層狀邊坡滑動邊界強度參數(shù)取值方法研究

向俊博，喻邦江，劉士偉，魏玉峰，王小群

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，成都　610059；2.貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司，貴陽　550001)

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層狀邊坡滑動邊界強度參數(shù)取值方法研究

向俊博1，喻邦江2，劉士偉1，魏玉峰1，王小群1

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，成都610059；2.貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司，貴陽550001)

滑坡滑帶土強度參數(shù)取值的準確性，決定了滑坡穩(wěn)定性計算的可靠程度。因此獲得準確、可靠的滑動邊界強度參數(shù)至關重要。然而在實際情況中，由于取樣位置試樣的代表性，以及試樣轉運過程中保存條件的限制，現(xiàn)場所取得的滑帶土在室內(nèi)試驗得到的強度參數(shù)已經(jīng)不能完全反映真實環(huán)境下的抗剪強度。因此考慮軟弱夾層、滑帶土各種物理和力學指標間存在必然聯(lián)系，并表現(xiàn)出特定的規(guī)律性，嘗試通過試驗，揭示指標間的關聯(lián)規(guī)律，并建立了相關性好的關系式，據(jù)此評價滑動邊界的抗剪強度參數(shù)。

滑動邊界；強度參數(shù)；物理指標；取值方法

1　引言

自然界中具有層狀構造的沉積巖占陸地面積的三分之二，許多變質巖也具有層狀構造特征[1]。由于對層狀裂隙巖體工程特性缺乏深入了解而造成重大事故的工程屢見不鮮，如1963年意大利瓦依昂(Vaiont)水庫近壩段的巨型滑坡；我國葛洲壩工程因層狀巖體中分布有軟弱夾層而致使工程幾度停工，造成工程投資增加十幾倍；雅礱江二灘水電站上游霸王山滑坡系層狀巖體發(fā)生的潰屈破壞；南芬露天礦、峨口露天礦等在開采過程中，采場局部邊坡失穩(wěn)破壞的類型亦屬順層面滑動[2-5]。

對層狀巖質邊坡進行穩(wěn)定性評價，關鍵在于要如何正確準確地獲得層狀巖體的力學參數(shù)。因此，對于一種正確有效可行的層狀巖體力學參數(shù)獲取方式的研究便顯得十分具有意義。而在實際情況中，由于取樣后環(huán)境發(fā)生變化以及不可避免的擾動，在室內(nèi)試驗得到的強度參數(shù)已經(jīng)不能代表真實環(huán)境下的抗剪強度。并且由于滑帶土在現(xiàn)場情況下和在實驗室里處的環(huán)境不同，所得到的c、φ值不具普遍性。因此本研究借助于軟弱夾層、滑帶土、土體的各種物理力學指標有著內(nèi)在的聯(lián)系，通過掌握各物理指標間的變化規(guī)律，來得到滑帶土的強度參數(shù)[6-8]。

2　方法原理

根據(jù)以往的研究可以發(fā)現(xiàn)，對于軟弱夾層、滑帶土、土體的各種物理力學指標而言，它們之間都存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。比如含水量(w)、干密度(ρd)和抗剪強度指標(c、φ)之間就存在這樣的普遍規(guī)律：對于同一個土體(試樣)，含水量越高，干密度就越低(ρd=ρ/1+w)，相應的其抗剪強度指標也就越低。

2.1含水量w與c、φ值

于是根據(jù)這種規(guī)律，就可以利用這種方法來得到滑帶土的抗剪強度參數(shù)：在現(xiàn)場取出滑帶土進行原位測試(測含水量w和天然密度ρ)，然后在實驗室做擬合試驗，把試樣加水使其含水量接近液限，然后進行抗剪強度試驗得到在這種含水量的條件下的c、φ值，之后使其含水量降低1～2個百分點再進行抗剪強度試驗，得到又一組與含水量對應的c、φ值。如此反復循環(huán)，直到試驗含水量遠小于塑限為止。這樣就得到一組含水量與c、φ值的對應值，分別做出含水量w與c、φ值的關系曲線，得到含水量w與c、φ值的關系式，再把在現(xiàn)場測得的滑帶土的含水量帶入所得到的關系式，這樣就可以求得滑帶土的抗剪強度指標[5](圖1)。

