基于拉剪強度同等折減法的滑坡穩(wěn)定性分析

曾一芳，王 鵬，明俊男，趙 樺

(地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點試驗室〈成都理工大學〉，四川 成都 610059)

0 引言

滑坡失穩(wěn)的原因主要有內部和外部兩個因素。內部因素主要是滑坡巖土體的性質、組成成分、結構、地應力及裂紋等；外部因素主要有地震、水力條件和人類活動等。

水又是誘發(fā)淺表層滑坡的主要因素，對滑坡的影響分為兩方面：一方面是土體在雨水作用下力學性質發(fā)生改變，強度降低；另一方面是雨水使得土體重度增加，并產(chǎn)生滲透力作用[1]。對滑坡穩(wěn)定性分析的方法主要有極限平衡分析法、有限元強度折減分析法等。有限元強度折減法不僅可以確定滑坡的安全系數(shù)，還可以自動尋找滑坡潛在破壞位置[2-5]；對有限元強度折減法計算滑坡穩(wěn)定性的判據(jù)也有相應的適用范圍，并且在此基礎上提出了改進方法，以提高數(shù)值計算的精準性[6-7]。

滑坡在變形過程中，滑坡后緣、滑坡坡面等位置會出現(xiàn)明顯拉裂縫，甚至貫通拉裂縫，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)都與土體的抗剪強度和抗拉強度有重要關系。但由于滑坡土體抗拉強度相對較小，大多數(shù)情況下被忽略，因此，這增加了滑坡不穩(wěn)定的潛在因素。到目前為止，幾乎還沒有學者結合具體滑坡來分析土體抗拉強度對滑坡穩(wěn)定性的影響。因此，本文根據(jù)攀枝花鹽邊縣教師街淺層滑坡的室內試驗和現(xiàn)場實踐，研究含水率對滑坡穩(wěn)定性內在因素的影響關系；建立數(shù)值模型時考慮土體的張拉屈服破壞情況，采用具有安全儲備的有限元折減法——“拉剪強度同等折減法”[6]來計算滑坡穩(wěn)定性，分析抗拉強度、粘聚力和內摩擦角對滑坡穩(wěn)定性的影響情況。

1 滑坡工程地質條件

教師街淺層滑坡主要由松散的坡積土、洪積堆積土組成。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔及調查資料，教師街淺層滑坡地質剖面見圖1，滑坡區(qū)工程地質條件如下。

圖1滑坡工程地質剖面

(1)人工填土層：棕紅、紅褐色，局部灰黃色，主要由粉質粘土組成，含少量碎石及磚塊、混凝土、瓦等建筑垃圾。層厚5.0～11.20 m。為修建漁門集鎮(zhèn)時的棄土(堆填時間約15年)以及滑坡滑動后居民自發(fā)的填土。

(2)粉質粘土夾塊碎石層：黃、褐紅、棕紅、磚紅、灰白、灰色，主要由粉質粘土組成，稍濕，可塑狀，局部軟塑、硬塑。含3%～12%的輝長巖、砂巖碎塊石，中等風化,較堅固，棱角狀，見鐵錳質氧化膜。局部段塊、碎石富集，見少量卵石。該層厚度7.4～14.0 m，主要分布在滑坡區(qū)南西側及北側。

(3)巖層全風化帶地層：主要由粘土礦物、長石、石英等組成，泥質、粉砂質結構，薄—中厚層狀構造，具水平層理，泥質弱膠結，局部夾薄層粉砂巖，具有遇水軟化、暴曬干裂等特征。該層是組成滑帶的主要物質。

(4)強風化及中等風化層：青灰、深灰色。礦物成分主要為絹云母，次為綠泥石及炭質。鱗片變晶結構，薄—中厚層平行構造。巖層傾角60°～80°，少數(shù)在85°以上，傾向165°，大部分礦物已風化蝕變，風化裂隙發(fā)育，裂面見鐵錳質浸染。該層巖土體含水量較高，接近飽和狀態(tài)。

2 室內試驗

2.1 試驗儀器

2.1.1 含水率試驗儀器

(1)電子天平(稱量200 g，最小分度0.01 g)；(2)電熱烘箱(應能控制溫度為105°～110°)；(3)具有密封蓋的稱量盒。

2.1.2 剪切試驗儀器

(1)應變控制式直剪儀：由剪切盒、垂直加壓設備、剪切傳動裝置、測力計、位移量測系統(tǒng)組成；(2)環(huán)刀：內徑61.8 mm，高度20 mm；(3)位移測量設備：量程10 mm、最小分度0.01 mm的百分表。

2.2 試驗方法

2.2.1 含水率試驗方法

(1)用原狀土制取24組試樣，其中滑體土試樣12組，滑帶土試樣6組，滑床土試樣6組。每組試樣50 g，放入稱量盒，稱盒加試樣質量m0，準確至0.01 g；(2)將稱量盒及試樣置于烘箱內，在105°～110°恒溫下烘干；(3)將稱量盒放入干燥器內冷卻至室溫，稱盒加干土質量md，準確至0.01 g。試樣含水率ω0計算公式如下，結果記錄在表1中。

