類土質滑坡穩(wěn)定性影響因素及其相互作用規(guī)律研究

左昌群，徐 穎，丁少林，唐 霞

（1.中國地質大學 工程學院，武漢430074；2.天津大學 建工學院，天津300072）

目前，類土質邊坡仍是一個較新的概念，國外尚無此概念，在國內也只有少部分學者進行了初步的研究，楊明［1］首次從研究花崗巖殘積土邊坡中提出類土質的概念，其特性主要表現(xiàn)其邊坡的構成介質是經(jīng)原巖風化后留在原地形成的殘積物；趙曉彥［2］認為類土質邊坡是由巖體風化而成，且具有原巖的結構面等特征，同時未經(jīng)二次堆積，且穩(wěn)定特性明顯區(qū)別于均質土邊坡及巖質邊坡的一類邊坡；唐亮［3］對類土質邊坡的概念進行了進一步的完善，提出了類土質邊坡也存在于沉積巖類風化層組成的邊坡中。同時，也有許多學者對類土質邊坡的性質進行研究，如張顯坤［4］基于工程實例說明了傳遞系數(shù)法對類土質邊坡的穩(wěn)定性分析不適用；楊海平［5］采用改進的傳遞系數(shù)法對滑坡穩(wěn)定性進行了分析；王浩［6］對類土質路塹高邊坡的典型失穩(wěn)機制進行數(shù)值模擬研究，系統(tǒng)歸納總結其變形失穩(wěn)機制；陶宏亮［7］、萬全［8］、陳天?。?］等分別探討了庫水位變化及降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響；尤琳［10］、李明輝［11］等對復活型滑坡滑動機制進行了分析評價。但上述研究均未涉及類土質邊坡的穩(wěn)定性影響因素的敏感性分析，在此方面仍需進一步研究。

另外，許多學者對滑坡的敏感性分析也做了較多研究，如陳高峰等［12］基于均勻設計試驗，研究了邊坡穩(wěn)定性的敏感因素；田東方等［13］采用正交試驗法，對滑坡穩(wěn)定性的影響因素進行了顯著性檢驗；沈夢芬等［14］對膨脹土的水力學參數(shù)進行了邊坡穩(wěn)定性的敏感性分析，得出長時間的弱降雨對膨脹土邊坡的穩(wěn)定性有較大影響；張萬濤［15］、葛華［16］等也對滑坡穩(wěn)定性的影響因素進行敏感性分析，再次驗證了正交試驗在滑坡穩(wěn)定性的敏感性分析中的有效性；在上述分析中，均未涉及對類土質滑坡的研究，且并未對主要敏感性因素之間相互影響機理進行進一步的深入研究。因此，本文對類土質滑坡穩(wěn)定性影響因素的敏感性及其相互作用機理進行綜合分析，以期掌握類土質滑坡穩(wěn)定性影響因素的特點。

1 工程概況

永泰旗山滑坡丘頂平臺標高227.0m，坡腳階狀住宅小區(qū)標高81.5～92.5m，相對高差145.5m，原始山體呈凸形，總體呈上緩下陡狀，坡度20°～35°?；绿帋r土體主要為素填土、殘坡積黏性土、全風化凝灰?guī)r、散體狀強風化凝灰?guī)r、碎裂狀強風化片巖及中風化凝灰?guī)r。另外，根據(jù)勘察資料可知，滑體及其周邊出露的地層主要有侏羅系南園組及第四系更新統(tǒng)；同時，滑坡區(qū)范圍內未發(fā)現(xiàn)大斷裂構造通過，但滑坡區(qū)附近分布有局部區(qū)域構造。

2 滑坡穩(wěn)定性因素的敏感性分析

2.1 評價指標及水平的選取

滑坡是地質體在復雜地質環(huán)境下的滑移變形破壞，其評價指標為其穩(wěn)定性系數(shù)Fs。同時，根據(jù)滑坡穩(wěn)定性的影響因素確定降雨強度、滑帶土的抗剪指標、滑帶土的重度和地表土的重度為影響因素的計算指標。

