多流變問題出現(xiàn)在巖土工程領(lǐng)域。巖石和土壤，特別是軟土，在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中表現(xiàn)出非線性流變行為，經(jīng)典力學(xué)無法合理解釋。在一些復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下，巖土應(yīng)變特性與塑性應(yīng)變理論不完全一致。所謂巖石流變學(xué)，主要表現(xiàn)為巖土體的變形，其阻力受外力和時(shí)間的影響。其流動(dòng)性主要分為蠕變、剪切應(yīng)變和應(yīng)力松弛。蠕變可分為體積蠕變和剪切蠕變。就體積蠕變而言，這會(huì)導(dǎo)致巖石和土壤的壓縮增加，特別是土壤的額外壓實(shí)；剪切蠕變是巖體和土體的蠕變，即在剪應(yīng)力作用下，巖體和土體的剪切應(yīng)變隨時(shí)間增加。根據(jù)剪應(yīng)力，可分為衰減應(yīng)變和非衰減應(yīng)變[1]，圖1 為巖土流變性特性曲線。

圖1 巖土流變性特性曲線

2 巖土流變性滑坡穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀分析

地質(zhì)流變滑坡穩(wěn)定性研究的第一步是從地質(zhì)條件和滑坡現(xiàn)象分析滑坡的環(huán)境和機(jī)理。另外，滑坡極限平衡的整體穩(wěn)定性采用剛體極限平衡理論計(jì)算。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，滑坡穩(wěn)定性分析取得了新的進(jìn)展。地質(zhì)流變滑坡的分析具有重要的實(shí)際意義，為工程開工階段的地質(zhì)可靠性提供了理論依據(jù)。目前，我國科學(xué)技術(shù)水平有了很大提高，分析方法很多，如可靠性分析、模糊層次評(píng)價(jià)、系統(tǒng)工程地質(zhì)分析等，這些分析方法很可能促進(jìn)新的發(fā)展。通過計(jì)算機(jī)技術(shù)的介入，可以很好地體現(xiàn)分析的效果，使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。在影響地質(zhì)流變滑坡穩(wěn)定性的眾多因素中，力學(xué)參數(shù)和地質(zhì)流變模型是穩(wěn)定性分析、評(píng)價(jià)和預(yù)警的重要因素。要研究滑坡的穩(wěn)定性，首先要分析巖土的流變特性。長期研究表明，滑坡穩(wěn)定性因子是巖土蠕變模型的參數(shù)，是滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和早期預(yù)測(cè)的重要前提。隨著研究方向、方法和方法的深入，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)滑坡現(xiàn)象表現(xiàn)出明顯的蠕變變形，滑坡體由自由堆積物組成，地勢(shì)陡峭且呈階梯狀，雨水直接進(jìn)入這些堆積物，最終巖體軟化形成滑坡。

3 基于巖土流變性的滑坡穩(wěn)定性影響因素分析

影響滑坡流動(dòng)性穩(wěn)定性的因素很多。更重要的是，它與地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)背景密切相關(guān)。通過對(duì)影響因素的收集和研究，地形、降水和地震等因素會(huì)導(dǎo)致滑坡，對(duì)我國某地區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害危害性較大，也為后續(xù)在巖土流動(dòng)性作用下形成滑坡提供了有利條件。該地區(qū)地形以山地為主，西北高東南低，海拔1000～2100m。受東、南古地層影響，地勢(shì)為褶皺隆起。北方地質(zhì)是紅土和黃土沉降堆積形成的土壤沉積物，最終形成黃土丘陵地貌。在該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造中，其構(gòu)造也是影響滑坡發(fā)生的重要因素。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造多為泥質(zhì)、砂巖、礫巖等物質(zhì)，不是很穩(wěn)定。一旦發(fā)生地震、降水等災(zāi)害，容易發(fā)生滑坡，對(duì)當(dāng)?shù)仉娏ㄔO(shè)設(shè)施和道路安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。這些結(jié)構(gòu)的材料在水的作用下會(huì)發(fā)生風(fēng)化和流變，巖土分離非常嚴(yán)重，增加了滑坡的可能性。在自然環(huán)境的影響下，長期的降水和地震會(huì)使巖石破裂并最終滑落。當(dāng)滑動(dòng)體與滑床的摩擦力減小，雨水增加坡度時(shí)，容易發(fā)生滑坡。圖2 為一種邊坡穩(wěn)定性分析模型。

圖2 邊坡穩(wěn)定性分析模型

4 針對(duì)巖土流變性及滑坡穩(wěn)定性的防治措施探究

4.1 理論性技術(shù)

