邊坡滑坡安全狀態(tài)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)研究

黃 兵

（遵義市交通勘察設(shè)計(jì)有限公司，貴州 遵義 563126）

0 引言

在實(shí)際邊坡工程中，易受到外部荷載和人為因素的影響而發(fā)生邊坡失穩(wěn)破壞，對(duì)人民安全和財(cái)產(chǎn)造成損失。因此，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究和判斷一直是工程領(lǐng)域的重點(diǎn)。

李騰[1]根據(jù)某邊坡實(shí)際工程案例，采用坡面修整和錨桿格柵的方式對(duì)邊坡加固的施工方法進(jìn)行研究。趙輝等[2]考慮到了降雨的影響，模擬了強(qiáng)降雨條件下邊坡飽和滲流的時(shí)程變化情況，探究了邊坡安全系數(shù)與土體飽和度之間的關(guān)系和變化規(guī)律。徐小樂等[3]研究了牽引式滑坡在暴雨、地震等不離條件下的失穩(wěn)概率。熊楊福[4]利用實(shí)際工程土樣進(jìn)行了不同含水率下的膨脹力試驗(yàn)，推導(dǎo)邊坡受到膨脹力作用的穩(wěn)定性分析表達(dá)式。

該文為研究邊坡滑坡在自然災(zāi)害和人為因素影響下的破壞情況，對(duì)在滑坡過程中的累計(jì)位移-時(shí)間關(guān)系和St-t關(guān)系進(jìn)行理論研究和梳理，對(duì)比了理論和實(shí)際的差異。對(duì)滑坡的4 種變形階段進(jìn)行劃分，推導(dǎo)出加速變形階段與急劇變形階段之間的臨界點(diǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn)。

1 滑坡變形曲線

圖1 為在塑性累計(jì)破壞中的經(jīng)典滑坡表面時(shí)間-位移曲線。從圖中可以看出，在開始階段，滑坡受到外部荷載（地震、強(qiáng)降雨、列車）和人為因素?cái)_動(dòng)發(fā)生初始變形，位移增加速度較為緩慢。在勻速變形階段，累計(jì)位移增加緩慢，相對(duì)來說比較穩(wěn)定。在勻速變形階段末端和加速變形階段開始時(shí)，位移-時(shí)間曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，位移增加速度逐漸加快。最后在急劇變形階段，邊坡出現(xiàn)較大的變形，開始出現(xiàn)失穩(wěn)。

圖1 滑坡累計(jì)時(shí)間-位移曲線

將累計(jì)位移/時(shí)間定義為St，即在t時(shí)刻該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的原點(diǎn)坐標(biāo)割線正切值。圖2 為滑坡割線斜率-時(shí)間曲線，從圖2 得知，St=tanα，表示在圖1 累計(jì)時(shí)間-位移曲線中該點(diǎn)連線坐標(biāo)原點(diǎn)的連線與水平橫坐標(biāo)軸的夾角，因此該St-t曲線反映了在累計(jì)時(shí)間-位移曲線中的割線正切值隨著時(shí)間的變化趨勢。

圖2 滑坡割線斜率-時(shí)間曲線

如果該曲線囊括邊坡從初始階段直到最后急劇變形發(fā)生失穩(wěn)破壞，St-t曲線具有以下3 種特征：1）在1 初始變形階段，St呈現(xiàn)下降趨勢，斜率小于0。2）在1 勻速變形階段，St下降幅度微小，斜率逐步由負(fù)轉(zhuǎn)變到0 附近。3）在3 加速變形階段，St呈現(xiàn)開始逐步增加，斜率由0 變正。4）在4 急劇變形階段，St呈現(xiàn)快速增長的趨勢，邊坡開始出現(xiàn)過大的變形，進(jìn)而出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的情況。

然而在實(shí)際邊坡檢測過程中，很難從初始變形階段監(jiān)測，很可能在某一特定變形階段進(jìn)行監(jiān)測，這時(shí)的St-t曲線則與圖2 所呈現(xiàn)的存在差異。圖3 為不同變形階段的累計(jì)位移-時(shí)間曲線和St-t曲線。

圖3 邊坡變形曲線

2 滑坡變形的St-t 曲線

在實(shí)際的滑坡案例中，由于受到許多外界因素的影響，因此在實(shí)際監(jiān)測過程中不可避免地存在操作和設(shè)備上的誤差，滑坡變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)和St-t曲線很少呈現(xiàn)該文所描述的那種趨勢。

為了進(jìn)一步對(duì)滑坡的變形規(guī)律進(jìn)行探究，并由此獲得St-t曲線對(duì)滑坡進(jìn)行分析和預(yù)測，該文采用間距為勻速階段1/20 時(shí)間段作為間隔的方式采用等間距描點(diǎn)法做出滑坡的位移-時(shí)間曲線。

2.1 案例1

案例1 為受人為因素影響導(dǎo)致的基巖滑坡，St-t曲線如圖4 所示。在初始變形前期，曲線波動(dòng)較大，St從0.3 升至0.6，然后經(jīng)過一段微小波動(dòng)后開始變小。在勻速變形階段，曲線較為平穩(wěn)，斜率逐漸變小，在末段接近于0。在加速變形階段，St開始逐漸上升，斜率越來越大，最后進(jìn)入急劇變形階段，St和斜率都出現(xiàn)較快地增長，邊坡開始破壞。

