淺析不平衡推力傳遞法在折線形滑動(dòng)面土體穩(wěn)定性分析中的運(yùn)用

亢 坷，王廣輝

(河南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，河南鄭州450000)

淺析不平衡推力傳遞法在折線形滑動(dòng)面土體穩(wěn)定性分析中的運(yùn)用

亢 坷，王廣輝

(河南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，河南鄭州450000)

通過對輝縣市沙窯鄉(xiāng)南坪村不穩(wěn)定斜坡穩(wěn)定性評價(jià)，演算分析介紹不平衡推力傳遞法在折線形滑動(dòng)面土體穩(wěn)定性分析中的運(yùn)用。

不平衡推力傳遞法;內(nèi)聚力;內(nèi)摩擦角;剩余下滑力

突發(fā)性滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生給社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和人民財(cái)產(chǎn)都帶來了較的損失，因此準(zhǔn)確預(yù)測滑坡災(zāi)害的發(fā)生對于避免工程建設(shè)本身遭受滑坡危害及使用期的正常運(yùn)行都至關(guān)重要。由于滑坡本身發(fā)生形式多樣、滑坡物質(zhì)組成復(fù)雜、計(jì)算公式較多，因此準(zhǔn)確選擇穩(wěn)定性驗(yàn)算公式是保證潛滑坡穩(wěn)定性分析正確與否的關(guān)鍵。現(xiàn)結(jié)合實(shí)例對計(jì)算公式之一的不平衡推力傳遞法進(jìn)行介紹分析。

1 概況

1.1 項(xiàng)目區(qū)交通位置

項(xiàng)目勘察區(qū)位于輝縣市西北部太行山腹地沙窯鄉(xiāng)南坪村境內(nèi)(國家AAAA級旅游區(qū)、國家地質(zhì)公園——河南省萬仙山風(fēng)景區(qū)內(nèi))。行政區(qū)劃隸屬于輝縣市沙窯鄉(xiāng)，地理坐標(biāo)為:東經(jīng) 113°35′46″～ 115°36′00″，北緯 35°42′20″～ 35°42′27″。區(qū)內(nèi)有S226省際公路與輝縣市和新鄉(xiāng)市連接，項(xiàng)目區(qū)距輝縣市區(qū)約50 km，距新鄉(xiāng)市區(qū)約75 km，項(xiàng)目勘察區(qū)與外界交通便利。

2.2 不穩(wěn)定斜坡空間形態(tài)和物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征

不穩(wěn)定斜坡在平面形態(tài)呈“舌”字形分布，空間形態(tài)總體上前緣低，后緣高，前緣高程745 m，后緣高程809 m，相對高差64 m。斜坡東西長548 m，南北平均寬63 m，斜坡面積3.45×104m2，坡角臨空，斜坡平均坡度 ＞40°。斜坡堆積物為第四紀(jì)粉質(zhì)粘土夾(碎)塊石地層，土石比為8∶2。粉質(zhì)粘土，褐黃色，松散—稍密，濕潤，可塑，結(jié)構(gòu)松散。(碎)塊石為淺紅色砂巖，塊徑一般0.3～3 m，最大可達(dá)4m，分選差，磨圓度低，呈次棱角—棱角狀。

斜坡體前緣及后緣粉質(zhì)粘土夾(碎)塊石埋深一般在0～3 m，中部埋深3～12 m。平均厚8 m。斜坡體坡面亂石堆較多，亂石塊徑一般在 0.5 ～1.5 m，最大塊徑 1.5 ～3 m，其中，塊徑0.5～1.2 m，約占70%，塊徑 1.5～3 m 約占 30%。亂石堆縫隙充填少量碎石土，下部為粉質(zhì)粘土夾(碎)塊石，粉質(zhì)粘土夾(碎)塊石地層以下為基巖，基巖地層巖性為太古界片麻巖，灰、淺灰、灰白色，片理構(gòu)造，由粘土礦物及云母等組成，表層節(jié)理、裂隙發(fā)育，易風(fēng)化，弱 ～中風(fēng)化，揭露層厚度1 ～1.5 m。

不穩(wěn)定斜坡體體積約27.6×104m3。

2 斜坡穩(wěn)定性計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)工程地質(zhì)勘探淺井和物探揭露的地質(zhì)剖面，其斜坡滑動(dòng)面整體呈折線型滑動(dòng)。計(jì)算基本假定如下:

1)沿斜坡橫斷面方向取1 m寬的土條作為計(jì)算的基本斷面，不計(jì)兩側(cè)摩阻力;

2)斜坡體每一分條假定為整體滑動(dòng);

3)斜坡體推力的作用方向平行于滑動(dòng)面;

4)推力的應(yīng)力分布為矩形。

斜坡的穩(wěn)定性計(jì)算選取軸向縱剖面作為穩(wěn)定計(jì)算模型基礎(chǔ)，根據(jù)滑面為折線形采用不平衡推力傳遞法滑移變形體進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)取單寬斜坡滑體進(jìn)行研究，簡化為二維空間問題進(jìn)行計(jì)算。斜坡穩(wěn)定計(jì)算剖面見條分圖。

2.2 計(jì)算方法

斜坡穩(wěn)定性計(jì)算采用《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T0219－2006)附錄 A.1.2公式 A.9。

2.2.1 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算公式

ψj為第i塊段的剩余下滑力傳遞至第i+1塊段時(shí)的傳遞系數(shù)(j=i)，即

TDi=rwhiwLitanβicos(αi－βi)孔隙水壓力產(chǎn)生的平行滑面的分力;