ω0=(m0/md-1)×100

(1)

2.2.2 剪切試驗方法

(1)將制取好的試樣放入剪切盒，并在試驗儀器上安裝水平位移測量裝置，調至零；(2)在剪切盒上施加垂直剪切壓力，拔去固定銷，立即以0.8 mm/min的剪切速度進行剪切，使試樣在3～5 min內剪損并結束試驗。

2.3 試驗結果分析

根據(jù)表1中成果數(shù)據(jù)可以得到含水率-粘聚力(ω-c)和含水率-內摩擦角(ω-φ)的關系圖，分別見圖2，圖3。

從圖2、圖3中可以看出滑坡在豎直方向各個滑層土體的粘聚力和內摩擦角與含水率的關系：

表1 教師街滑坡土樣試驗結果

圖2 滑坡區(qū)試樣土含水率與粘聚力關系

圖3 滑坡區(qū)試樣土含水率與內摩擦角關系

每一土層中的粘聚力和內摩擦角都隨著含水率的增大而減小；昔格達組泥巖雖然含水率高，接近飽和狀態(tài)，但是其最大含水率在36.1%左右，遠小于其他三組土層的最大含水率，最小粘聚力和最小內摩擦角也分別大于其他三組土層的最大粘聚力和最大內摩擦角。因此，昔格達組泥巖作為滑床是相對穩(wěn)定的，為教師街滑坡提供了地質基礎。

人工填土層的含水率變化范圍在34.2%～56.4%，相對于其他三組土層，含水率變化范圍是最大的；但是在相同的含水率條件下，人工填土層的粘聚力和內摩擦角都分別大于滑體粉質粘土層和滑帶粉質粘土層的粘聚力和內摩擦角；其原因是人工填土層是由碎石及磚塊、混凝土、瓦等建筑垃圾和棄土組成的，而這些建筑垃圾磨圓度較差，相互之間的嵌入形成的咬合作用強烈，所以填土層的內摩擦角較大；在建筑垃圾之間充填的棄土為粘土，而粘土的粘聚力較高，使得棄土在填土層中形成連接橋梁的作用，保證了填土層的粘聚力。因此，人工填土層相對滑體粉質粘土層和滑帶粉質粘土層是穩(wěn)定的。

滑體粉質粘土層在位置上位于人工填土層和滑帶粉質粘土層之間，從圖2和圖3中可以看出：在相同的含水率條件下，其粘聚力和內摩擦角數(shù)值大小也介于這兩者之間，滑帶粉質粘土層的粘聚力和內摩擦角最小。其原因是滑帶的粉質粘土與滑體的粉質粘土本來是同一種粉質粘土，但是在水和壓力的作用下，導致粉質粘土層與泥巖層接觸面附近的粉質粘土力學性質發(fā)生改變，具體表變現(xiàn)為粘土顆粒之間的連接力和咬合作用減弱，使得接觸面附近粉質粘土的粘聚力和內摩擦角減小，從而形成相對于泥巖層和滑體粘土層的弱力學性質層面——滑帶粘土層。

3 數(shù)值模擬試驗

3.1 數(shù)值模擬方案設計

以往的強度折減法過分重視邊坡的剪切破壞特征，忽略了邊坡的張拉破壞特征,而邊坡的破壞形式不是單純的剪切破壞，往往為“張拉+剪切”破壞(即使一般邊坡也有部分位置發(fā)生張拉破壞)，根據(jù)拉剪強度同等折減的強度折減法原理，應把滑坡的抗拉強度指標也作為折減的一部分。定義K為折減系數(shù)，有折減公式如下：

(2)

式中：cf——滑坡土體折減后的粘聚力，φf——土體折減后的內摩擦角，Tf——土體折減后的抗拉強度指標。

利用表1中的數(shù)據(jù)進行整理分析，得出滑坡土體折減結果如表2所示。

表2 滑坡折減參數(shù)設計

本文數(shù)值模型將利用FLAC軟件根據(jù)實測滑坡剖面進行建立，模型長75 m，高36 m，共有三層結構：人工填土層，滑體及滑帶層，滑床層；模型采用Mohr-Coulomb準則；邊界條件為：左右邊界限制X方向的位移，底邊界限制X、Y方向的位移，在上邊界加載力邊界條件，來模擬滑坡頂面的堆載作用。模擬折減計算過程見圖4。

圖4 數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分

3.2 模擬計算結果分析

3.2.1 滑坡臨界折減系數(shù)分析

根據(jù)模擬計算結果可以得到如表3中數(shù)據(jù)，并可得到攀枝花教師街滑坡的折減系數(shù)-滑坡穩(wěn)定系數(shù)圖(K-F)，抗拉強度指標-滑坡穩(wěn)定系數(shù)圖(T-F)，粘聚力&內摩擦角-滑坡穩(wěn)定系數(shù)圖(c&φ-F)。

