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滑坡地段巖土體特性對滑坡穩(wěn)定性影響的研究

文檔作者：蔡慶娥1 楊秀清2 趙冬1 文檔來源： 1. 中交第一公路勘察設(shè)計研究院巖土公司 2. 中鐵七局集團(tuán)鄭州工程有限公司)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2025年02月20日
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邊坡工程GEOTECHN ICAL ENG INEER ING WORLD VOL. 11 No. 1
收稿日期6
滑坡地段巖土體特性對滑坡穩(wěn)定性影響的研究
蔡慶娥1 楊秀清2 趙冬1
( 1. 中交第一公路勘察設(shè)計研究院巖土公司2. 中鐵七局集團(tuán)鄭州工程有限公司)
摘要在已有的滑坡體穩(wěn)定性分析中, 有限元分析方法已經(jīng)有了越來越普遍的應(yīng)用, 但是對于堆積體滑
坡, 所采用的巖土體特性對于分析結(jié)果會有怎樣的影響尚無系統(tǒng)的研究。為了提高現(xiàn)場測定巖
土體特性的效率及經(jīng)濟(jì)性, 在某滑坡工程基礎(chǔ)之上進(jìn)行了理論分析, 得出了滑坡地段巖土體特性
對于滑坡穩(wěn)定性的影響關(guān)系。
關(guān)鍵詞堆積體滑坡有限元巖土體特性穩(wěn)定性
邊坡穩(wěn)定性的分析研究始于上世紀(jì)二十年代,
最早是對土體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和計算, 其成果可
見于瑞典的F illen ius、美國的Terzagh i和Taylor的土
力學(xué)經(jīng)典著作中。直到60年代初, 巖體邊坡的穩(wěn)定
性分析研究才開始進(jìn)行。到目前為止邊坡穩(wěn)定性分
析研究的方法發(fā)展迅速, 其原有的研究不斷完善, 新
的理論和方法不斷引入, 邊坡穩(wěn)定性研究進(jìn)入了前
所未有的階段, 但是, 由于理論和實踐的局限, 邊坡
穩(wěn)定性分析的各種方法都還不完善。
邊坡穩(wěn)定性的分析方法歸結(jié)起來可分為兩
類[ 1] : 即確定性方法和不確定性方法。確定性方法
是邊坡穩(wěn)定性研究的基本方法, 它包括極限平衡法、
數(shù)值方法、塊體理論法、赤平極射投影法等。它們將
影響邊坡穩(wěn)定性的各種因素都作為確定的量來考
慮。例如, 極限平衡法[ 2] 是通過潛在滑體的受力分
析, 引入摩爾- 庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則, 根據(jù)滑體的力(力
矩)平衡, 建立邊坡安全系數(shù)表達(dá)式進(jìn)行定量評價,
這種方法由于安全系數(shù)的直觀性至今仍被工程界廣
泛應(yīng)用, 目前我國邊坡工程研究人員根據(jù)工程實際
引入臨界滑移理論進(jìn)行露天邊坡的評價也屬于此
法。這種方法的關(guān)鍵在于正確判斷臨界破壞面的位
置和選定計算參數(shù), 這些都需要依靠經(jīng)驗確定。
數(shù)值方法是60年代引入邊坡穩(wěn)定性分析中的,
它包括有限元法、邊界元法、離散元法及混合法等。
數(shù)值方法能從較大范圍考慮介質(zhì)的復(fù)雜性, 全面的分
析邊坡的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài), 有助于對邊坡變形和破壞機(jī)
理的認(rèn)識, 較極限平衡方法有很大的改進(jìn)和補(bǔ)充。
不確定性方法在邊坡穩(wěn)定分析中的出現(xiàn)約在
70年代初, 一方面是由于一些新理論和方法如可靠
性理論、模糊數(shù)學(xué)、灰色預(yù)測系統(tǒng)、分形幾何、人工智
能等的出現(xiàn)。另一方面是由于在邊坡工程設(shè)計和分
析中涉及有大量不確定性因素越來越被人們認(rèn)識
到, 如巖體性質(zhì)、荷載等物理方面的不確定性、取樣、
試驗的統(tǒng)計不確定性, 計算模型的不確定性和人為
過失造成的不確定性等, 這些不確定性造成的影響