2.2含水量w與孔隙比e

同時往往受限于各種客觀條件，現(xiàn)場不能進行大規(guī)模的鉆孔取樣以獲得各個不同部位的滑帶土。而為了獲得準確的含水量w的值，就要利用孔隙比e和含水量w之間的關系得到滑帶土不同部位的含水量。在這里利用“重力壓密”方法對滑帶土進行取值分析：首先在室內(nèi)進行滑帶土的壓縮試驗，獲得孔隙比e與正應力p之間的關系；然后利用有限元技術計算滑帶土不同部位的正應力，以得到其孔隙比；再利用孔隙比e和含水量w之間的關系得到滑帶土不同部位的含水量；最后利用含水量與抗剪強度指標之間的關系得到一組c、φ值，取平均值再折減即可。

圖1　層狀邊坡滑動邊界強度參數(shù)取值流程

3　工程應用

本文以楊家溝滑坡為例，對滑帶土強度參數(shù)取值及穩(wěn)定性研究進行闡述。

3.1工程概況

楊家溝是順層滑坡，滑坡平面形態(tài)不規(guī)則，分上游區(qū)和下游區(qū)。上游區(qū)滑體在整個滑坡中占主要，并且方量較大，幾乎是下游區(qū)滑體的2倍，楊家溝滑坡的穩(wěn)定性可簡化為研究上游區(qū)滑體的穩(wěn)定性。楊家溝滑坡的剖面形態(tài)像大刀形，滑坡后緣高程950 m，前緣高程710 m?；w平均厚度35～40 m，滑坡中前部厚度最大，約56 m，前緣20～25 m，中部40～50 m，后緣相對較薄為5～8 m。滑坡體積約250×104m3。

表部覆蓋有大約5～8 m左右厚的碎石土；中部為一層厚約35 m的基本保持原有巖層層序結構的變質凝灰?guī)r塊石層;下部為變質凝灰?guī)r碎石、塊石層，碎塊石呈棱角狀，灰白色，厚10 m左右，其間充填次生土及巖粉，滑帶土發(fā)育在此層底部;底部基巖為長城系碧口群變質凝灰?guī)r，局部夾石英巖、砂質板巖和泥質板巖，厚-巨厚層狀，深灰綠色。

現(xiàn)場在滑坡中前部PD042(高程772 m)51 m處取的滑帶土原狀樣?；瑤а仨槍訑鄬影l(fā)育，滑面走向NW271°～275°，傾SW(岸外)，傾角52°～55°?；瑤咙S褐色，厚約3～6 cm，干燥致密，為含礫的粘土，硬塑狀，其中礫石由小于1cm的碎裂巖、片狀巖和角礫巖組成(圖2)。其基本物理指標如下表2及顆分試驗結果表1。

根據(jù)楊家溝滑坡滑帶土顆分試驗結果分析可知，礫石粒含量27.5%，砂粒含量33.5%，粉粒含量21.3%，粘粒含量17.7%。砂粒占了整個式樣的1/3，說明滑帶土以砂性為主。

圖2　楊家溝滑坡滑帶土(平硐揭露)

表2　楊家溝滑坡滑帶土基本物理指標

3.2滑帶土強度參數(shù)取值

(1) 滑帶土的室內(nèi)壓縮試驗

在室內(nèi)將現(xiàn)場取回的滑帶土配制成接近液限的試樣，放入高壓固結儀中，分別以0 kPa、12.5 kPa、25 kPa、50 kPa一直到3 200 kPa進行逐級加壓，其各級壓應力下獲得的孔隙比e見下表3。得到的e-p關系曲線見圖3。

表3　楊家溝滑坡滑帶土壓縮試驗各級壓力下的孔隙比

圖3　楊家溝滑坡滑帶土e-p關系曲線圖

從試驗的結果可知，孔隙比e和正應力p之間具有極好的相關性，得到孔隙比e和正應力p之間的關系式：

e=-0.042 8ln(P)+0.604 8-R=0.999 9

(1)

(2) 滑坡剖面上不同部位滑帶土孔隙比e和含水量w的獲得

計算滑坡剖面上不同部位的正應力，利用公式(1)得到滑坡剖面不同部位的孔隙比，再利用下面的公式(2)得到不同位置的含水量(表4)，天然狀態(tài)下楊家溝滑坡滑帶土飽和度為50.74%，取飽和度天然狀態(tài)50%和飽水狀態(tài)100%計算。

(2)

式中,e為孔隙比；Sr為飽和度；G為顆粒密度(2.76 g/cm3)

(3) 利用室內(nèi)剪切試驗獲得含水量與c、φ值的關系

從表1可知，楊家溝滑坡滑帶土塑液限較低，分別為14.5%和22.5%，因此做剪切試驗時，滑帶土的含水量從8.1%一直做到18%，一共做了6組試驗，試驗結果見圖4。從圖中可以看出，正應力和剪應力有著很好的相關性(相關性系數(shù)在0.9以上)。表5是各級含水量條件下試樣的密度和抗剪強度指標。

