土質(zhì)滑坡漸進破壞力學模型與破壞概率分析

孟銀貴 魏 濤 劉 渝 丁堅平

(1.貴州大學資源與環(huán)境工程學院，貴州貴陽 550025；2.四川省建筑科學研究院，四川成都 610082；3.昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093)

土質(zhì)滑坡漸進破壞力學模型與破壞概率分析

孟銀貴1魏 濤2劉 渝3丁堅平1

(1.貴州大學資源與環(huán)境工程學院，貴州貴陽 550025；2.四川省建筑科學研究院，四川成都 610082；3.昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093)

為了研究土質(zhì)滑坡孕育、變形、失穩(wěn)破壞的內(nèi)在演化規(guī)律，考慮巖土體強度參數(shù)的隨機及功能函數(shù)的的模糊性，建立滑坡漸進破壞的力學模型，推導出滑坡漸進破壞的穩(wěn)定性計算公式，建立漸進性滑坡的破壞概率模型，求得可靠性指標和破壞概率。利用漸進破壞力學模型和基于極限平衡的蒙特卡洛模擬法，對四川省漢源縣塘上房滑坡進行可靠性分析。將滑面的內(nèi)摩擦角和黏聚力作為隨機變量，利用室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，對隨機變量進行統(tǒng)計分析，得到其數(shù)字特征。計算各條塊的局部破壞概率、條塊間的漸進破壞概率，找到滑坡局部破壞概率最大的位置。

土質(zhì)滑坡 漸進破壞 蒙特卡洛模擬法 模糊隨機性 破壞概率

多種因素導致滑坡的產(chǎn)生和發(fā)展，這些因素具有隨機性，不能準確確定取值。因此，滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)的研究復雜。根據(jù)滑坡破壞發(fā)育過程表現(xiàn)特征的不同，可分為兩種類型：突然失穩(wěn)型和漸進破壞型。突然失穩(wěn)型滑坡多發(fā)生于邊坡受力狀態(tài)突然變化的情況，如強烈地震、洪水猛漲、庫水位驟降等；漸進破壞型滑坡則與突然失穩(wěn)型滑坡相反，演化的時間較長，滑坡的發(fā)育表現(xiàn)出比較明顯的漸進破壞過程[1]。

作為土質(zhì)滑坡發(fā)育比較普遍的形式，漸進破壞型滑坡的起因主要是滑坡巖土體抗剪強度的逐漸降低。根據(jù)漸進破壞的概念，滑坡是一個土體隨時間而緩慢變形和突發(fā)性崩塌的過程。針對滑坡漸進破壞過程而進行的穩(wěn)定性狀態(tài)研究，韓流[2]根據(jù)滑動面抗剪強度退化機理，分別建立了牽引式和推移式漸進破壞力學模型；王宇[3]運用模糊隨機可靠性理論探討滑坡漸進破壞的時空演化特征；鄒宗興[4]針對大型順層巖質(zhì)滑坡提出漸進鎖固力學模型，同時給出該模型的數(shù)學表達式；劉忠玉[5]建立了基于Maxwell松弛模型的具有應變軟化性質(zhì)的土質(zhì)邊坡漸進破壞力學模型。但這些研究方法多針對某一種類滑坡或者評價結(jié)果，人為因素較大；對于土質(zhì)滑坡這樣一個復雜的系統(tǒng)，要既考慮隨機性又考慮其模糊性。采用蒙特卡洛模擬法，考慮巖土體強度參數(shù)的隨機及功能函數(shù)的模糊性，建立漸進性滑坡的破壞概率模型，從而求得安全系數(shù)的概率分布，進而求得可靠性指標和破壞概率等，更加客觀地反映滑坡的漸進破壞變形特征。

1 滑坡的漸進破壞力學模型

借助極限平衡法，將漸進破壞隨機應用于滑坡變形破壞機制的分析中。把滑體劃分為若干條塊，根據(jù)摩爾-庫倫破壞準則，第i土條的峰值抗剪力Tpi和重力Gi之間滿足Tpi=Cpili+(Gicosβi-uili)tanφpi，其中：Cpi為結(jié)構面上的峰值黏聚力；φpi為結(jié)構面峰值強度的內(nèi)摩擦角；li為條塊底面長度；βi為條塊底部滑面傾角；ui為條塊底面的水壓力。當條塊所受剪力Ti達到或超過峰值抗剪力Tpi時，土體會出現(xiàn)滑面位置從峰值抗剪強度減小至殘余抗剪強度，即應變軟化現(xiàn)象[6]。當剪應力大于Ti等于峰值抗剪力Tpi時，滑面條塊底部的抗剪強度不足以用來平衡剪切力，此時第i條塊便將不平衡應力傳遞給下一條塊，使應力重新分布，從而得出：第i條塊傳遞至第i+1條塊的剩余推力Fi為

(1)

式中：Cri為滑面殘余黏聚力；φri為滑面殘余強度的內(nèi)摩擦角。

第i+1條塊所允許的最大抗剪力為

Tpi+1=Cpi+ili+1+[Gi+1cosβi+1+Fisin(βi-βi+1)-

(2)

式中：Tpi+1為第i+1條塊峰值抗剪力；Cpi+1為第i+1條塊滑面上最大黏聚力。li+1為第i+1條塊長度，Gi+1為i+1條塊的重力；βi+1為i+1條塊的滑面傾角；φpi+1為第i+1條塊峰值強度的內(nèi)摩擦角，ui+1為i+1條塊底部水壓力。

根據(jù)不平衡推力法的計算原理，第i條塊不平衡力可表述為

(3)