式中:K 為穩(wěn)定系數(shù);RDi=rwhiwLitanβisin(αi－ βi)孔隙水壓力產(chǎn)生的垂直滑面的分力;NWi=rwhiwLi為孔隙水壓力;Wi為第 i塊段的重量(kN/m);Ci為第 i塊段內(nèi)聚力(kPa);φi為第i塊段內(nèi)摩擦角(°);Li為第i塊段滑面長度(m);αi為第 i塊段滑面傾角(°);βi為第 i塊段地下水流向與水平面的夾角(°);A為地震加速度(單位:重力加速度g)。

2.2.2 滑坡推力計(jì)算公式

滑坡推力計(jì)算采用《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T0219 －2006)附錄 A.1.2 公式 A.10。

滑坡推力計(jì)算(不平衡推力傳遞法)公式如下:

其中:Pi為為i條塊的推力(kN/m);Pi－1為為第 i條塊的剩余下滑力(kN/m)。

下滑力Ti:

抗滑力Ri:

傳遞系數(shù)Ψ:

孔隙水壓力NWi:

即近似等于浸潤面以下土體的面積乘以水的容重。

滲透壓力平等滑面的分力:

滲透壓力垂直滑面的分力:

當(dāng)采用孔隙壓力比時(shí)，抗滑力Ri可采用如下公式:

式中:rU為孔隙壓力比。

2.3 計(jì)算參數(shù)的選取

2.3.1 土體重度的確定

該斜坡體的物質(zhì)組成為粉質(zhì)粘土夾(碎)塊石，經(jīng)取土樣測試天然密度重度值為18.6 kN/m3;干重度值為13.8 kN/m3;

2.3.2 土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的確定

本次勘查淺井中共采取土樣7組，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的平均值為:

天然抗剪峰值 C=30.25 kPa，φ =21.28°

飽和塊剪峰值 C=29.3kPa，φ =20.61°殘值 C=13.67 kPa，φ =8.6°

本次計(jì)算抗剪強(qiáng)度值采用 C=30.25kPa，φ=21.28°

2.3.3 防治工程分級

根據(jù)受災(zāi)對象、受災(zāi)程度、施工難度和工程投資等因素，按照《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T0219－2006)，滑坡防治工程級別劃分(見表1)，該防治工程分級確定為Ⅲ級。

2.4 防治工程設(shè)計(jì)安全系數(shù)的確定

根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T0219－2006)，滑坡防治工程設(shè)計(jì)安全系數(shù)推薦表(見表2)。本治理工程設(shè)計(jì)安全系數(shù)確定如下:

工況Ⅰ:自重;滑坡抗滑安全系數(shù)K=1.15～1.2;

工況Ⅱ:自重+地下水，滑坡抗滑安全系數(shù) K=1.10～1.2。

表1 一般滑坡防治工程分級表

表2 滑坡防治工程設(shè)計(jì)安全系數(shù)推薦表

2.5 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)的采集方法

本工程穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)采集方法為:按照工程地質(zhì)勘探淺井和物探揭露的地層資料制作計(jì)算剖面條分圖，本次共計(jì)算剖面 3 條(見 1－1′2 －2′、3－3′剖面計(jì)算條分圖)。

圖1 滑坡剖面1－1′計(jì)算剖面條分圖

圖2 滑坡剖面2－2′計(jì)算剖面條分圖

圖3 滑坡剖面3－3′計(jì)算剖面條分圖

采集剖面條塊的面積、滑面長度及傾角等有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計(jì)算和滑坡推力計(jì)算。3條滑坡剖面計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)(見表3)。

表3 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.6 斜坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

將計(jì)算剖面條分圖采集的各種數(shù)據(jù)及體重、土抗剪強(qiáng)度等參數(shù)值代入公式(A.9)，對斜坡體3條剖面等在各種工況下的穩(wěn)定性(穩(wěn)定系數(shù))進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4、表5。

表4 工況Ⅰ條件滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表5 工況Ⅱ條件滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2.7 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(DZ/0218－2006》滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分?jǐn)?shù)值(見表6)。

表6 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分表

將計(jì)算結(jié)果對照表2－6，分析判斷本斜坡穩(wěn)定狀態(tài)如下:

1)工況Ⅰ條件下，即斜坡體自重條件下，3條計(jì)算剖面穩(wěn)定系數(shù)K均≥1.15，根據(jù)表2－6劃分，斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2)工況Ⅱ條件下，即斜坡體自重和地下水共同作用條件下，3條計(jì)算剖面穩(wěn)定系數(shù)K均≥1.15，根據(jù)表2－6劃分，斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 小結(jié)

不均衡推力傳遞法是在滑面呈折線形時(shí)計(jì)算潛在不穩(wěn)定土體的一種方法，常見的滑面主要有單一滑面、折線形滑面、圓弧形滑面三種，因此應(yīng)結(jié)合地質(zhì)勘察對滑坡面進(jìn)行準(zhǔn)確把握;在穩(wěn)定性計(jì)算中，所有作用因素都要換算成力的作用列入計(jì)算公式。其中最困難的是滑帶土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C和φ值的正確選擇，它們對穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果影響巨大。

［1］滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范.(DZ/T0219－2006)

［2］滑坡防治工程勘查規(guī)范.(DZ/0218－2006.

P642.22

B

1004－1184(2012)03－0201－03

2012－01－04

亢坷(1986－)男，河南鄭州人，助理工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治、治理、勘察、設(shè)計(jì)、施工等工作。