考慮蠕變特性的滑坡穩(wěn)定狀態(tài)分析研究

【摘要】滑坡是由巖土體建造而成，滑坡的穩(wěn)定性受巖土體蠕變特性的影響至深。巖土體的穩(wěn)定與否，決定著滑坡是否發(fā)生形變以及形變程度。對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，和對(duì)其依照位移監(jiān)測(cè)材料進(jìn)行預(yù)測(cè)，都需要考慮滑坡的蠕變特性，也就是巖土體的蠕變特性。筆者將以三峽庫區(qū)馬家溝滑坡為研究對(duì)象，采用傳統(tǒng)的強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析，對(duì)比是否考慮蠕變特性的差異，分析蠕變特性對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，從而得出結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】蠕變 強(qiáng)度折減法 滑坡穩(wěn)定

1前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展， 采 用 數(shù)值模擬方法分析巖土體穩(wěn)定性已 成為 常用 的 技術(shù)手段，其中 有 限元強(qiáng)度折減法因 其原理簡單、參數(shù)較少、結(jié)果準(zhǔn)確而被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程和研究中。 傳統(tǒng)的 強(qiáng)度折減法早在20世紀(jì)70年代就已 提出 ， 后 因 計(jì)算 機(jī)技術(shù)的發(fā)展得以 實(shí)現(xiàn)， 其基本原理是在土體理想彈塑 性本構(gòu)模型下， 逐漸降低減小強(qiáng) 度 參數(shù)， 直到 土體發(fā)生 破壞，進(jìn)而根據(jù)土體塑性區(qū)或位移得到實(shí)際滑動(dòng)面及安全系數(shù)。

滑坡變形是一個(gè)累進(jìn)、漸變的過程，巖土體的蠕變特性可以通過滑坡的變形程度來推測(cè)出來?；碌淖冃闻c時(shí)間相關(guān)，主要受蠕變影響?；鹿こ桃彩墙鼛资陙韼r土工程中一直關(guān)注的問題。至今，研究者已對(duì)水利、建筑、橋梁及滑坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行了大量研究，而應(yīng)用計(jì)算方法的研究中大獲成功。研究表明，考慮運(yùn)用強(qiáng)度折減法分析蠕變特性在滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)中影響是巨大的。

2現(xiàn)狀分析

蠕動(dòng)滑坡是指為滑體持續(xù)、緩慢、長期變形的滑坡類型，此類滑坡不僅會(huì)對(duì)附近設(shè)施和建筑造成不同程度危害，而且對(duì)滑坡已有防治結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果同樣產(chǎn)生不利影響。 蠕動(dòng)滑坡的變形演化和穩(wěn)定性受到內(nèi)外因素的共同作用，一方面滑坡物質(zhì)特別是滑帶土的變形和力學(xué)特性具有時(shí)間效應(yīng)； 另一方面降雨、 庫水升降和地面荷載等不斷改變坡體的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。 前者是滑坡變形的物質(zhì)基礎(chǔ)，后者則是滑坡滑動(dòng)的誘發(fā)因素。因此，蠕動(dòng)型滑坡的變形機(jī)制和穩(wěn)定性分析應(yīng)以滑坡物質(zhì)的蠕變特性研究為基礎(chǔ)。目前，滑帶土蠕變特性研究通常采用室內(nèi)試驗(yàn)方法，但試樣主要為鉆孔取樣的小尺寸土樣，且試驗(yàn)前剔除了試樣中粗顆粒成分。 然而針對(duì)含有大量碎石、礫石的非均質(zhì)滑帶土。 若在制樣過程中人為剔除大粒徑物質(zhì)， 勢(shì)必影響試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。由此可見，針對(duì)非均質(zhì)滑帶土開展大尺寸蠕變?cè)囼?yàn)研究，對(duì)于掌握滑帶土蠕變性質(zhì)十分必要。