盡管通過提高巖石測試和計算技術(shù)的精度能夠在一
定程度上減少, 但局部試驗的精確性、確定性并不能
消除巖石性狀宏觀判斷上的隨機(jī)性和模糊性, 而且
不可能無限度提高單項試驗的精度、規(guī)模和完善確
定性計算方法, 因此用較簡單的測試手段, 對巖石工
程進(jìn)行大量的信息采集, 應(yīng)用和發(fā)展各種隨機(jī)理論
和方法, 以提高邊坡工程質(zhì)量狀態(tài)判斷的精度, 就顯
得十分必要。
1 研究工程背景
隨著我國西北大開發(fā)的步伐加大, 西部的建設(shè)
力度使得眾多的復(fù)雜地質(zhì)的滑坡治理問題顯得突出
起來。以川藏公路為例, 歷史上著名的102滑坡群
1991年發(fā)生了大滑動, 由于種種原因, 沒有進(jìn)行根
本治理。近年來經(jīng)常出現(xiàn)交通事故, 停車斷道時有
發(fā)生, 給人民生命財產(chǎn)造成了極大的損失[ 3]。
對于這種在巨型堆積層滑坡基礎(chǔ)上發(fā)育的復(fù)合
病害, 滑坡滑動后, 圍繞滑坡穩(wěn)定與否、滑坡各影響
因素對滑坡的作用機(jī)理等爭論不休, 而采用數(shù)值模
擬進(jìn)行穩(wěn)定性分析的精度如何界定, 還需要我們進(jìn)
一步的分析論證。
對于類似的堆積體滑坡, 模擬分析中選用的巖
體特性參數(shù)會不會對計算的精度產(chǎn)生很大的影響
呢? 而現(xiàn)場測定巖體強(qiáng)度參數(shù)不可能窮盡所有點(diǎn)與
所有變化情況, 這種局限性就使得我們要在工程中
6
1 2 2007- - 01
2
巖土工程界第11卷第1期邊坡工程
尋找一種依據(jù)來為穩(wěn)定性研究提供足夠的精度保
證, 于是本文作者將自然邊坡與支擋后的人工邊坡
有關(guān)參數(shù)作為變化參量, 這些參量有: 上覆層及下臥
基巖的c、U、C、E、M等, 采用邊坡穩(wěn)定分析中常用的
折減強(qiáng)度系數(shù)法, 評價各項參數(shù)對于安全性的影響,
由得到的相關(guān)因素大小來評斷巖質(zhì)特性的重要程
度, 從而為試驗測定的重點(diǎn)提供相關(guān)的參考依據(jù)。
對于重要性不大的參數(shù)可以少測定或者不進(jìn)行現(xiàn)場
試驗, 以減少不必要的投入; 對于相關(guān)影響大的因
素, 應(yīng)該加強(qiáng)測定取樣密度, 以增加計算結(jié)果的可靠
度。
邊坡問題在實際上是個空間無限區(qū)域問題, 其
所受的外力都是空間力系, 如果要采用三維的實體
建模求解將存在很大的難度。研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)物體的
幾何形狀及所受的約束方式和外力分布規(guī)律均與某
一坐標(biāo)方向無關(guān), 而且外力的方向垂直于此坐標(biāo)方
向軸時, 經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮喕土W(xué)抽象化處理, 可看做
在一個平面內(nèi)發(fā)生的, 則其內(nèi)部將發(fā)生二維的變形
或應(yīng)力狀態(tài), 這就是所謂的平面問題[ 4]。我們認(rèn)為
邊坡問題的截面形狀、外力分布均不隨垂向坐標(biāo)軸
變化, 且為無限長柱體, 故此發(fā)生平面應(yīng)變問題, 在
建立有限元模型時應(yīng)用平面應(yīng)變。圖1為所采用的
自然邊坡平面計算模型。
圖1 自然邊坡平面計算模型
2 巖體特性參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的敏感性分析
為了得到更加合理、適用的計算結(jié)論, 選用圖1
的有限元模型, 對于邊坡計算中涉及的巖體性質(zhì)特
征分別考慮, 按照特征值變化所引入的安全系數(shù)變
化幅度來考察巖性特征等因素對于邊坡穩(wěn)定的影響
大小。此結(jié)果是以安全系數(shù)變化趨勢來反映的。
對于上部滑坡體堆積層, 每次折減某一參數(shù)值,
比如分別折減內(nèi)摩擦角U、粘聚力、體積重度, 彈
性量、泊松比M等, 取定巖體的其他特征參數(shù)值,
