滑坡滑帶土探查、強(qiáng)度參數(shù)反演及敏感性分析

段選亮，金福喜，余政興，程 鵬

（1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083；3.湖南省有色地質(zhì)勘查局二一七隊(duì)，湖南 衡陽(yáng) 421001）

0 引言

滑帶土是滑坡體的重要組成部分，滑坡的發(fā)生與否常常取決于滑動(dòng)面（帶）土體的應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度。從某種意義上講，滑坡的形成機(jī)理就是滑帶土的變形破壞過(guò)程[1-2]。因此，正確識(shí)別滑帶土、準(zhǔn)確分析滑帶土的強(qiáng)度特性對(duì)滑坡的治理具有重大意義。

滑帶的準(zhǔn)確判定是滑帶土取樣、研究的首要內(nèi)容和前提[3]。胡瑞林等[4]指出滑帶的識(shí)別方法主要包括：簡(jiǎn)易力學(xué)分析、野外地質(zhì)判斷、現(xiàn)場(chǎng)勘探、位移監(jiān)測(cè)和地球物理探測(cè)等。

由于土質(zhì)滑坡活動(dòng)的特殊性，滑帶土厚度一般很薄，根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，滑帶土厚度大多在幾毫米到幾厘米?；瑤梁穸缺×W(xué)性質(zhì)軟弱的特點(diǎn)使取樣工作難度極大[5]；通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)在探坑和淺井中對(duì)滑動(dòng)面的揭露比較直觀，在探坑和淺井中取樣，一種是沿滑動(dòng)面刮取滑帶土，進(jìn)行重塑土的抗剪試驗(yàn)[5-6]，另一種是采取包含滑動(dòng)面的塊狀土樣，在室內(nèi)做滑動(dòng)面的重合剪切[6]；為了更好的獲得滑帶土樣，陳關(guān)順等在滑坡勘查中，用環(huán)刀直接在現(xiàn)場(chǎng)取樣[7]；宋德文等發(fā)明了適用于采取滑帶土原狀樣，兼適于橫向鉆進(jìn)和豎向鉆進(jìn)取土的滑帶土原狀取土器[8]。

滑帶土的強(qiáng)度特性可用其峰值抗剪強(qiáng)度、殘余抗剪強(qiáng)度、滑坡啟動(dòng)強(qiáng)度、完全軟化強(qiáng)度以及流變研究中的長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度等5 個(gè)特征強(qiáng)度進(jìn)行表述[9]，因此對(duì)這些特征強(qiáng)度的研究也構(gòu)成了滑帶土強(qiáng)度特性研究的主要內(nèi)容。劉茂等總結(jié)了滑帶土五個(gè)強(qiáng)度的影響因素和變化規(guī)律[10]；含水率、吸力、滑帶土的粒度成分等影響滑帶土的長(zhǎng)期力學(xué)強(qiáng)度特性[11]；殘余強(qiáng)度主要是受滑帶土體不同狀態(tài)下的φ 值的影響，而影響φ 值的因素主要有土的成分、粘粒與礫石含量等[12-14]；C 值則直接影響峰值強(qiáng)度[14]，影響C 值的因素主要有剪切速率、含水率、固結(jié)歷時(shí)、超固結(jié)比和有效法向應(yīng)力[15-16]；對(duì)土體的軟化強(qiáng)度，主要是以研究土體的粘聚力和土中的基質(zhì)吸力為主，在土體飽和狀態(tài)下，研究φ 值的影響因素[16]，研究發(fā)現(xiàn)滑帶土的軟化強(qiáng)度主要與土的礦物成分、粘粒含量等[17]有關(guān)，隨著粘粒粒級(jí)的增大，完全軟化摩擦角減小；完全軟化摩擦角隨著粘粒的片狀化發(fā)展而減小[18]；滑帶土體在發(fā)生大位移剪切后使土顆粒重排列和重聯(lián)接，形成次生結(jié)構(gòu)[19]，因此影響土體顆粒重排列和重聯(lián)接的因素就是影響土體再生強(qiáng)度的因素，形成再生強(qiáng)度的前提條件是壓應(yīng)力的存在，外在影響因素有含水率、時(shí)間、固結(jié)壓力[20]，內(nèi)在影響因素主要是物質(zhì)成分[21]；周永昆等[22]以紅、黃兩種不同顏色的滑帶土研究發(fā)現(xiàn)夾層土的厚度對(duì)強(qiáng)度參數(shù)也有一定的影響；李維樹(shù)等指出地質(zhì)代表性、試驗(yàn)尺寸、試驗(yàn)數(shù)量、應(yīng)力大小、含水率及剪切面的形態(tài)等因素對(duì)強(qiáng)度參數(shù)具有重大的影響[23]。

