不平衡推力傳遞法在滑坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

陳元勇

(江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南昌市 330013)

0 引言

根據(jù)滑坡土質(zhì)條件以及滑動(dòng)面形態(tài)特征[1]，在進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性分析時(shí)，主要方法有圓弧滑動(dòng)條分法、平面滑動(dòng)法以及不平衡推力傳遞法等[2-3]。圓弧滑動(dòng)法把滑動(dòng)面視為圓弧，并且認(rèn)為滑體土為剛體[4]，不考慮分條之間的推力。圓弧滑動(dòng)法概念明確，并且可以用于較為復(fù)雜的土質(zhì)邊坡。平面滑動(dòng)法適用于滑動(dòng)面為一平面，由巖體構(gòu)成的礦山邊坡或路塹邊坡若發(fā)生滑動(dòng)將會(huì)出現(xiàn)平面型的滑動(dòng)，滑面一般為巖體軟弱結(jié)構(gòu)面或者巖層面。不平衡推力傳遞法適用于滑坡滑動(dòng)面為一折線的情況，將滑體根據(jù)滑面轉(zhuǎn)折端分為若干條塊，然后從滑坡后部至滑坡前緣依次計(jì)算各條塊的剩余下滑推力，依據(jù)最后一條塊的推力大小判斷整個(gè)滑坡的穩(wěn)定性情況[5]。義子頭滑坡從滑面形態(tài)上分，屬于折線型滑坡，因此采用不平衡推力傳遞法進(jìn)行滑坡推力計(jì)算及滑坡的穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)。

1 滑坡工程地質(zhì)特征

1.1 滑坡分布形態(tài)及類型

該滑坡位于甘肅省正寧縣羅川鄉(xiāng)?；略谄矫嫔蠟轸せ?，東西長(zhǎng)285～465m，南北寬220～450m。主滑方向?yàn)?0°與杏樹(shù)山溝近垂直。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的鉆孔資料表明，該滑坡平均厚度為20m，最大厚度出現(xiàn)在滑坡中部為30m左右，上部滑體厚度小于10m，滑坡總體積250×104m3。

該滑坡形態(tài)特征清晰，滑坡后壁呈圈椅狀地形，壁面較新鮮，未見(jiàn)植被發(fā)育?；w表面呈一面坡?tīng)钕蛳卵由熘燎安?，在滑坡體的中后部發(fā)育有與主滑向垂直的陡坎，陡坎高度均在5m以內(nèi)，局部形成深度2～4m的橫向張拉裂縫，裂縫長(zhǎng)度5～25m不等。滑體左側(cè)受流水沖蝕嚴(yán)重，目前已經(jīng)形成高30～50m的陡壁。滑坡前緣受杏樹(shù)山溝內(nèi)流水沖刷，形成5～20m高的陡坎，出露的土體中可見(jiàn)明顯的土體混雜。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察資料顯示，該滑坡由一個(gè)主滑體①和三個(gè)次級(jí)滑體②、③、④所組成，次級(jí)滑體是由于主滑體形成以后，滑坡前部不斷受到流水沖刷逐步形成。②、③、④次級(jí)滑體描述如下：

②次級(jí)滑坎：該次級(jí)滑坎位于滑坡的左前方，后壁多為裂縫，局部為1m左右的陡坎，左側(cè)以沖溝為界，右側(cè)邊界多為可見(jiàn)深度在1～3m不等的裂縫，滑體中后部整體成一面坡?tīng)睿熬墳?～8m高的陡坎。

③次級(jí)滑坎：該次級(jí)滑坎在平面上中前部與②次級(jí)滑坎重疊，其后壁界線在②次級(jí)滑坎向西側(cè)約50m，左右側(cè)界線與②次級(jí)滑坎重合，該滑坎滑體厚度10～25m不等，以粉土及粉質(zhì)黏土為主。

④次級(jí)滑坎：該滑坎規(guī)模較大，分布于整個(gè)滑坡的中前部，其中②、③次級(jí)滑坎均位于其上，后壁多為深度1～3m的裂縫以及串珠狀落水洞，左右兩側(cè)均以沖溝為界，滑體厚度在10～30m不等，以粉土及粉質(zhì)黏土為主，滑坎前緣為3～20m不等，長(zhǎng)期受流水沖刷，穩(wěn)定性差。

