大型深層滑坡滑帶土力學強度參數綜合選取研究

楊期祥

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

滑坡活動與否取決于滑帶的應力狀態、強度變化以及土力學參數,故研究滑帶土力學特性對滑坡穩定性分析和滑坡防治具有重要意義[1-3]。一般情況下,滑帶土的力學參數歸結為兩個值—黏聚力和內摩擦角。目前,確定滑帶土力學參數的方法主要原位測試法、室內試驗法、反演分析法以及工程類比法。

原位試驗的優點是簡捷、快速,可在原位應力和邊界條件下進行;缺點是邊界條件難以精確控制,試驗結果解釋存在一定困難[4-5]。室內試驗的優點是邊界條件比較精確,容易控制;缺點是試驗結果可靠性取決于取樣的質量,試驗數據較離散[6]。工程類比法是指類似工程地質條件下的經驗性評價和取值,其優點是方法簡單;缺點是該方法仍屬于定性分析的范疇,不僅受到地域的限制,還包含較多的主觀因素[7]。反演分析法是確定滑帶土抗剪強度參數的一種有效方法[8-9],根據滑坡的宏觀變形和穩定現狀假定滑坡的穩定性系數后反算滑帶土抗剪強度參數,優點是作為滑坡穩定性計算的逆過程,所得參數更接近實際情況;缺點是對滑坡穩定性現狀的確定依賴于勘察精度和技術人員工程經驗,存在較大主觀性。

目前,國內外學者針對滑帶土的力學強度參數取值進行大量研究。劉小麗系統總結滑帶土強度特性對滑坡穩定性的影響[10];張怡穎采用室內環剪試驗,研究滑坡滑動速率和滑帶土含水率對滑帶土的力學強度特性影響[11-12];劉小偉通過物理性質試驗、激光粒度分析、XRD衍射分析、XRF熒光光譜分析、環剪試驗、直剪試驗,探究滑帶土的物質組成及力學強度特征[13];靳杭森通過調查取樣、室內試驗、數據分析等手段,研究滑帶土物理力學特征[14];易平采用傳遞系數法,建立反演計算模型,求解高含水淺層滑坡滑帶土強度參數c、φ值[15];趙晉乾分析大型深層凝灰巖滑坡勘察的難點,提出了綜合勘察的新思路,并建立大型凝灰巖滑坡勘察綜合體系[16]。

然而,無論是通過室內試驗或現場原位試驗測出的強度指標,其與實際情況均存在一定的偏差。在此基礎上,借鑒工程類比法和反演分析法,可兼顧滑坡的區域性和個體現狀特性。如何運用各類方法綜合選取準確、可靠的力學強度指標具有重要指導意義。監測數據顯示,下個寮滑坡移動速度為3～5cm/a,由于滑坡所處的地理位置,其成災后可能導致較大財產損失。因此,對麗水市臘口鎮下個寮滑坡進行研究很有必要。

2 滑坡概況

2.1 地形地貌

下個寮滑坡體位于麗水市青田縣臘口鎮禎埠鄉錦水村,距北西側麗水市區約15km,距東南側青田縣城約37km。下個寮滑坡區屬剝蝕低山地貌,地形上總體呈西北低、東南高,地勢起伏較大,山坡自然坡度35°～60°,地面高程35～540m,相對高差130～400m。受地質構造影響明顯,在流水侵蝕和強烈風化剝蝕作用下,地表巖石十分破碎。

該滑坡平面呈扇形三級平臺狀,兩側邊界發育有同源沖溝,后緣呈封閉圈椅形態,前緣沒入大溪河水庫中,滑坡整體主滑方向約299°,見圖1。滑坡縱長510m,滑坡沿垂直于主軸方向呈現后窄前寬,后部寬約320m,前部較寬,水位以上寬約540m,水下寬約580m,高程為20～275m,總面積約20萬m2,滑體厚度20～105m,滑坡體總方量約1100萬m3。