實(shí)踐表明，除了采用大位移剪切[24]、環(huán)剪[25]等試驗(yàn)的方法獲得滑帶土強(qiáng)度參數(shù)外，采用科學(xué)合理的反算法及綜合多種方法評(píng)估滑帶土的強(qiáng)度參數(shù)也是獲得強(qiáng)度參數(shù)的有效途徑[14]；魏玉峰等結(jié)合強(qiáng)度再生理論及土的壓縮定律計(jì)算獲得了沙圈壩滑坡各地段滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)[26]；鄭明新論述了一個(gè)斷面的反算、多斷面聯(lián)立方程的反算[27]及不恢復(fù)滑動(dòng)前斜坡斷面的反算方法的原理及適用條件并提出了結(jié)合滑坡?tīng)顟B(tài)來(lái)綜合確定滑帶土強(qiáng)度的修正方法[28]；黃瑋等建立差分進(jìn)化支持向量機(jī)（DE-SVM）[29-30]反演模型用于黃土滑坡體參數(shù)反演[31]；國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者的研究表明基于傳遞系數(shù)法的反分析法[32-34]也具有良好的適用性；羅莉等應(yīng)用遺傳算法[35]反演滑坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)，其結(jié)果能與實(shí)際基本吻合[36]；湯羅圣等[37]以區(qū)域統(tǒng)計(jì)規(guī)律及工程地質(zhì)類比方法結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)滑坡的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行反演，并以監(jiān)測(cè)和調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)；鄧建輝等提出了一種基于強(qiáng)度折減概念可以模擬滑坡體的三維變形與破壞特征的三維數(shù)值反演分析方法[38]。

雖然對(duì)滑帶土已經(jīng)有了深入的研究，但在工程實(shí)踐中，滑帶土通常埋深大難以觀察和取樣，因此想要揭露滑帶深度和通過(guò)試驗(yàn)獲得準(zhǔn)確強(qiáng)度參數(shù)存在困難，且上述強(qiáng)度參數(shù)的反算方法具有計(jì)算量多、可操作性差等缺點(diǎn)，在工程中實(shí)用性較差。為了解決這些問(wèn)題，以某滑坡為例，采用鉆孔、探槽和探井三種探查方式進(jìn)行工程實(shí)踐，探討三種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，在試驗(yàn)和地質(zhì)類比的基礎(chǔ)上采用規(guī)范法對(duì)該滑坡的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行反演和敏感性分析。

1 工程概況

某滑坡總體地形西北高，東南低，圖1 為滑坡平面圖，滑坡后緣多處出現(xiàn)裂縫（圖2），裂縫張開(kāi)寬0.4～2.0m，形成0.2～4.5m 的錯(cuò)臺(tái)，且在不斷的擴(kuò)張，滑坡前緣加油站附近水泥板鼓脹隆起?；逻吔绾缶壱院缶壔瑒?dòng)裂縫為界，分界較為明顯，西側(cè)以拉張剪切裂縫為界，東側(cè)以陡坎、裂縫為界，前緣以山坡坡腳及滑坡堆積體前緣為界?；驴v長(zhǎng)160m，橫寬150m，滑坡體頂高126.82m、底標(biāo)高90.58m，高差36.24m，面積約16000m2，鉆孔揭露滑坡體最大厚度13.8m，最小厚度3.8m，平均厚度約10m，體積16×104m3，主滑方向147°，平均坡度20°，平面上呈簸箕型，剖面上滑帶呈圓弧形。后緣近似圈椅形，滑坡坡面起伏較大，為一推移式中型中層土質(zhì)滑坡。滑坡體主要由殘坡積粉質(zhì)粘土夾碎石及含礫粉質(zhì)粘土組成，滑帶主要由含礫粉質(zhì)粘土和強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖（P1d）組成，滑床主要由炭質(zhì)泥巖（P1d）和灰?guī)r（P1q）組成。

滑坡后緣見(jiàn)有拉張裂縫，后緣壁見(jiàn)有明顯擦痕（圖3）；滑坡體中部見(jiàn)有拉張—剪切裂縫，滑坡體坡腳擋墻嚴(yán)重破壞，可見(jiàn)連續(xù)裂縫。強(qiáng)降雨期間坡體出現(xiàn)大規(guī)?；?，滑塌的土體損毀擋墻堆積于居民樓后，滑坡體周界進(jìn)一步擴(kuò)大，現(xiàn)今截水溝大部分已處于滑坡體內(nèi)，這些跡象表明該滑坡目前正處于蠕滑變形階段。

