滑坡失穩(wěn)的斷裂機(jī)制研究

王學(xué)軍 鄒啟紅

(重慶607勘察實(shí)業(yè)總公司，中國(guó) 重慶 400056)

滑坡是指斜坡或邊坡表面巖土體沿著某一破壞面向前發(fā)生位移的地質(zhì)地貌現(xiàn)象及動(dòng)力學(xué)過(guò)程，工程上稱為不良地質(zhì)現(xiàn)象，它是一種全球泛生型重大地質(zhì)災(zāi)害，據(jù)國(guó)土資源部發(fā)布的全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害通報(bào)表明，近十年來(lái)我國(guó)每年產(chǎn)生滑坡災(zāi)害平均10000次以上，況且滑坡發(fā)生時(shí)往往帶來(lái)慘重的損失，輕則阻斷交通，重則掩埋房屋造成大量的人員傷亡，如2014年6月30日上午9時(shí)許，云南省福貢縣臘吐底村俄瑪?shù)啄颈灸岚l(fā)生重大山體滑坡災(zāi)害，造成15人失蹤、3人受傷，交通中斷，經(jīng)濟(jì)損失巨大；2013年1月11日云南省昭通市鎮(zhèn)雄縣果珠鄉(xiāng)高坡村發(fā)生山體滑坡，近10余戶村民住房被掩埋，遇難人數(shù)達(dá)20人。因此，進(jìn)行滑坡失穩(wěn)機(jī)制研究不僅有其科學(xué)價(jià)值，更有實(shí)際工程價(jià)值，尤其在當(dāng)今構(gòu)建和諧社會(huì)的大環(huán)境下，關(guān)注人民生命財(cái)產(chǎn)安全顯得尤為重要。

針對(duì)滑坡失穩(wěn)方面的課題，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表的成果較多，有的也寫(xiě)進(jìn)了相關(guān)規(guī)范中，如對(duì)于地方性的規(guī)范準(zhǔn)則，重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)《地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中給出了滑坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算方法，并提出了一些常用的防治工程手段；對(duì)于暫時(shí)還沒(méi)寫(xiě)進(jìn)規(guī)范的研究成果也具有潛在實(shí)用價(jià)值，如周福川、王小委從斷裂力學(xué)角度推導(dǎo)了土質(zhì)滑坡錨桿受拉位移解析表達(dá)式，并對(duì)某實(shí)際工程案例做了計(jì)算分析，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值相近，顯示了理論計(jì)算公式的實(shí)用性[2]；朗惠芳、代彤認(rèn)為巖質(zhì)滑坡失穩(wěn)往往是節(jié)理裂隙發(fā)育所致，滑動(dòng)面巖橋在沒(méi)有達(dá)到巖石抗剪屈服強(qiáng)度的條件下就已經(jīng)屈服，從而導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)[3]；趙隊(duì)家等以平面旋轉(zhuǎn)滑坡為研究對(duì)象，認(rèn)為該類滑坡形成模式包括：下部壓密變形—中部牽引蠕動(dòng)—后緣引張拉裂等過(guò)程[4]；程謙恭、胡厚田將側(cè)翼鎖固平面旋轉(zhuǎn)滑坡變形模式概化為橫向均布荷載與軸向受壓組合變形的懸臂梁模型，從能量角度導(dǎo)出了滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的解析表達(dá)式，從而定量驗(yàn)證了平面旋轉(zhuǎn)滑坡的動(dòng)力學(xué)機(jī)理及穩(wěn)定性判據(jù)；吳永等關(guān)注暴雨這一誘發(fā)滑坡的最重要因素，通過(guò)算例分析發(fā)現(xiàn)震后受損巖坡的裂縫存在一個(gè)可在裂隙水作用下自行擴(kuò)展、貫通軟弱夾層的臨界深度，同時(shí)也存在一個(gè)決定滑坡體穩(wěn)定與否的軟弱夾層滲水區(qū)域極限長(zhǎng)度；王寶亮等認(rèn)為滑坡發(fā)育機(jī)制的核心是滑動(dòng)帶在壓剪荷載作用下的斷裂擴(kuò)展，同時(shí)采用極限平衡理論和斷裂力學(xué)理論建立了滑坡破壞機(jī)制的力學(xué)分析方法，分析方法運(yùn)用于三峽庫(kù)區(qū)故陵滑坡中，效果良好。