1.2 滑坡體巖土特征

依據(jù)滑坡勘察中的鉆孔、調(diào)繪、室內(nèi)試驗(yàn)等工作結(jié)果對(duì)其評(píng)價(jià)如下：

(1)滑面及滑帶土特征

通過(guò)野外的調(diào)繪以鉆探資料可知，該滑坡的滑面縱向上呈上陡下緩的趨勢(shì)，并且主滑面上部發(fā)育有多級(jí)次級(jí)滑面?；瑤林饕獮榉圪|(zhì)黏土，顏色偏褐色～黃褐色，土體含水量較高，巖芯內(nèi)部可見(jiàn)明顯的土體擠壓痕跡，滑帶土平均厚度在1m左右。

(2)滑床巖土特征

滑坡前部其滑床土為午城黃土，中部和上部為離石黃土，滑床土體密實(shí)、堅(jiān)硬。中上部離石黃土巖性為粉質(zhì)粘土，土體含水量低，呈灰褐色，局部夾雜鈣質(zhì)結(jié)核。午城黃土巖性為三門(mén)組粉質(zhì)粘土，淡褐紅～棕紅色，顆粒均勻。

1.3 滑床巖土特征

滑坡前部其滑床土為午城黃土，中部和上部為離石黃土，滑床土體密實(shí)，堅(jiān)硬。中上部離石黃土巖性為粉質(zhì)粘土，土體含水量低，呈灰褐色，局部夾雜鈣質(zhì)結(jié)核。午城黃土巖性為三門(mén)組粉質(zhì)粘土，淡褐紅～棕紅色，顆粒均勻。

2 滑坡穩(wěn)定性分析

2.1 滑坡形成時(shí)代

該滑坡整體特征明顯，輪廓清晰，滑坡后壁新鮮且無(wú)植被發(fā)育?；w表面裂縫、陡坎發(fā)育，土質(zhì)疏松，滑坡周界明顯，因此可判斷該滑坡形成時(shí)間較晚，屬于新滑坡。

2.2 滑坡成因分析

(1)地形地貌條件

滑坡區(qū)域自然坡度大于40°，坡高大于120m，同時(shí)滑坡體所在斜坡兩側(cè)均發(fā)育有較大的沖溝，從而形成三面凌空的狀態(tài)。

(2)地層巖性條件

該地區(qū)地層結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，上部為馬蘭黃土，土質(zhì)為粉質(zhì)黏土和粉土，土體內(nèi)部孔隙、節(jié)理十分發(fā)育，地表水極易入滲。下部為致密石質(zhì)黃土，土質(zhì)為粉質(zhì)黏土，該層土構(gòu)成該區(qū)域的相對(duì)隔水層。

(3)水文地質(zhì)條件

甘肅屬大陸性季風(fēng)氣候，年降雨總量雖然較小，但降雨時(shí)間主要集中在7月至9月，容易造成地質(zhì)災(zāi)害的形成。降雨通過(guò)上部疏松的馬蘭黃土孔隙和節(jié)理向下滲入土體內(nèi)部，在下部相對(duì)隔水層表面匯集，導(dǎo)致土體浸泡軟化，十分利于滑坡的形成。另外，滑坡右側(cè)沖溝與前部杏樹(shù)山溝共同沖蝕滑坡體，加劇了滑坡的不穩(wěn)定。

2.3 滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.3.1定性評(píng)價(jià)

(1)從滑體的形態(tài)特征及其中后部上分布的張拉裂縫、弧形次級(jí)滑坎等變形破壞現(xiàn)象看，該滑坡目前的穩(wěn)定性差。

(2)杏樹(shù)山溝水流不斷對(duì)滑坡前部沖刷，致使滑坡前部土體流失，隨著坡體前部土體的流失，滑坡整體穩(wěn)定性將進(jìn)一步變差。

2.3.2定量評(píng)價(jià)

(1)滑坡的定量計(jì)算運(yùn)用不平衡推力傳遞法，主要計(jì)算公式如下：

(1)

ψj=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tanφi+1

(2)

Ri=Nitanφi+CiLi

(3)

式中：Fs為穩(wěn)定系數(shù)；θi為第i條塊滑面與水平面之間的夾角(°)；Ri為第i條塊的抗滑力(kN/m)；φi為第i條塊土的內(nèi)摩擦角(°)；Ci為第i條塊土的粘聚力(kPa)；Li為第i條塊滑動(dòng)面長(zhǎng)度(m)；Ti為第i條塊上的滑動(dòng)分力(kN/m)，滑動(dòng)分力向上時(shí)Ti取負(fù)值；ψj為第i條塊的向下傳遞時(shí)的傳遞系數(shù)(j=i)。