根據(jù)相關資料，滑帶土內粘聚力的范圍為20～26.1kPa，內摩擦角的范圍為23.5°～26.6°，滑帶土重度取值范圍為16.5～25kN／m3，地表土的重度范圍為18.2～25.7kN／m3。對于降雨強度的水平劃分則采用控制總降雨量的方法進行確定。根據(jù)相關資料將總降雨量定為200mm，并依據(jù)降雨強度確定相應的降雨時間。根據(jù)上述各因素的取值范圍，將各因素的水平定為5級水平，各因素水平劃分見表1。

表1 各因素水平劃分

首先采用seep／w模塊模擬不同降雨水平對滑坡滲流影響，求得各降雨強度對應不同時步的孔隙水壓力，再采用slope／w模塊及Mogenstern－Price法對滑坡的穩(wěn)定性進行模擬，得出各試驗工況條件下的評價指標，即滑坡穩(wěn)定性系數(shù)。

在模型的建立過程中，根據(jù)前期勘察資料，選取滑坡主剖面，建立永泰滑坡的力學模型，其下邊界為豎向約束邊界，左右邊界為水平約束邊界，地表部分為降雨邊界。

2.2 正交試驗方案設計與結果分析

（1）正交試驗方案與計算結果。選取L25（56）正交表安排上述各因素正交的試驗方案，并利用Geo－Studio軟件對試驗方案進行模擬，其計算結果詳見表2。

（2）極差分析。根據(jù)上述試驗結果，首先采用極差分析法對結果進行分析，極差分析結果見表3?；瑤羶饶Σ两菍路€(wěn)定性的極差值最大，且明顯大于其他影響因子；其次，降雨強度、滑帶土的粘聚力和地表土的重度，三者對滑坡穩(wěn)定性的極差值相當，影響效果接近；最后，是滑帶土重度的極差值最小。同時，根據(jù)計算得出最不利水平組合，求解出滑坡在最不利組合下，穩(wěn)定性系數(shù)為0.901。

（3）方差分析。依據(jù)方差分析的原理，對試驗結果進行方差分析，其F檢驗臨界值見表4。根據(jù)前述方差分析方法，得出構造統(tǒng)計量，并將其與F檢驗臨界值進行對比，得出各影響因素對滑坡穩(wěn)定性的顯著性程度并對其分級，方差分析結果詳見表5。

降雨強度、滑帶土抗剪強度指標和地表土土體容重的F值均大于顯著性水平為0.01的臨界值，所以上述4個影響因素對滑坡穩(wěn)定性是高度顯著性影響；滑帶土容重的偏差平方和小于隨機誤差的偏差平方和，所以將滑帶土的偏差平方和并入隨機誤差，不需要再對滑帶土容重進行檢驗，滑帶土容重對滑坡的穩(wěn)定性無顯著性影響。

同時，根據(jù)方差分析表對F值進行大小排序，同樣得出滑帶土內摩擦角的F值最大，且明顯大于其他因素，其余排序也與采用極差方法對各因素的敏感性排序一致。因此說明極差分析與方差分析的結果具有一致性，可信度高。

表2 正交試驗計算結果

表3 評價指標極差分析

表4 F檢驗的臨界值Fα（f1，f2）

2.3 考慮交互作用的顯著性分析

另外，為了進一步了解各影響因素的綜合作用對類土質滑坡穩(wěn)定性的影響，再選取降雨強度、降雨歷時和滑帶土內摩擦角做交互作用分析。

根據(jù)交互作用試驗的基本思想，采用L8（27）安排各試驗，表頭設計詳見表6。滑帶土內摩擦角的水平為24.5°，25.2°，降雨強度的水平為80，40mm／d，降雨歷時的水平為3，5d。

對表6中的交互作用結果進行方差分析（表7），對滑坡穩(wěn)定性影響最大的是滑帶土的內摩擦角，其次是降雨歷時、內摩擦角和降雨歷時的交互作用、降雨強度、降雨強度和降雨歷時的交互作用，最后是內摩擦角和降雨強度的交互作用。