本文擬在前人研究成果的基礎(chǔ)上，深入開(kāi)展滑坡失穩(wěn)的斷裂機(jī)制研究，以期滑坡穩(wěn)定性分析能更進(jìn)一步定量化，從而推動(dòng)減災(zāi)學(xué)科的發(fā)展。

1 滑坡失穩(wěn)機(jī)制初探

不同的野外地質(zhì)環(huán)境造就了不同形態(tài)的滑坡，進(jìn)行滑坡失穩(wěn)研究首先就是要進(jìn)行滑坡野外識(shí)別工作，從而形成了不同的滑坡分類標(biāo)準(zhǔn)，如按滑坡體積分類、滑坡厚度分類和滑坡體物質(zhì)組成分類等。不管何種分類形式，一個(gè)典型滑坡往往具有標(biāo)志性的滑動(dòng)面，有些滑坡雖然看不出明顯的滑動(dòng)面，但根據(jù)開(kāi)裂裂縫也能判斷出滑動(dòng)面位置。為分析方便，建立如圖1所示滑坡分析模型，各部分名稱此處不做敘述。

借鑒土力學(xué)中關(guān)于土體作圓弧滑動(dòng)方面的知識(shí)，我們將滑坡失穩(wěn)原因歸結(jié)為下滑力矩大于阻滑力矩，從而形成力矩形式下的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)表達(dá)式，如公式（1），這也是各種規(guī)范中給出的處理思路。

式中，MR為滑坡體沿滑動(dòng)面的下滑力矩 （kN·m）；Ms為由滑動(dòng)面的內(nèi)聚力和摩擦力形成的阻滑力矩（kN·m）。

當(dāng)由式（1）計(jì)算得到的 Fs＞1 時(shí)，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng) Fs＜1 時(shí)，滑坡處于非穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)Fs=1時(shí)，滑坡處于極限平衡狀態(tài)。當(dāng)然，這是在未考慮安全儲(chǔ)備的情況下給出的判定方式，在需要考慮安全儲(chǔ)備的情況下又另當(dāng)別論。

雖然上述處理方法是經(jīng)典的，也是規(guī)范推薦的，但是很多時(shí)候計(jì)算的結(jié)果并不十分讓人滿意，當(dāng)然很大一部分原因源自實(shí)際工程的復(fù)雜性，畢竟現(xiàn)有理論研究的問(wèn)題都趨于理想化，但是還有一部分原因來(lái)自于我們并沒(méi)有完全掌握滑坡發(fā)生滑動(dòng)的實(shí)質(zhì)，即斷裂的問(wèn)題。滑坡發(fā)生滑動(dòng)本質(zhì)上還是滑動(dòng)面上未貫通部分發(fā)生斷裂、擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致整個(gè)滑動(dòng)面的貫通，這顯然是一個(gè)典型的斷裂力學(xué)問(wèn)題，針對(duì)滑坡分析模型，從中提煉相應(yīng)的斷裂分析模型，對(duì)于滑坡失穩(wěn)機(jī)制的研究無(wú)疑是積極的。

2 滑坡失穩(wěn)的斷裂力學(xué)分析

我們認(rèn)為未發(fā)生滑動(dòng)的滑坡體滑動(dòng)面上存在所謂的貫通段和未貫通段，表現(xiàn)在圖1上即為圖2所示。

圖2 含貫通段和非貫通段的典型滑坡斷面圖

從力學(xué)角度來(lái)看，此類典型滑坡滑動(dòng)面土體單元皆處于壓（拉）剪應(yīng)力狀態(tài)，因此可以采用同一斷裂模型代替分析。我們?cè)诨禄瑒?dòng)面上包含貫通段一定范圍取單元，建立斷裂分析模型，如圖3所示，（a）類模型是在滑坡頂部滑動(dòng)面取單元構(gòu)建的，（b）類模型是在滑坡中部滑動(dòng)面取單元構(gòu)建的，下面分別針對(duì)這兩類斷裂模型進(jìn)行求解。