式中ψ為推力系數(shù)，ψ=cosΔαi+sinΔαitanαi；Δαi=αi-1-αi，αi為第i條塊底部滑面傾角，安全系數(shù)Fs通過迭代得出，最后滿足Fi+1=0的Fs即為滑坡的安全系數(shù)[7]。

2 漸進式滑坡的破壞概率模型

根據(jù)滑坡巖土體結(jié)構、破壞機理和受力狀況，可以建立如下函數(shù)

(4)

式中：x1,…,xm為具有一定分布的隨機變量，分別表示容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角、孔隙水壓力等，統(tǒng)計值為已知。設狀態(tài)函數(shù)為安全余度K,當K大于0時，即表示滑動面上的抗滑力大于下滑力，滑體穩(wěn)定；當K小于0時，則滑動面上的抗滑力小于下滑力，滑體不穩(wěn)定。選定Ci、φi作為最基本隨機變量，由式(1)求得一個安全系數(shù)的隨機樣本K′，重復N次，就可得到N個相對獨立安全余度樣本值K1，K2,…，KN[9]。當K=0時，表示安全余度處于極限狀態(tài)。由于參數(shù)的隨機性、測試結(jié)果可能出現(xiàn)誤差、地質(zhì)體的不均勻性、外界因素變化隨機性等特點，K值也成為一個具有一定破壞概率PFi的隨機分布函數(shù)，即

(5)

3 實例分析

塘上房滑坡位于漢源縣宜東鄉(xiāng)海亭村， 距漢源縣約39 km，有鄉(xiāng)道相連，交通極為便利?；聟^(qū)屬于構造侵蝕中山地貌，區(qū)內(nèi)出露的地層自上而下分布為第四系冰水堆積(Q3fgl)含碎石粉質(zhì)黏土、碎石土、卵石土，第四系沖洪積(Q4al+pl)卵石土和侏羅系新村組(J3X)泥巖。經(jīng)調(diào)查分析，該滑坡穩(wěn)定性不受周圍流沙河侵蝕基準面影響。塘上房滑坡屬中型土質(zhì)滑坡，滑坡平面形態(tài)呈“矩形”，縱向呈臺階狀，坡體中后部地形相對整個斜坡明顯下沉，表現(xiàn)出一定的“圈椅狀”地形。滑坡主滑方向209°，滑坡后緣高程1 230 m，前緣高程1 160 m，相對高差70 m。滑坡縱長150 m，橫寬約180 m，坡體平均厚度約20 m，體積約54×104m3。野外地質(zhì)調(diào)查及室內(nèi)資料分析表明，滑坡是受地形、地震及降雨等因素共同影響的結(jié)果。地震條件下，在地震外營力的影響下，坡體后部裂縫形成并貫通，滑體土為結(jié)構松散的含碎塊石粉質(zhì)黏土；暴雨條件下，雨水順裂縫入滲，增加坡體重度、軟化滑面，導致滑帶土抗剪強度降低；滑坡體后部土體厚度較大，坡體坡度大，臨空面大，后部土體推擠中前部土體發(fā)生滑動。滑坡的破壞模式為后緣土體牽引變形引發(fā)的推移式土質(zhì)滑坡。目前滑坡整體處于蠕滑階段，遇暴雨或者地震極可能誘發(fā)坡體滑移。

3.1 滑坡的穩(wěn)定性評價模型及參數(shù)選取

選取滑坡主剖面為研究對象，根據(jù)剖面形態(tài)特征對其進行垂直分條，如圖1所示。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，滑體土的物理力學參數(shù)如表1所示。

圖1 塘上房滑坡漸進破壞概率計算剖面

表1 滑坡巖土體物理力學參數(shù)

3.2 滑坡的整體穩(wěn)定性與破壞概率分析

結(jié)果顯示:在初始狀態(tài)下，滑坡安全系數(shù)為1.142，當滑面完全貫通時，安全系數(shù)降低至1.029，降低了9.895%，此時滑面完全貫通。同時，計算結(jié)果表明：在漸進破壞過程中，隨著滑坡主剖面整體坡角的降低，安全系數(shù)表現(xiàn)出相似的折減規(guī)律，呈線性增長?；嬖陴ね翆又袧u進發(fā)育時，滑坡安全系數(shù)遞減速度變慢，呈二次線性遞減?；碌钠茐母怕试酱螅略饺菀装l(fā)生破壞。

4 結(jié)論

通過推廣滑坡穩(wěn)定性分析時常用的不平衡推力法， 提出了具有應變軟化性質(zhì)的土質(zhì)滑坡漸進破壞演化模型，推導了漸進破壞型滑坡穩(wěn)定性的計算公式。結(jié)合塘上房滑坡，計算了其不同階段滑坡的穩(wěn)定性，一定程度上展示了該模型的漸進破壞特性。

基于既可以計算滑坡推力又可以計算安全系數(shù)的不平衡推力法，利用可靠性分析的蒙特卡羅模擬法，考慮滑帶土力學強度參數(shù)及功能函數(shù)的模糊隨機性，建立滑坡漸進破壞的破壞概率模型。分別計算各條塊的局部破壞概率、條塊間的漸進破壞概率，找到滑坡局部破壞概率最大的位置。而潛在初始破壞位置及變形方式的預測，可以作為支護設計的重點考慮部位，指導控制性監(jiān)測點布設，有助于監(jiān)測和防治工作的進行。

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TheMechanicsModelinProgressiveFailureProcessandFailureProbabilityAnalysisofSoilLandslide

MENG Yin-gui1WEI Tao2LIU Yu3DING Jian-ping1

2014-10-24

孟銀貴(1986—)，女，碩士研究生。

1672-7479(2014)06-0034-03

P642.22

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