表5 方差分析

表6 交互作用計算結果

表7 交互作用方差分析

綜上所述，滑坡不僅受若干單一因素的作用，還受它們之間交互作用的影響。在實際的工程防治中，要綜合考慮各因素及其交互作用，提高滑坡防治的治理效果。

3 影響因素的作用規(guī)律研究

通過上述對滑坡穩(wěn)定性影響因素的敏感性檢驗可知，降雨及滑坡土體的抗剪強度對滑坡的穩(wěn)定性影響較大，但其相互作用規(guī)律仍需進一步研究，因此希望通過試驗來進一步研究降雨與類土質滑坡土體抗剪強度之間的交互作用規(guī)律。根據(jù)勘察資料可知，滑坡所處地區(qū)主要以凝灰?guī)r殘積土、鉀長花崗巖殘積土和花崗閃長巖殘積土為主。因此，本文試驗選取上述3種土體為試驗對象，并采用FDJ－20型四聯(lián)式非飽和土直剪儀對3種類土質土樣進行直剪試驗；并且考慮到降雨對滑坡土體抗剪強度的影響主要表現(xiàn)為降雨改變滑坡土體的含水量，所以本試驗主要研究含水量對不同類土質土體抗剪強度的影響。

3.1 試驗說明

本次試驗每組試樣分別設計50，100，150，200 kPa四種不同的基質吸力狀態(tài)，每種基質吸力狀態(tài)下的剪切試驗分別取100，200，300kPa三種不同的垂直壓力狀態(tài)進行。同時，本次試驗固結穩(wěn)定指標為每小時垂直位移變化量不超過0.005mm，固結過程可通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集；另外，剪切階段，在保持垂直壓力和基質吸力不變的狀態(tài)下，將水平剪切速率控制在0.148 0mm／min，開啟剪切位移采集程序，本次剪切試驗終止指標為兩個條件：（1）若剪切位移在8mm范圍內出現(xiàn)峰值，則峰值后2mm內可停止試驗；（2）若8mm內未出現(xiàn)峰值，則剪切位移8mm處即停止試驗，最大剪切力對應8mm處剪切力，試驗后對土樣進行開樣記錄。

3.2 試驗結果分析

通過試驗，得到相關結果，并根據(jù)經(jīng)典莫爾－庫倫強度準則擬合得出每種類土質試樣含水量與抗剪強度的關系曲線，見圖1，2。

（1）含水量對土體粘聚力的影響。含水量和粘聚力之間的回歸方程如下：

凝灰?guī)r殘積土粘聚力隨土樣含水量變化分析的回歸方程（擬合度0.94）：

鉀長花崗斑巖殘積土粘聚力隨土樣含水量變化分析的回歸方程（擬合度0.99）：

花崗閃長巖殘積土粘聚力隨土樣含水量變化分析的回歸方程（擬合度0.9）：

圖1 各類類土質土樣粘聚力隨質量含水量變化曲線

圖2 各類類土質土樣內摩擦角隨質量含水量變化曲線

由圖1可知，3種殘積土粘聚力隨含水量的變化趨勢具有相似性，呈拋物線型，大致可分為兩個階段：① 土體的粘聚力隨含水量的增加而增加；② 當含水量增加到某一程度時，土體的粘聚力隨含水量的增加而減小。分析其主要原因是：從土體的微觀角度分析可知，上述類土質土體含有黏土礦物，且黏土礦物主要為片狀構造，其比表面積較大，具有很強的結合水吸附能力。當土體含水量較少時，土顆粒之間主要是以膠結作用連接，結合水作用較小。隨著含水量的增加，使得土顆粒之間的膠結作用減小，而結合水不斷增加，促使顆粒之間的相互作用力由膠結作用變?yōu)榻Y合水作用，且結合水增加的作用力大于膠結作用減小的作用力，進而使得粘聚力增加。但隨著含水量的進一步增加，使得土體結合水膜進一步增厚，反而降低了結合水的連接能力，土顆粒之間趨于游離狀態(tài)，降低了土顆粒之間的相互作用，進而使得粘聚力出現(xiàn)下降。