3滑坡概況及演化特征

3.1馬家溝滑坡概況

馬家溝滑坡位于長江一級(jí)支流吒溪河左岸，滑坡兩側(cè)為自然沖溝，前緣呈舌狀伸入吒溪河中，后緣張拉后在地形上呈陡坡狀?；氯L為 538 m，寬為 180 m， 前、 后緣高程分別為135、280 m。 根據(jù)鉆探數(shù)據(jù)，滑帶最大埋深為32 m， 最小埋深處僅有 11 m， 總體積104 m3，屬于大型滑坡?；w主滑方向?yàn)?91° ， 基本與吒溪河正交。

3.2滑坡變形趨勢(shì)

在滑坡體上布置了一條沿著主滑剖面的監(jiān)測(cè)線， 5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn) J01、 J02、 J03、 J04、 J05 高程分別為 182、 203、 222、 240、 250 m， 采用 GPS 實(shí)現(xiàn)滑坡地表位移的監(jiān)測(cè)。由于 2010 年后滑坡變形受到試驗(yàn)抗滑樁干擾，為充分呈現(xiàn)滑坡無有效抗滑措施前的變形演化過程，本文采用滑坡 2007 年 2 月 —2009年 12 月的表面 GPS 監(jiān)測(cè)位移數(shù)據(jù)開展分析。

滑坡變形整體表現(xiàn)為快速變形、變形衰減和慢速穩(wěn)定變形3個(gè)階段?？焖僮冃坞A段，由于每次水位變化后引起滑坡體的滲流場(chǎng)發(fā)生變化，同時(shí)改變滑坡體內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)分布，從而引起滑坡變形迅速發(fā)展；滑坡變形衰減階段，滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)逐漸趨于穩(wěn)定，滑坡變形的速率逐漸減?。宦僮冃坞A段，滑坡滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)基本穩(wěn)定，滑坡變形平穩(wěn)發(fā)展，滑坡處于緩慢、持續(xù)、漸進(jìn)的變形過程，體現(xiàn)滑坡的蠕動(dòng)特性。

4強(qiáng)度折減法分析

強(qiáng)度折減法的原理是通過對(duì)初始強(qiáng)度參數(shù)除以 一個(gè)折減系 數(shù)得到新的 參數(shù)， 進(jìn)而使用 新的 參數(shù)計(jì)算 以實(shí)現(xiàn)土體穩(wěn)定性 降低 乃 至 破壞， 該方法 最 早 由 Zienk和iewi 等提出 ， 并逐漸應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析。

傳統(tǒng)的強(qiáng)度折減法在對(duì)巖土體進(jìn)行強(qiáng)度折減時(shí)，是將材料的強(qiáng)度參數(shù)除以相同的折減系數(shù)，降低巖土體的強(qiáng)度后再次進(jìn)行試算，通過逐漸增加折減系數(shù)的方法來降低巖土體的強(qiáng)度，直到巖土體達(dá)到臨界破壞的狀態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)即為巖土體的穩(wěn)性系數(shù)。但是傳統(tǒng)強(qiáng)度折減法在每次折減參數(shù)試算時(shí)均只改變了強(qiáng)度值， 而變形參數(shù)值卻保持不變， 這顯然與實(shí)際不符。 研究表明 ， 巖土體變形 參數(shù)與 強(qiáng) 度 參數(shù)具有 很大關(guān)聯(lián)性， 隨著抗剪強(qiáng)度參數(shù)的折減， 相應(yīng)的彈性模量和泊 松比也會(huì)隨著 出 現(xiàn)相 應(yīng) 的 調(diào) 整。

有限元強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定性可以 考慮巖土體的非線性或彈塑性本構(gòu) 關(guān)系 ， 能夠模擬邊坡的 漸進(jìn)性破壞過程。因 此可 以 建立 強(qiáng) 度 參數(shù)與 彈性模量之間 的變化關(guān)系 等式， 實(shí) 現(xiàn)強(qiáng) 度 折減法中 的 強(qiáng) 度 參數(shù)折減時(shí)對(duì)彈性模量進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整的目 的。