圖1 滑坡平面圖Fig.1 Plane of landslide

圖2 滑坡后緣裂縫Fig.2 Posterior margin crack of landslide

圖3 滑坡后緣壁Fig.3 Posterior margin wall of landslide

2 滑坡地層結(jié)構(gòu)探查

該滑坡采用鉆孔、探槽和探井去揭露滑坡體的巖土層分布情況，探槽深度為2.1～3.7m，未能揭露滑帶埋深情況，但可以清晰的觀察到滑體裂縫的埋深及分布情況，同時(shí)能夠很好的觀察淺部土層的分布情況（圖4-5）。鉆孔最淺在4.5m 處揭露滑帶，最深在13.6m 處揭露滑帶，如圖6 所示為鉆孔揭露的滑帶土，其中圖6a 滑帶土為強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖（P1d）：灰褐色-黑色，污手，結(jié)構(gòu)松散，遇水易軟化，呈可塑-軟塑狀，炭泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、薄層狀構(gòu)造，手捏可斷，天然狀態(tài)下有油脂光澤；圖6b 滑帶土為含礫粉質(zhì)粘土：紅褐色-黃褐色，主要成分為粘粒、粉粒，硬塑-可塑狀態(tài)，刀切面無(wú)光澤，無(wú)搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等，普遍含水量較高，鉆進(jìn)速度較快，礫石含量約10～25%，礫徑0.1～0.8cm，主要成分為粉砂質(zhì)。

圖4 探槽Fig.4 Exploratory trench

圖5 探槽展布圖Fig.5 The expansion diagram of exploratory trench

圖6 揭露的滑帶Fig.6 Exposed slip band

從鉆孔巖心中難以看出滑帶土與上覆巖土層及下伏巖土層之間的分界線，因此無(wú)法判定是否為滑帶土及確定其埋深。因此，在鉆孔和開(kāi)挖探槽的基礎(chǔ)上，通過(guò)探井進(jìn)行勘探，探井揭露的情況如圖7 所示，從圖中可以看到滑帶土呈褐色，與上覆黃褐色土層有明顯區(qū)別，在探井中能夠直觀的看到巖土層的分布情況，并且可以觀察到巖土層之間的分界線。

圖7 探井中的滑帶Fig.7 Slide zone in exploration well

通過(guò)以上對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，探槽和探井能夠直觀反應(yīng)巖土層的分布情況，探槽由于深度有限，對(duì)于埋深較深的滑帶則無(wú)法揭露滑帶的位置，但能夠很好揭露滑體裂縫的分布和埋深；探井不僅能到達(dá)很深的位置，揭露滑帶的埋深，而且通過(guò)探井可以直接確定巖土層的分界線，同時(shí)在探井內(nèi)可以進(jìn)行滑帶土的取樣，在條件允許的情況下可以進(jìn)行原位測(cè)試；鉆孔雖然深度大，但是由于鉆孔的尺寸限制，僅能反映局部的巖土層情況，不能很好的反映滑帶土的埋深和分布，但鉆孔施工速度快、效率高，仍是工程勘察的首選手段。

3 滑帶土強(qiáng)度參數(shù)反演及敏感性分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)該滑坡共取13 件滑帶土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 滑帶土物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及類比其他工程經(jīng)驗(yàn)，滑帶土（含礫粉質(zhì)粘土）的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C=14.2kPa，φ=13.4°，飽 和 抗剪 強(qiáng) 度 指 標(biāo)C=13.3kPa，φ=12.2°；滑帶土（強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖）的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C=13.6kPa，φ=9.2°，飽和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C＝12.4kPa，φ=8.5°。

3.2 強(qiáng)度參數(shù)反演計(jì)算

反算公式采用《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864-2016）中的相關(guān)公式進(jìn)行反演計(jì)算，通過(guò)給定粘聚力C 或內(nèi)摩擦角φ，反求另一值，其公式如下[39]：

式中：Fs—滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)；L—滑帶長(zhǎng)度（m）；C—滑帶土粘聚力（kPa）；φ—滑帶土的內(nèi)摩擦角（°）；αi—第i 條塊滑面傾角（°）；Wi—第i 條塊的重量（kN/m）。

根據(jù)該滑坡地形剖面圖結(jié)合規(guī)范中的規(guī)定，本次參數(shù)反演分析計(jì)算采用現(xiàn)狀穩(wěn)定性系數(shù)強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖為Fs=1.05、含礫粉質(zhì)粘土為Fs=1.03。選擇主軸線剖面和次級(jí)滑面主軸線剖面為計(jì)算剖面進(jìn)行反算分析，計(jì)算天然狀態(tài)下的強(qiáng)度參數(shù)，反分析計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 滑帶土參數(shù)反算結(jié)果