2.2 案例2

案例2 為鐵礦附近的巖質(zhì)滑坡，圖5 為案例2 的滑坡St-t曲線。在初始變形階段，案例2 與案例1 相近，曲線波動(dòng)較大，St從1.3 升至2.6，然后經(jīng)過一段波動(dòng)后開始逐漸變小。在勻速變形階段，案例2 與案例1 不同，St下降幅度較大，最后加速度逐步遞增，到達(dá)急劇變形階段。

圖5 案例2 滑坡St-t 曲線

2.3 案例3

圖6 為案例3 的滑坡St-t曲線。該曲線與案例1 和案例2 略有不同。從圖中可以看出，隨著時(shí)間的增長，逐步從勻速變形階段到加速變形階段，這期間St數(shù)值變化不大，直到加速變形階段末期，St才開始增長，然后進(jìn)入急劇變形階段，斜率越來越大。

圖6 案例3 滑坡St-t 曲線

2.4 案例4

圖7 展示了案例4 的滑坡St-t曲線。該案例相對(duì)較為經(jīng)典，經(jīng)歷初始變形、勻速變形、加速變形和急劇變形4 個(gè)階段。在初始階段末到加速變形階段末，曲線較為平穩(wěn)，然后進(jìn)入急劇變形階段。

圖7 案例4 滑坡St-t 曲線

3 滑坡各階段判斷標(biāo)準(zhǔn)

為了便于實(shí)際工程施工和應(yīng)用，更準(zhǔn)確地對(duì)滑坡進(jìn)行預(yù)測，對(duì)滑坡St-t曲線中的初始變形、勻速變形、加速變形和急劇變形4 個(gè)階段劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定。

當(dāng)St-t曲線在起始階段時(shí)，斜率為負(fù)數(shù)且數(shù)值較大，則可由此判定該滑坡處于初始變形階段。

當(dāng)斜率為負(fù)數(shù)但數(shù)值較小，曲線St數(shù)值緩慢下降，則可由此判定該滑坡處于勻速變形階段。

當(dāng)斜率開始緩慢地由負(fù)轉(zhuǎn)為正，曲線St數(shù)值開始上升且上升趨勢逐步加快，由此判定該滑坡處于加速變形階段。由于斜率取值較為困難，需要進(jìn)行擬合，實(shí)際工程中難以采用，因此通過公式（1）進(jìn)行判斷。

式中：λ為該曲線的割線斜率；ti為在i時(shí)刻的時(shí)間；Sti為i時(shí)刻累計(jì)位移與時(shí)間的比值。

滑坡預(yù)警關(guān)鍵是判斷滑坡是否從加速變形階段到達(dá)急劇變形階段。常規(guī)方法一般是對(duì)一些物理量進(jìn)行整合來進(jìn)行判斷，如速率、加速度、位移量等。由于在實(shí)際工程中滑坡地質(zhì)的復(fù)雜性和易受到人為、自然因素的影響，傳統(tǒng)的方式復(fù)雜且不實(shí)用。

經(jīng)過對(duì)上述4 個(gè)案例的研究并且對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行閱讀歸納，總結(jié)相應(yīng)的判斷依據(jù)。通過5 期割線斜率和當(dāng)期割線斜率進(jìn)行計(jì)算的1 個(gè)以上割線斜率比判斷較為可靠。表1 為采用該方法進(jìn)行滑坡加速變形階段與急劇變形階段之間臨界點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

表1 滑坡割線斜率

從表1 的滑坡割線斜率比可以發(fā)現(xiàn)，曲線位于滑坡加速變形階段與急劇變形階段之間臨界點(diǎn)附近時(shí)，割線斜率比由連續(xù)兩期采集的，前一期大約在2.0～3.5，占66%，后一期割線斜率比約在1.2～2.0，占66%。為盡量避免滑坡危害，因此將第一期割線斜率比2.0，第二期割線斜率比1.0 作為臨界點(diǎn)，如果大于該數(shù)值就認(rèn)定滑坡變形增速過大開始進(jìn)入急劇變形階段。

根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)以上案例滑坡進(jìn)行判定預(yù)警，表2 展示了各滑坡利用該標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)警次數(shù)。從表2 可以看出，4 種算例中，報(bào)警次數(shù)普遍為1～2 次。該預(yù)警方式較為準(zhǔn)確，比較符合實(shí)際情況。因此，判斷邊坡是否開始進(jìn)入急劇變形階段進(jìn)而發(fā)生失穩(wěn)破壞，該標(biāo)準(zhǔn)是較為實(shí)用的。

表2 各算例報(bào)警次數(shù)

4 結(jié)論

該文對(duì)在滑坡過程中的累計(jì)位移-時(shí)間關(guān)系和St-t關(guān)系進(jìn)行理論研究和梳理，并根據(jù)不同的算例，對(duì)比了理論和實(shí)際的差異。對(duì)滑坡的四種變形階段進(jìn)行劃分，推導(dǎo)出加速變形階段與急劇變形階段之間臨界點(diǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)論如下。

在開始階段，滑位移增加速度較為緩慢，斜率逐漸減少。在勻速變形階段比較穩(wěn)定。在勻速變形階段末端和加速變形階段開始時(shí)，位移-時(shí)間曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。急劇變形階段，邊坡出現(xiàn)較大的變形，開始出現(xiàn)失穩(wěn)。

土體本身存在不均勻性和各向異性等特點(diǎn)并且在實(shí)際監(jiān)測過程中的誤差，實(shí)際滑坡變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)和St-t曲線與理論存在較大差異。

基于4 種算例驗(yàn)證，通過5 期割線斜率和當(dāng)期割線斜率計(jì)算的兩個(gè)以上割線斜率比來對(duì)加速變形階段與急劇變形階段之間臨界點(diǎn)進(jìn)行判斷的方法較為可靠。