蠕變特性是巖土體力學(xué)性質(zhì)中不可忽視的重要特性，采用合理的方法對(duì)巖土體的蠕變特性進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)的研究，需要選取合適的蠕變構(gòu)型以及準(zhǔn)確確定巖土體模型的參數(shù)，進(jìn)而才能充分反映巖土體蠕變特性對(duì)滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)的影響。

5結(jié)論

（ 1）馬家溝滑坡滑帶土為典型的穩(wěn)定蠕變材料，在荷載變化時(shí)經(jīng)歷了瞬時(shí)彈塑性變形、 衰減蠕變變形和穩(wěn)定蠕變變形3個(gè)階段，其中后兩者為與時(shí)間相關(guān)的變形?；瑤猎谌S蠕變加載工況下的變形趨勢(shì)與滑坡宏觀變形演化階段基本相同。

（ 2）滑帶土絕對(duì)蠕變量和穩(wěn)定蠕變階段的蠕變速率同時(shí)受圍壓和剪應(yīng)力水平影響， 即絕對(duì)蠕變量和穩(wěn)定蠕變速率與軸向應(yīng)力值呈正相關(guān)； 而滑帶土衰減蠕變持續(xù)時(shí)長與圍壓數(shù)值并不相關(guān)，其值隨著偏應(yīng)力值的增加呈線性增加。

（ 3）由于短時(shí)間內(nèi)滑帶土的時(shí)間劣化效應(yīng)較弱，加載初期土體的等時(shí)曲線基本呈線性，隨著加載時(shí)間的增長，土體劣化效應(yīng)增強(qiáng)，不同時(shí)刻等時(shí)曲線的間距逐漸減小，曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。由等時(shí)曲線確定滑帶土長期強(qiáng)度值，其長期黏聚力值與長期內(nèi)摩擦角分別為 22.8 kPa和16.1°，較常規(guī)值分別下降24.8%和22.4%。

（ 4） 滑帶土的變形演化階段與滑坡整體變形階段具有較好的一致性，但由于室內(nèi)試驗(yàn)條件與現(xiàn)場(chǎng)工況的區(qū)別，試驗(yàn)結(jié)果的變形量級(jí)和各階段持續(xù)時(shí)長與現(xiàn)場(chǎng)有很大差異，后續(xù)研究將提煉滑帶蠕變模型，同時(shí)結(jié)合上部滑體土的性質(zhì)， 反演滑坡整體變形過程，以探索蠕動(dòng)型滑坡變形機(jī)并有效預(yù)測(cè)滑坡后期變形

結(jié)束語

隨著自然災(zāi)害的頻繁發(fā)生和其不可控制性，我們對(duì)滑坡巖土體的研究顯得十分重要。只有了解滑坡的變形規(guī)律和影響其變形的因素，才能有效進(jìn)行防范工作。其中，考慮蠕變特性的滑坡穩(wěn)定性分析是關(guān)鍵的一點(diǎn)，根據(jù)這一因素得出的結(jié)論才是準(zhǔn)確的。采用強(qiáng)度折減法也是對(duì)蠕變特性分析中關(guān)鍵的一點(diǎn)。研究結(jié)果表明， 馬家溝滑坡滑帶土具有典型的穩(wěn)定蠕變材料特性， 蠕變階段可分為衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變 2 個(gè)變形過程， 其變形趨勢(shì)與滑坡宏觀變形演化具有較好的一致性； 滑帶土絕對(duì)蠕變量和穩(wěn)定蠕變階段的變形速率均與軸向應(yīng)力值呈正相關(guān)， 而衰減蠕變階段的續(xù)時(shí)長隨著剪應(yīng)力水平增加基本呈線性增加。

考慮蠕變特性研究滑坡穩(wěn)定性問題是巖土工程中一大重點(diǎn)更是一大亮點(diǎn)，分析利用強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析蠕變問題是比較恰當(dāng)而有效的方法?？傊?，實(shí)現(xiàn)對(duì)這一問題的研究是研究者及探索者的一大成就。

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