由于邊坡地形地貌為部分強(qiáng)切斷面，形成了該地區(qū)主要的地質(zhì)滑坡災(zāi)害斷面，黃土構(gòu)造地質(zhì)層穩(wěn)定性低。下雨時(shí)，雨水容易滲入巖土的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，使巖石軟化，破壞巖土的穩(wěn)定性。該部分的巖土機(jī)理、傾斜方向和坡度基本相同。在雨水外力的影響下，坡度加重，導(dǎo)致滑坡。筆者在以上分析與巖土流動(dòng)性相關(guān)的滑坡穩(wěn)定性影響因素的基礎(chǔ)上，制定了一套合理的滑坡防治措施，以期在該地區(qū)推廣。

根據(jù)實(shí)際情況分析，由于長期雨水風(fēng)化侵蝕，巖土結(jié)構(gòu)遭到破壞，巖土軟化，抵抗外力的能力明顯降低。目前，一些自然環(huán)境和人類活動(dòng)的承載能力較低。在此背景下，工程地質(zhì)條件將非常不可靠，在外力（如暴雨、地震等）作用下崩積物的穩(wěn)定性無法得到保證。滑坡的具體防治也是復(fù)雜多變的，主要是結(jié)合實(shí)際情況來實(shí)施具體方案。最常用的方法，如防滑樁、截排水溝、地表移植等，各有特點(diǎn)。從防滑樁措施來看，相應(yīng)的木樁主要澆筑在斜坡的中部和前部，以增加斜坡的阻力，是應(yīng)用最廣泛的方法，且靈活性強(qiáng)、治療效果明顯；地基截流排水溝法也可有效防治。減少地表徑流可有效防治坡面滲水，在很大程度上防止滑坡[2]。

4.2 具體技術(shù)應(yīng)用

評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定性的理論方法很多，特別是極限平衡桿法和數(shù)值分析法。目前常用的穩(wěn)定性分析方法有瑞典波段法、Bishop 法、Janbu 波段法和 Morgenstern 價(jià)格法。本文主要介紹了使用GEO studio 進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析的優(yōu)勢(shì)，介紹了不同的穩(wěn)定性計(jì)算方法，并選擇了一個(gè)工程實(shí)例來評(píng)估滑坡穩(wěn)定性。

4.2.1 各穩(wěn)定性計(jì)算方法基本原理

瑞典切片方法是最簡單的切片方法。首先，假設(shè)滑動(dòng)面是一個(gè)圓弧，滑動(dòng)面上的土塊被分成N 個(gè)垂直帶。對(duì)作用在接地帶上的力進(jìn)行力和力矩的平衡分析，以計(jì)算任何情況下的防滑安全系數(shù)FS=MF/M（最大防滑力矩與滑移率之比）假設(shè)滑移面處于極限平衡狀態(tài)。真正需要的是對(duì)應(yīng)于最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的最小安全系數(shù)。Bishop 法也是一種切片法。基于瑞典條帶法，考慮土條兩側(cè)相互作用力的影響。在計(jì)算邊坡安全系數(shù)的迭代過程中，每個(gè)波段都必須相加，這使得計(jì)算更加復(fù)雜。janbu 切片法假設(shè)土條之間的相互作用是水平的，土條之間的相互作用點(diǎn)位于滑動(dòng)底部上方1/3 的高度處。作用在皮帶上的重力和反作用力通過底部的中點(diǎn)，在垂直方向上滿足靜平衡條件，從而解決了滑動(dòng)底部的法向力。Morgenstern 價(jià)格法是目前公認(rèn)的求解任意形狀滑動(dòng)面的最佳切片方法。在建立極限平衡法的基礎(chǔ)上，假設(shè)法向力和相鄰兩條土條的切向力的作用，建立水平坐標(biāo)函數(shù)來反映這兩種力的關(guān)系，并得到完整的微分方程。力和力矩的平衡被建立。最后根據(jù)整個(gè)地面的邊界條件計(jì)算最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的安全系數(shù)[3]。