從圖5中可以看出：隨著折減系數(shù)的增加，滑坡穩(wěn)定性逐漸減小。當滑坡折減系數(shù)K=1時，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)F=1.316，此時滑坡穩(wěn)定，未出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象；當折減系數(shù)逐漸減小到1.3時，滑坡穩(wěn)定系數(shù)F=1.011，此時滑坡處于穩(wěn)定與失穩(wěn)的平衡狀態(tài)，但滑坡仍保持穩(wěn)定；在折減系數(shù)K=1.35時，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)F=0.975，此時滑坡失穩(wěn)，出現(xiàn)滑動。因此，通過抗拉剪折減系數(shù)法的數(shù)值模擬得出：教師街滑坡的最終安全系數(shù)為1.3，即粘聚力c≥13.692 kPa，內摩擦角φ≥7.615°，抗拉強度指標T≥19.308 kPa。

表3 滑坡基于抗拉剪折減系數(shù)法的數(shù)值模擬結果

圖5 滑坡折減系數(shù)與穩(wěn)定系數(shù)關系

3.2.2 滑坡影響因子敏感度分析

從圖6，圖7分析滑坡穩(wěn)定性影響因子(c、φ和T)可以發(fā)現(xiàn)：滑坡穩(wěn)定系數(shù)都分別隨著粘聚力c、內摩擦角φ和抗拉強度指標T的減小而減小。從圖6中可以看出：當抗拉強度指標T=25.1 kPa時，滑坡穩(wěn)定系數(shù)F=1.316；當T=18.593 kPa時，滑坡穩(wěn)定系數(shù)F=0.975。則可以得到抗拉強度指標T與滑坡穩(wěn)定性系數(shù)F之間的敏感度ST=ΔT/ΔF=0.064；同理分析粘聚力c和內摩擦角φ分別與滑坡穩(wěn)定系數(shù)F之間的敏感度有：Sc=0.074，Sφ=0.133。通過以上靈敏度的分析可知：攀枝花教師街滑坡對土體內摩擦角φ的敏感度最高，對土體抗拉強度指標T和粘聚力c的敏感度相接近，這也說明土體抗拉強度對滑坡穩(wěn)定性的影響是不容忽視的，應該加以重視。

圖6 滑坡抗拉強度與穩(wěn)定系數(shù)關系

圖7 粘聚力和內摩擦角與穩(wěn)定系數(shù)關系

3.2.3 滑坡坡肩和坡腳位移分析

分析圖8滑坡坡肩和坡腳位移與折減系數(shù)的關系可知：坡肩位移S1和坡腳位移S2隨著折減系數(shù)K的增大而增大；在相同折減系數(shù)條件下，坡肩位移大于坡腳位移；在折減系數(shù)K=1～1.3時，S1從0.01 m增加到0.06 m，S2從0.001 m增加到0.0146 m，當K=1.35時，S1=0.21 m，S2=0.047 m；由此可知，坡肩位移和坡腳位移都在K=1.35時發(fā)生了跳躍式增長，這點從圖8中也可看出。因此，可以判斷滑坡在K=1.35時發(fā)生破壞變形，因此應注意滑坡坡肩的位移變化。

圖8 折減系數(shù)與坡肩和坡腳位移關系

4 結論

通過攀枝花教師街滑坡室內試驗和數(shù)值模擬分析，可以得出如下結論：

(1)滑坡在滑動過程中，后緣和坡面常出現(xiàn)拉裂縫，甚至貫通拉裂縫，這與土體抗剪強度和抗拉強度均有重要關系。所以普通有限元強度折減法不能完全保證滑坡穩(wěn)定性計算結果的有效性。因此，采用考慮土體抗拉強度的折減系數(shù)法，即拉剪強度同等折減法來分析滑坡穩(wěn)定性更科學合理。

(2)通過室內試驗，分析了含水率與不同土層的粘聚力和內摩擦角的關系發(fā)現(xiàn)：滑床的泥巖層與滑體的粉質粘土層之間形成了一個弱力學層面——滑帶層，滑帶層的粘聚力的和內摩擦角遠小于上下兩層面，尤其是在水的影響作用下，粘聚力和內摩擦角顯著減小，這是導致滑坡失穩(wěn)的根本原因。

(3)利用抗拉剪滑坡強度有限元折減法分析發(fā)現(xiàn)：教師街滑坡臨界安全折減系數(shù)K=1.3，臨界粘聚力c=13.692 kPa，臨界內摩擦角φ=7.615°，臨界抗拉強度指標T=19.308 kPa。

(4)通過滑坡含水率影響因子敏感度的分析發(fā)現(xiàn)：滑坡土體內摩擦角φ對滑坡穩(wěn)定性影響最顯著；滑坡土體抗拉強度指標T對滑坡穩(wěn)定性產(chǎn)生了與粘聚力相似的影響程度，因此滑坡土體抗拉強度對滑坡的影響是十分重要的，應加以重視。

(5)對滑坡坡肩位移S1和坡腳位移S2分析發(fā)現(xiàn)：S1>S2，并且二者都在折減系數(shù)為1.35時位移發(fā)生突變，呈跳躍式增長，可以判定此時滑坡失穩(wěn)，因此應注意滑坡坡肩和坡腳的位移變化。

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