圖1 下個察滑坡形態示意

2.2 工程地質特征

綜合分析滑坡區的地質背景、巖層特征,下個寮滑坡坡體是在火山作用、風化剝蝕作用下而形成的一套獨特的強風化-中風化、完整-破碎的互層巖體,在降雨以及一系列極端天氣作用下,其潛在滑動面發生軟化,從而導致滑坡失穩。滑坡兩側邊界大致以沖溝分界,沖溝分界處有小陡坎,與巖土地層分界線基本重合,沖溝基巖出露較好,局部孤石較多。滑坡邊界處滑坡體內的地層一般為堆積體,滑坡體外為基巖裸露,節理較發育。邊坡東北側、南西側邊界為同源沖溝,沖溝方向發育2組近直節理密集帶;邊坡后緣邊界可見1條長約500m的貫通裂縫,裂縫最大寬約40cm,可見最大深度約1.5m,出現明顯錯臺,錯臺最大達46cm。

3 滑帶土力學參數綜合選取

為研究滑坡的穩定性,滑帶土力學參數的合理選取極為重要。針對下個寮滑坡這樣地質條件復雜的大型順層滑坡,為盡可能減少對滑帶土的擾動,采用勘探平硐進行勘察工作,采用“1主硐+3支硐”的布置方式。主硐軸線為南東走向,硐口滑坡右側溝谷中,全長270m;1號支硐軸線起點位于主硐軸線K0+068.5處,主硐右側軸線方向角230°,全長75m;2號支硐軸線起點位于主硐軸線K0+139處,主硐右側軸線方向角228.7°,全長80m;3號支硐軸線起點位于主硐軸線K0+254.5處,主硐右側軸線方向角220.4°,全長80m,勘探平峒布置見圖2。

圖2 滑坡勘探平硐及監測點布置(單位:m)

(1)室內試驗

在勘探平硐1號支硐、2號支硐滑帶界面影響帶內,取原狀樣進行室內土工試驗,每個支硐各取6組原 狀樣,其物理力學指標統計見表1。

表1 下個寮滑坡勘探平硐土樣土工試驗統計

(2)大型原位剪切試驗

對滑帶土及滑帶土附近碎裂巖在天然飽和狀態下的抗剪強度進行測定,現場試驗情況見圖3。

圖3 大型直剪試驗現場

1號支硐的試樣中,由于滑帶土(含砂黏性土)較薄(僅1～3cm),滑帶土附近為碎裂巖,故其剪切面主體為滑帶附近的碎裂巖,所測得的數據主要為碎裂巖的強度參數。3號支硐中,試樣滑帶土厚5～12cm,是3個支硐中滑帶土最厚的(為含砂軟塑黏性土),為真實反映滑帶土的抗剪強度,選擇滑帶土強度參數時,主要參考3號支硐的試驗數據,其物理力學指標統計見表2。

表2 下個寮滑坡大型原位剪切試驗結果

將室內試驗與大型原位試驗所獲得的力學參數進行比對,天然狀態下,室內試驗的黏聚力為9.105～25.96kPa,原位試驗的黏聚力為32.15kPa;飽和狀態下,室內試驗的黏聚力為8.60～23.18kPa,原位試驗的黏聚力為23.59kPa。結果表明,無論是在天然狀態下還是飽和狀態下,室內試驗所獲得的黏聚力明顯偏小,這主要是因為室內試驗試樣的制備過程中,土樣的原始應力釋放,土樣原有膠結構遭到破壞。

(3)工程類比法

浙江省麗水市里東村滑坡與下個寮滑坡地理位置鄰近,水文氣候條件比較接近,里東村滑坡區屬低山丘陵地貌,下伏基巖為侏羅系上統西山頭組晶頭屑凝灰巖,完整性一般,裂隙發育,風化嚴重,受多日連續強降雨的影響,里東村西側山體發生滑坡,滑坡所賦存的地質環境和滑帶特征與本滑坡類似,其滑帶巖土抗剪強度參數具有一定的參考價值。里東滑坡各巖土層取值見表3。

表3 里東滑坡物理力學參數取值

(4)參數反演分析法

根據DZ T2018—2006《滑坡防治工程勘查規范》中第12.3條,滑坡穩定性分析計算時,給定黏聚力c或內摩擦角φ,可采用如下公式進行反演,有

場區滑坡為巖質滑坡,采用地質調繪、物探解譯、鉆探成果、孔內攝像、勘探平峒相結合的綜合勘探手段查明滑移帶在強風化帶與完整中風化帶接觸面附近,為一陡一緩兩組主控結構面聯合貫通形成,以最不利的潛在滑動為滑坡變形破壞模型,將滑面視為折線形,運用折線法對可能的潛在滑動而進行穩定分析及推力計算與評價,滑坡體總體依風化界面構成三級分塊段滑塊,地面上呈陡坡-平臺-陡坡地貌。