4.2.2 工程實(shí)例計(jì)算

以某地區(qū)為例，滑坡位于古老的倒凹塌陷體上，其平面形狀不規(guī)則，呈扇形，斷面呈梯形。研究區(qū)屬中高山地勢(shì)。地勢(shì)西高東低。從滑坡后壁陡壁與崩積物構(gòu)成的陡峭地勢(shì)相連，坡度 30°～60°，高程 1600～1760m。滑坡最大縱向長度約1417m，平均縱向長度1100m，最大橫向?qū)挾燃s1996m，平均橫向?qū)挾?610m，面積約1.77km2，主要滑移方向?yàn)?8°。工作區(qū)出露地層包括第四紀(jì)崩積層（Q4col+dl）、第四紀(jì)全新世滑坡沉積層（Q4del）、第四紀(jì)全新世沖積洪積層（Q4al+PL）和中泥盆統(tǒng)（D2）。斜坡在自然狀態(tài)下的重力為19.60kN/m3。內(nèi)摩擦角為20.54°，飽和狀態(tài)為 20.54kN/m3，內(nèi)摩擦角為 21.80°。設(shè)計(jì)模型根據(jù)滑坡的變形特征和地形地貌特征，選擇滑坡的典型斷面作為設(shè)計(jì)斷面。

4.2.3 計(jì)算工況

在這個(gè)計(jì)算中提出了3 種工作條件。首先是工況1只考慮巖體和邊坡土體的自重和其他現(xiàn)有荷載；使用斜坡自然單位重量的自然邊；其次工況2，在條件1 的基礎(chǔ)上，考慮降水的影響，坡面密度增大，降水入滲后土體物理力學(xué)性質(zhì)下降。計(jì)算出的參數(shù)是巖土飽和度參數(shù)。最后是工況3，根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），工作區(qū)地震最大加速度為0.20g，地震反應(yīng)譜特征周期為0.35s。抗震設(shè)防基礎(chǔ)烈度為Ⅷ度。

4.2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

不同計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 穩(wěn)定性計(jì)算成果

結(jié)果表明，在自然條件下，計(jì)算得到的潛在滑動(dòng)面極限平衡穩(wěn)定系數(shù)大于安全系數(shù)1.15，表明邊坡在自然條件下是穩(wěn)定的。在大雨條件下，潛在滑面的穩(wěn)定系數(shù)明顯降低，但計(jì)算結(jié)果大于安全系數(shù)1.05，說明在大雨條件下邊坡仍保持穩(wěn)定。發(fā)生地震時(shí)，相比暴雨，部分計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)一步降低，但均大于安全系數(shù)1.00，整體還是穩(wěn)定的。M-P 法計(jì)算結(jié)果與安全系數(shù)接近，說明邊坡在地震條件下的穩(wěn)定性和安全儲(chǔ)備略有不足[4]。

4.2.5 計(jì)算技術(shù)結(jié)論

（1）評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定性的理論方法很多，特別是極限平衡桿法和數(shù)值分析法，得到了廣泛的應(yīng)用。

（2）滑坡整體不太可能不穩(wěn)定，人為或環(huán)境因素等外力對(duì)其穩(wěn)定性有影響。

（3）M-P 法計(jì)算結(jié)果與安全系數(shù)接近，說明地震條件下邊坡穩(wěn)定的安全儲(chǔ)備有些不足。

5 結(jié)語

綜上所述，基于區(qū)間不確定性方法的邊坡穩(wěn)定性分析有助于提高工程的水平和質(zhì)量。通過上述算法的有效應(yīng)用，可以大大降低邊坡工程中邊坡失穩(wěn)，從而減少類似工程事故，提高工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，在今后邊坡工程的擴(kuò)展中，應(yīng)重視邊坡穩(wěn)定性分析的效果，以探索邊坡分析方法的應(yīng)用價(jià)值，區(qū)間的不確定性，更好地為建設(shè)和工程發(fā)展服務(wù)。

（1）根據(jù)本地區(qū)技術(shù)地質(zhì)條件、規(guī)模和防治原則，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害破壞形式，在中部和前部設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索和桁架梁。滑坡綜合治理。

（2）滑坡后緣外路擋土墻已變形損壞，整體整體性良好。變形主要是由于抗滑性不足，導(dǎo)致?lián)跬翂ρ厣炜s縫向外移動(dòng)。這里考慮錨栓+肋梁加固。

（3）在滑坡后緣東側(cè)新建停車場(chǎng)，新填土，前緣地形陡峭，局部變形塌陷破壞。為解決存在的問題，擬在原有磚砌擋土墻外側(cè)設(shè)置防滑樁。此外，基本邊坡問題主要包括實(shí)施相關(guān)項(xiàng)目的范圍和方法。相關(guān)工程的穩(wěn)定性研究應(yīng)從穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)入手。影響穩(wěn)定性的因素包括項(xiàng)目本身的自然因素、人為因素和結(jié)構(gòu)因素。為了提高邊坡的穩(wěn)定性，需要針對(duì)不同的問題提出相應(yīng)的預(yù)防措施，以提高工程后期的整體質(zhì)量。