由表2 可知滑帶土（含礫粉質(zhì)粘土）的抗剪指標(biāo)范圍：C 為11～17kPa，φ 為11.9°～15.1°，滑帶土（強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖）的抗剪指標(biāo)范圍：C 為11～17kPa，φ 為7.6°～10.1°，由以上反演分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，反算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)接近，因此規(guī)范法在滑帶土強(qiáng)度參數(shù)反演中具有較高的準(zhǔn)確性，同時(shí)由于本方法的計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單、計(jì)算量小，相對(duì)于其他反分析方法可操作性更強(qiáng)，更適用于實(shí)際工程。

3.3 敏感性分析

影響滑坡穩(wěn)定性的主要因素包括滑帶抗剪強(qiáng)度參數(shù)（C，φ 值）、滑體飽水情況及滑體容重的變化等，其中，滑坡飽水情況及滑體容重可以通過(guò)鉆孔水位測(cè)量、土工試驗(yàn)等方法得以確定，其取值相對(duì)較為準(zhǔn)確，而C，φ 值影響因素較為復(fù)雜，本次計(jì)算選取兩條主滑剖面（剖面1、剖面2）作為計(jì)算基礎(chǔ)，求得不同C，φ 取值情況下的穩(wěn)定系數(shù)，如表3、表4 所示。

表3 敏感性分析表（剖面1）

表4 敏感性分析表（剖面2）

從圖8-11 可知，滑動(dòng)面的C，φ 值對(duì)穩(wěn)定系數(shù)都有顯著的影響，其中φ 值的影響更為明顯。由圖可以看出，當(dāng)固定C，φ 中的一個(gè)值時(shí)，安全系數(shù)Fs都會(huì)隨著另一個(gè)值的增大而增加，通過(guò)關(guān)系曲線的斜率可以看出Fs-C 關(guān)系曲線的斜率小于Fs-φ 關(guān)系曲線的斜率，而關(guān)系曲線斜率的大小，反映了Fs對(duì)橫坐標(biāo)因素的敏感程度，所以本滑坡無(wú)論滑帶是含礫粉質(zhì)粘土還是強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，φ 值對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響都大于C 值，即Fs對(duì)φ 值的敏感程度更高。

圖8 Fs-C 關(guān)系曲線圖（剖面1）Fig.8 Fs-C relation curve（section 1）

圖9 Fs-φ 關(guān)系曲線圖（剖面1）Fig.9 Fs-φ relation curve （section 1）

圖10 Fs-C 關(guān)系曲線圖（剖面2）Fig.10 Fs-C relation curve（section 2）

圖11 Fs-φ 關(guān)系曲線圖（剖面2）Fig.11 Fs-φ relation curve（section 2）

4 結(jié)論

本文總結(jié)了有關(guān)滑帶土的研究情況，通過(guò)鉆孔、探槽和探井對(duì)某滑坡滑體進(jìn)行探查，并對(duì)滑帶土的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算和敏感性分析，得出以下結(jié)論：

（1）鉆孔、探槽和探井能夠直觀反應(yīng)滑體巖土層的分布情況，探槽由于深度有限，無(wú)法揭露較深滑帶的位置，但能夠很好揭露滑體裂縫的發(fā)展情況；在探井中能夠清晰觀察到巖土層的分界線進(jìn)而準(zhǔn)確判定滑帶的位置和確定埋深；鉆孔雖然深度大，但僅能反映局部的巖土層情況；

（2）采用規(guī)范法反演計(jì)算出來(lái)的強(qiáng)度參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果接近，并且該方法計(jì)算量小，過(guò)程簡(jiǎn)單，在實(shí)際工程中具有較高的適用性和準(zhǔn)確性，可操作性強(qiáng)；

（3）滑動(dòng)面的C，φ 值對(duì)穩(wěn)定系數(shù)都有顯著的影響，穩(wěn)定系數(shù)Fs會(huì)隨著兩個(gè)參數(shù)值的增大而增加，通過(guò)關(guān)系曲線的斜率可以看出Fs-C關(guān)系曲線的斜率小于Fs-φ 關(guān)系曲線的斜率，反映了Fs對(duì)φ 值的敏感程度高，所以本滑坡無(wú)論滑帶是含礫粉質(zhì)粘土還是強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，φ值對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響都大于C 值。