(2)計(jì)算工況

根據(jù)工程地質(zhì)勘察相關(guān)資料，同時(shí)結(jié)合相關(guān)規(guī)范，在對(duì)該滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，其工況確定為兩種情況：正常工況與降雨工況。

(3)計(jì)算剖面選擇

在進(jìn)行坡面選取時(shí)，選取滑坡推力最大、對(duì)擬建公路危害最大的斷面，同時(shí)，該斷面自滑坡后緣縱向貫穿至滑坡前緣，能夠較好的反應(yīng)滑坡的整體坡面情況。

(4)滑體計(jì)算參數(shù)的選取

①通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行試驗(yàn)，該滑坡體天然重度為19.5kN/m3、飽和重度為20.5kN/m3。

②條塊面積：各個(gè)計(jì)算條塊豎向平面面積。

③主要對(duì)滑體土和滑帶土進(jìn)行了抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，其結(jié)果如下表1所示。

表1 滑體及滑帶土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)表

在進(jìn)行最終計(jì)算分析時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察的情況以及不同滑段的巖土特征，參照相應(yīng)的規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合取值。

(5)計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)

結(jié)合滑坡工程地質(zhì)特征，選取4個(gè)典型的地質(zhì)剖面，在兩種工況下進(jìn)行了穩(wěn)定性分析計(jì)算，并根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》對(duì)滑坡穩(wěn)定性的分類標(biāo)準(zhǔn)(表2)，對(duì)滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析如表3所示。

表2 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分表

表3 義子頭滑坡穩(wěn)定性系數(shù)表

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，在正常工況下，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)大于1.15，整體穩(wěn)定性較好。在非正常工況下，主滑體處于穩(wěn)定～基本穩(wěn)定，次級(jí)滑面均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。為保證擬建公路的正常施工以及公路建成后的正常運(yùn)營(yíng)，需要對(duì)該滑坡進(jìn)行治理。

3 滑坡下滑推力計(jì)算分析

通過(guò)選取典型地質(zhì)斷面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算的結(jié)果反映出，該滑坡整體推力大，采用單排抗滑樁難以保證滑坡的穩(wěn)定性，選取雙排抗滑樁進(jìn)行支擋更為合理。雙排抗滑樁分別置于滑坡的中部以及滑坡的上部。

在進(jìn)行樁型設(shè)計(jì)時(shí)，不同的抗滑樁截面尺寸依據(jù)不同的計(jì)算斷面具體設(shè)樁位置進(jìn)行選取。1-1樁型根據(jù)Ⅰ-Ⅰ′斷面在第5條塊前設(shè)樁時(shí)確定，非正常工況下，該處的滑坡推力為1150kN/m；2-2上部樁型根據(jù)Ⅱ-Ⅱ′斷面路基開(kāi)挖后在第8條塊前設(shè)樁時(shí)確定，非正常工況下，該處的滑坡推力為2100kN/m；2-2下部樁型根據(jù)Ⅱ-Ⅱ′斷面(路基開(kāi)挖+削方)在第3條塊前設(shè)樁時(shí)確定，非正常工況下，該處的滑坡推力為510kN/m；4-4樁型根據(jù)Ⅳ-Ⅳ′斷面(路基開(kāi)挖+前部失穩(wěn))在第5條塊前設(shè)樁時(shí)確定，非正常工況下，該處的滑坡推力為900kN/m。

4 結(jié)論

(1)該滑坡形成主要原因是整體地形較陡，并且滑坡兩側(cè)沖溝發(fā)育，形成三面臨空的地形是滑坡形成的有利地形；滑坡上部土質(zhì)疏松利于雨水入滲，下部地層密實(shí)為相對(duì)隔水層；地區(qū)降雨較為集中，同時(shí)，滑坡前部受到流水沖刷嚴(yán)重。

(2)通過(guò)采用不平衡推力傳遞法對(duì)滑坡進(jìn)行計(jì)算，在正常工況下，滑坡的整體穩(wěn)定性較好，在非正常工況下，主滑體在路基開(kāi)挖前及開(kāi)挖后整體穩(wěn)定性均較好，次級(jí)滑體在路基開(kāi)挖前及開(kāi)挖后穩(wěn)定性均較差。需要進(jìn)一步對(duì)滑坡進(jìn)行治理。

(3)該滑坡下滑推力較大，單排抗滑樁無(wú)法對(duì)滑坡進(jìn)行良好的治理，因此采用雙排抗滑樁進(jìn)行支擋。根據(jù)不同斷面的規(guī)模以及路基開(kāi)挖的情況，分別提出抗滑樁設(shè)計(jì)位置處的滑坡推力設(shè)計(jì)值。