從而進(jìn)行巖性參數(shù)對安全系數(shù)的影響程度分析。同
理, 下臥基巖巖性參數(shù)的影響度也由這種方法予以
論證評價。
由圖2~ 4可以得出, 內(nèi)摩擦角及粘聚力對于安
全系數(shù)的影響均可以擬合成一條直線, 由U所擬合
出的直線斜率要比由c擬合出的線斜率大, 說明內(nèi)
摩擦角U對于穩(wěn)定系數(shù)的影響尤其大。
圖2 上覆層c與F s 關(guān)系
圖3 上覆層U與F s 關(guān)系
圖4 上覆層c、U與F s 關(guān)系
圖5 為巖體體積重度對于安全系數(shù)的影響關(guān)
系。對于上覆層, 隨著重度的增加, 安全系數(shù)降低;
而對于下臥基巖, 則是隨著重度的增加安全系數(shù)F s
呈現(xiàn)小梯度的增長。
圖6為與安全系數(shù)F 之間的關(guān)系。對于上
覆層, 隨著值的增長F 呈現(xiàn)增長趨勢, 在的較
小值端增長率很高, 之后漸緩; 基巖的值增長所
63
c C
E
E s
E s E
E
邊坡工程GEOTECHN ICAL ENG INEER ING WORLD VOL. 11 No. 1
引入的F s 變化是近拋物線趨勢, F s 先有小幅增長,
隨后拋物型下降, 幅度要比上覆層引起的變化小。
圖5 C與F s關(guān)系
圖6 E 與F s 關(guān)系
圖7為M與F s 之間的關(guān)系。上覆層泊松比變
化引入的F s 變化有一定的離散性, 剔除個別不好的
點(diǎn), 仍然可以看出Fs 曲線的走勢與正切曲線相類
似, 與五次曲線的一部分曲線擬合較好; 折減基巖的
泊松比M之后的曲線也可以擬合成五次曲線的一部
分。
圖7 M與Fs 關(guān)系
圖8為各個參數(shù)變化率與安全系數(shù)F s 變化率
之間的關(guān)系。由圖中我們可以看出上覆層的內(nèi)摩擦
角U與粘聚力c對安全系數(shù)的影響最大; 上覆層的
彈性模量、重度對于F 也有一定的影響, 但是
影響程度不如U、大; 上覆層巖體的泊松比M對于
F 影響相對較小。隨著基巖的特性參數(shù)、M的增
圖8 巖性參數(shù)增長率與安全系數(shù)增長率之間關(guān)系圖
長, Fs 值會有所降低, C增長F s 略增, 而基巖的C、U
并不影響整體邊坡的穩(wěn)定性。
3 結(jié)論
根據(jù)計算結(jié)果(表1), 所列舉的各項巖體參數(shù)
指標(biāo)對安全系數(shù)的影響程度可以作為現(xiàn)場勘測的簡
化依據(jù), 對于有上覆層的類似均質(zhì)邊坡問題, 要得到
自然邊坡的穩(wěn)定性, 重要的參數(shù)指標(biāo)是上覆層的內(nèi)
摩擦角U、粘聚力c、重度C的測定, 下臥基巖等其他
參數(shù)可以不集中作現(xiàn)場測定, 依據(jù)經(jīng)驗取值即可。
表1 巖性參數(shù)變化與安全系數(shù)變化率之間的關(guān)系表
影響程度
(由大到小)
巖體
特性參數(shù)
安全系數(shù)變化率
與巖性參數(shù)變化方向
1 上覆層內(nèi)摩擦角U 一致
2 上覆層粘聚力c 一致
3 上覆層體積重度C 相反
4 上覆層彈性模量E 一致
5 上覆層泊松比M 一致
6 下臥基巖彈性模量E 相反
7 下臥基巖泊松比M 相反
8 下臥基巖體積重度C 一致
9 下臥基巖內(nèi)摩擦角U 安全系數(shù)無變化
10 下臥基巖粘聚力c 安全系數(shù)無變化
參考文獻(xiàn)
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成都科技大學(xué)出版社, 1987.
[ 3] 王培高, 張華. 川藏公路102 滑坡群形成機(jī)制及其穩(wěn)定性分析
[ J]. 公路, 2001( 12 期): 7~ 11.
[ 4] 王子昆, 黃上恒. 彈性力學(xué)[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社,
1994, 144 - 206.
第一作者通訊地址西安灃惠南路號華晶廣場座十層
中交第一公路勘察設(shè)計研究院巖土公司郵編5
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