選取滑坡主剖面4-4′內滑面①、②進行分析(見圖4),結合勘查及現場監測數據,綜合分析下個寮滑坡坡體的穩定性現狀及其特性,對整體滑面取K=1.03,局部滑面取K=1.01,為“地下水+暴雨”工況下的穩定系數。天然與飽和重度結合室內試驗及工程類比法確定。

圖4 下個寮滑坡的2條滑帶(剖面4-4′)

采用單參數反演法時,因內摩擦角對滑坡穩定性影響較敏感,故給定黏聚力c反算內摩擦角φ。室內試驗因土樣的制備會破壞原有膠結結構,其所獲得c值的試驗結果與實際測試相差較大,主要表現在c值明顯偏小。反算時,參考大型原位剪切試驗所測得的c值(天然狀態下為32.15kPa,飽和狀態下為23.59kPa)。確定滑坡體參數后,根據黏聚力c和穩定系數K對2個滑面內摩擦角φ進行反演。

最終,滑帶土物理參數選用室內試驗值,力學參數采用大型原位試驗法的c值與反算法的φ值,并與里東村滑坡的經驗值進行比對,綜合確定滑帶土的抗剪強度建議值見表4。

表4 下個寮滑坡滑帶土抗剪強度建議值

4 應用情況

根據下個寮滑坡的地形地貌、地質構造、結構特征及邊界特征等,選取主滑方向剖面4-4’剖面為研究對象,采用ABAQUS有限元軟件進行數值模擬。

數值模擬結果顯示,坡體上出現2條明顯的塑形應變帶(見圖5)。其中,②號塑性應變帶處于強風化-中風化層面附近,與勘探平硐揭示的深層滑面位置基本一致;①號塑性應變帶與前文滑坡成因的地質分析所得出的局部滑面位置接近,說明局部滑面的形成受斷層控制,還與滑坡本身受到重力荷載作用有關。

圖5 等效塑性應變

坡體的最大主應力自坡體表面至坡體內部遞增,分布趨勢隨坡體表面起伏呈現出“分層”的特點。坡體最大主應力值的量級處于0.1～1MPa之間,基本為負值,故最大主應力基本為壓應力(見圖6)。坡體表面最大主應力值在0～0.4MPa之間。

圖6 最大主應力

坡體在重力荷載作用下的水平位移分布見圖7。由圖7可知,滑體的位移量級在1～10cm之間。最大位移為15.75cm,出現在第一個大平臺附近。處于4-4′剖面大平臺附近的3-5測斜孔的監測數據顯示,由滑體表面至滑帶,滑體累積位移量最大值為21.7cm,滑體累積位移量在10～25cm之間(見圖8),數值模擬結果與監測數據結果較吻合。

圖7 水平位移

圖8 滑坡體平臺累計位移量(CX3-5)

5 結論

(1)通過室內試驗、大型原位剪切試驗獲得下個寮滑坡的力學參數并進行對比分析,無論是在天然狀態還是飽和狀態下,室內試驗所獲得的黏聚力明顯偏小,其原因為室內試驗試樣的制備過程中,土樣的原始應力釋放,土樣原有膠結結構遭到破壞。

(2)滑坡穩定性分析計算過程中,應以反算指標為主,有條件的情況下結合各種試驗指標進行校核。物理參數可選用室內試驗值,力學參數采用大型原位試驗法c值與反演分析法φ值,并與類似工程滑坡的經驗值進行比對,綜合確定滑帶土的抗剪強度指標。

(3)根據綜合選取的滑帶土物理力學參數,采用ABAQUS有限元軟件,模擬下個寮滑坡剖面的滑動情況,模擬結果顯示,坡體在重力荷載作用下水平位移在1～10cm之間,最大位移為15.75cm,出現在第一個大平臺附近,與監測數據較吻合。