但3種類土質的最優(yōu)含水量不一致，凝灰?guī)r殘積土的最優(yōu)含水量為24.82%，鉀長花崗斑巖殘積土的最優(yōu)含水量為14.75%，花崗閃長巖殘積土的最優(yōu)含水量是29.4%，其原因主要是：3類殘積土的礦物成分及微結構不一致。通過對3種土樣的礦物成分分析可知，3種類土質黏土礦物總含量相近，但成分不同，花崗閃長巖殘積土的黏土礦物成分主要為高嶺石；凝灰?guī)r殘積土的黏土礦物主要為伊利石；鉀長花崗斑巖殘積土的黏土礦物成分主要為蒙脫石。蒙脫石的晶體是由很多相互平行的晶層構成，相鄰兩晶層間以負電荷的氧原子層相對，同性相斥，連結力極弱，有較強的活動性，進而晶層間可吸收不定量的水分子，而高嶺石晶層間不對稱相接，水分子不易進入晶層，伊利石則處于蒙脫石與高嶺石之間，進而3類黏土礦物的親水性排列順序為：高嶺石＜伊利石＜蒙脫石。從該角度上可看出含蒙脫石較多的土體，吸水能力更強，水分子易進入晶層浸潤固體顆粒，進而使得顆粒之間的吸力增加（粘聚力），因此親水性越強使得固體顆粒與水分子之間達到平衡所需要的水分子質量越小，即在較小的含水量的情況下，易達到自身粘聚力的最優(yōu)含水量，該結論與試驗結果有很好的一致性。因此3種類土質峰值粘聚力所對應含水量的不同是由自身黏土礦物成分及含量控制的。

（2）含水量對土體摩擦角的影響。對含水量和摩擦角的擬合回歸方程如下：

凝灰?guī)r殘積土摩擦角隨土樣含水量變化分析的回歸方程為：

鉀長花崗斑巖殘積土摩擦角隨土樣含水量變化分析的回歸方程為：

花崗閃長巖殘積土摩擦角隨土樣含水量變化分析的回歸方程為：

由圖2可知，含水量對3種類土質試樣摩擦角的影響具有很好的一致性，表現(xiàn)為隨含水量的增加摩擦角不斷減小，其主要原因仍可從微觀角度進行分析：類土質土體在隨含水量不斷增加的過程中，結合水不斷增加，使得土顆粒之間的孔隙不斷增大，進而增加了孔隙內的游離水分子，該水分子對土顆粒之間的相對摩擦具有潤滑作用，進而降低了土顆粒之間的摩擦角；另外，土顆粒外部包裹的結合水膜對土顆粒的運動也有潤滑作用，是摩擦角減小的一個重要因素。

但含水量對3種土樣摩擦角的影響程度不一樣，表現(xiàn)為：含水量對花崗閃長巖殘積土的影響程度最大，其次是凝灰?guī)r殘積土，最后是鉀長花崗斑巖殘積土。究其成因主要是3種類土質含有不同的礦物，進而使得其結構有所差異，對水的吸收能力也不一樣，所以導致含水量對3種類土質摩擦角的影響程度不一樣。

4 結 論

（1）不考慮交互作用的正交分析結果表明：各影響因素對滑坡穩(wěn)定性的影響不盡相同，其敏感性排序為滑帶土內摩擦角、降雨強度、滑帶土粘聚力、地表土的重度、滑帶土重度。

（2）考慮交互作用的正交分析結果可知：對滑坡穩(wěn)定性影響最大的是滑帶土的內摩擦角，其次是降雨歷時、內摩擦角和降雨歷時的交互作用、降雨強度、降雨強度和降雨歷時的交互作用，最后是內摩擦角和降雨強度的交互作用，說明各影響因素對滑坡穩(wěn)定性的影響不是單獨作用的，他們之間存在相互作用效應。

（3）含水量對類土質的抗剪性質具有顯著的影響，其中粘聚力首先隨含水量的增加而增加，當含水量增加到某一程度時，土體的粘聚力隨含水量的增加而減??；同時，含水量對不同類土質內摩擦角的削弱程度不一樣，其中對花崗閃長巖殘積土的影響程度最大，其次是凝灰?guī)r殘積土，最后是鉀長花崗巖殘積土。造成上述現(xiàn)象的主要原因是不同土體微觀結構和礦物成分組成之間的差異。

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