圖4　楊家溝滑坡滑帶土各級含水量下的τ-σ關系曲線

點號X坐標Y坐標正應力/MPaew/%天然w/%飽水1420.86260.410.13130.407.1714.352403.00242.180.33730.366.4412.893371.58212.760.36190.356.3912.784342.67183.530.50560.346.1312.265314.31156.360.55270.336.0612.126295.71133.880.52490.346.1012.207268.7098.770.68260.335.9011.798249.3579.701.12250.305.5111.029227.3067.261.31820.305.3910.7710215.5463.691.12660.305.5111.0211187.8858.010.79230.325.7811.5612166.9254.640.55820.336.0512.1113138.3454.850.42620.356.2612.5214100.2356.210.35190.356.4112.82

根據(jù)表5結果可以得出含水量(w)與內(nèi)聚力(c)、摩擦系數(shù)(f)之間的相關曲線(圖5、圖6)。

圖5　滑帶土的c-w關系曲線

由此可以得到滑帶土含水量(w)與內(nèi)聚力(c)、摩擦系數(shù)(f)之間的關系式：

ln(c)=-0.351 7×w+6.339 0-R=0.976 4

(3)

f =-0.588 5ln(w)+1.638 1-R=0.997 2

(4)

(4) 滑坡剖面不同位置強度參數(shù)的獲得

將表4中所獲得的含水量帶入公式(3)、(4)，可以得到滑帶土在兩種情況下不同位置的強度參數(shù)(表6)。

圖6　滑帶土的f-w關系曲線

根據(jù)表6得出的結果，考慮安全因素綜合取值得到楊家溝滑坡滑帶土的抗剪強度參數(shù)：

天然狀態(tài)：c=60 kPa，f=0.65

飽水狀態(tài)：c=40 kPa，f=0.57

4　總結

準確評價層狀巖體的穩(wěn)定性，不僅需要查清巖體的組成結構的特征、變形破壞模式、滑動邊界條件內(nèi)在因素，而且還要正確確定巖體的力學參數(shù)、選擇正確的分析方法。

本方法通過在現(xiàn)場進行原位測試取得原始數(shù)據(jù)，然后結合實驗室擬合試驗，分別做出含水量w與c、φ值的關系曲線，得到含水量w與c、φ值的關系式，再將現(xiàn)場原始數(shù)據(jù)帶入所得到的關系式，求得滑帶土的抗剪強度指標。同時為了獲得準確的含水量w的值，在室內(nèi)進行滑帶土的壓縮試驗，獲得孔隙比e與正應力p之間的關系；然后利用有限元技術計算滑帶土不同部位的正應力p，以得到其孔隙比e；再利用孔隙比e和含水量w之間的關系得到滑帶土不同部位的含水量。最終利用本研究所屬方法，在現(xiàn)場試驗條件有限、試驗數(shù)據(jù)較少的情況下，獲得了較為準確的邊界強度參數(shù)。并且通過實際工程中的應用，驗證了該方法具有可行性。

致謝

本文研究受中國博士后科學基金(編號2016M590890)、貴州省交通運輸廳科技項目(編號2015-121-025)資助。

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BEDDED SLOPE SLIDING BOUNDARY STRENGTH PARAMETER SELECTION METHOD RESEARCH

XIANG Jun-bo1,YU Bang-jiang2, LIU Shi-wei1,WEI Yu-feng1，WANG Xiao-qun1

(1. State Key Laboratory of Geo-azard Prevention and Geo-nvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu610059,China; 2.Communication Survey and Planning Institute of Guizhou Province, Guiyang550001,China)

The accuracy of landslide sliding zone soil strength parameter selection, determines the reliability of the landslide stability calculation.So get accurate and reliable slip boundary strength parameters is very important.In reality, however, because of the inevitable in the process of sampling disturbance, style in the process of the sample transfer and storage condition is limited, the scene of sliding zone in indoor test of strength parameters can no longer be on behalf of the shear strength of the real environment.So weak interlayers, sliding zone soil, the soil there is a connection between the various physical and mechanical index, and showed a certain regularity, so through the experiments, reveal index between the association rule, and set up good correlation relation, on the basis of evaluation of shear strength parameters of sliding boundary.

Sliding boundary； strength parameters； physical index； accessor methods

1006-4362(2016)03-0075-06

2016-05-10改回日期：2016-06-20

TU41

A

向俊博(1991- )，男，漢族，碩士研究生，主要從事巖土工程方向研究。E-mail:459332055@qq.com