圖3 滑坡滑面處斷裂分析模型

（1）滑坡頂部滑面處斷裂分析模型裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子求解滑坡頂部滑面處斷裂分析模型中的裂紋顯然屬于邊裂紋的情形，考慮到實(shí)際工程中，裂紋的長(zhǎng)度相對(duì)于滑坡的寬度可以忽略不計(jì)這一事實(shí)，我們將斷裂模型的邊界視為無(wú)限邊界，查閱《應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)》，此模型可按下圖方式進(jìn)行等效。

圖4 滑坡頂部滑面處斷裂分析模型等效處理

等號(hào)右邊第一個(gè)模型中的σ和τ分別按（3）、（4）式變化

等號(hào)右邊第二個(gè)模型中的σ和τ則分別按（5）、（6）式變化

針對(duì)等號(hào)右邊第一個(gè)模型，查閱《應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)》有

針對(duì)等號(hào)右邊第二個(gè)模型，查閱《應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)》有

因此滑坡頂部滑面處斷裂分析模型裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算公式如下：

至此，滑坡頂部滑面處斷裂分析模型裂紋尖端Ⅰ型、Ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子皆求解完畢。

（2）滑坡中部滑面處斷裂分析模型裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子求解

滑坡中部滑面處斷裂分析模型中的裂紋可視為無(wú)限邊界板所含的中心裂紋，針對(duì)此斷裂模型，《應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)》中載有現(xiàn)成的計(jì)算方法，如以下兩式。

至此，滑坡中部滑面處斷裂分析模型裂紋尖端Ⅰ型、Ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子也求解完畢。

（3）相當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子求解

按復(fù)合型斷裂問(wèn)題相關(guān)理論，決定復(fù)合型裂紋是否擴(kuò)展的參考量是裂紋尖端相當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子，它的計(jì)算可按式（15）。

式中，KⅠ、KⅡ分別為上面求得的Ⅰ型、Ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子；θ0為裂紋擴(kuò)展的斷裂角（°），計(jì)算方法可參考相關(guān)書(shū)籍，此處不作贅述。

按（11）～（14）式可計(jì)算兩類模型裂紋尖端Ⅰ型、Ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子，結(jié)合式（15），可進(jìn)一步求得對(duì)應(yīng)的相當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子，在獲取滑面處巖土體的斷裂韌性之后可做斷裂穩(wěn)定性判斷，以此揭示滑坡失穩(wěn)的斷裂機(jī)制。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，深入分析了滑坡失穩(wěn)的斷裂機(jī)制，但其中也存在幾點(diǎn)缺陷，總結(jié)如下：

（1）由于滑坡滑面處于巖土體內(nèi)部，我們無(wú)法預(yù)知滑面處的貫通段和未貫通段的具體位置，這給理論分析帶來(lái)了極大的障礙，當(dāng)然現(xiàn)在有許多探傷設(shè)備，但造價(jià)都不低，精確度也有待提高，所以這個(gè)問(wèn)題亟待解決。

（2）在進(jìn)行斷裂穩(wěn)定性判斷的時(shí)候需要提前知道滑面處巖土體的斷裂韌性，這一點(diǎn)在實(shí)際工程中是較難得到的參數(shù)，況且在取巖土樣本的時(shí)候帶來(lái)的擾動(dòng)有時(shí)影響很大。

（3）查閱《應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)》得到的計(jì)算公式部分帶有近似性。

［1］DB50/5029-2004重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)：地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].重慶,2004.

［2］周福川,王小委.滑坡治理中的土質(zhì)錨桿位移研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14(15)：295-299.

［3］朗惠芳,代彤.基于裂紋線場(chǎng)分析法的滑坡失穩(wěn)機(jī)理分析[J].山西建筑,2009,35(17)：105-106.

［4］趙隊(duì)家,毛新虎,胡夏嵩.某滑坡的變形模式與形成機(jī)制研究[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2003,21(6)：29-33.