馬 沖 胡 斌 詹紅兵 蔣海飛,3

(1.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學(xué)數(shù)學(xué)與物理學(xué)院，湖北 武漢 430074;3.廣西地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，廣西 桂林 541004)

基于蠕變強(qiáng)度折減法的滑坡穩(wěn)定性分析

馬 沖1,2胡 斌1詹紅兵1蔣海飛1,3

(1.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學(xué)數(shù)學(xué)與物理學(xué)院，湖北 武漢 430074;3.廣西地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，廣西 桂林 541004)

基于傳統(tǒng)強(qiáng)度折減法，提出了考慮巖土體蠕變時(shí)效特性的蠕變強(qiáng)度折減法。以重慶某滑坡工程為研究對(duì)象，選取主滑線剖面建立FLAC二維地質(zhì)模型,采用蠕變強(qiáng)度折減法進(jìn)行了滑坡的蠕變時(shí)效穩(wěn)定性研究，結(jié)果表明：①經(jīng)歷相同蠕變時(shí)間，滑坡前緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量最大，其次為滑體底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)，說明滑坡發(fā)生變形破壞首先從前緣開始并沿滑動(dòng)面逐漸向后緣發(fā)展；②考慮巖土蠕變特性的滑坡長期穩(wěn)定性系數(shù)為1.18，較未考慮蠕變的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)1.26降低了6.3%，說明蠕變不利于滑坡穩(wěn)定，建議采用穩(wěn)定性系數(shù)1.18作為滑坡治理和地災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)估的依據(jù)。

滑坡 蠕變 蠕變強(qiáng)度折減法 長期穩(wěn)定性

邊坡穩(wěn)定性一直是地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估的重要研究內(nèi)容[1-3]。滑坡的形成是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，其因時(shí)間變化而積累起來的變形量由巖土材料的蠕變引起，因而分析滑坡穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)充分考慮到巖土體的蠕變性質(zhì)[4-6]。值得注意的是，目前常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法在計(jì)算過程中均忽略了巖土體的蠕變特性[7-8]。因此，采用考慮巖土體蠕變特性的計(jì)算方法對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析才能充分滿足滑坡預(yù)警預(yù)報(bào)和地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估的要求[9-11]。以重慶某滑坡工程為例，采用考慮巖土蠕變特性的計(jì)算方法對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

1 滑坡工程概況

重慶某滑坡處于構(gòu)造剝蝕條狀丘陵與長江河谷過渡的岸坡地帶，位于三峽庫區(qū)回水域左岸，整體平面形態(tài)呈不規(guī)則的圈椅狀?；潞缶壐叱碳s287.5 m，前緣高程約150.6 m，滑體橫寬約356.1 m，縱長約280.6 m，滑體厚度為18.8～26.3 m，總體積約為218.35×104m3。經(jīng)工程地質(zhì)測(cè)繪與鉆孔揭露，滑坡地層主要為第四系和侏羅系。第四系地層厚度為20.3～27.8 m，巖性主要有粉質(zhì)黏土、崩塌堆積塊石土。崩塌堆積塊石之間的主要充填物質(zhì)為粉砂質(zhì)泥巖與粉質(zhì)黏土，塊石與充填物接觸面局部可見明顯的光滑鏡面，呈現(xiàn)出蠕變現(xiàn)象?；禄鶐r為侏羅系粉砂巖，呈灰色、粉粒結(jié)構(gòu)，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，屬中厚—厚層構(gòu)造，單層厚度約12 m。因該區(qū)域的長江航道狹窄，若滑坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，將直接造成航道堵塞以及威脅到船舶通行安全，故有必要對(duì)該滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，為地災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)估提供參考。

2 穩(wěn)定性分析方法

對(duì)比剛體極限平衡條分法和強(qiáng)度折減法可知，后者依托數(shù)值模擬技術(shù)，通過折減巖土體強(qiáng)度參數(shù)來計(jì)算坡體穩(wěn)定性。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)度折減法已被廣泛應(yīng)用于各種坡體的穩(wěn)定性分析。但是，傳統(tǒng)強(qiáng)度折減法仍然忽略了巖土體的蠕變力學(xué)性質(zhì)，因而不能準(zhǔn)確地反映出滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)。為在穩(wěn)定性分析中引入材料的蠕變性質(zhì)，采用蠕變強(qiáng)度折減法來進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，即

FS=τ/τs,

(1)

式中，F(xiàn)S為折減系數(shù)；τ為抗剪強(qiáng)度；τs為折減后的抗剪強(qiáng)度。

Cvisc模型由伯格斯模型和摩爾庫倫模型串聯(lián)組成，模型如圖1所示。圖1中，EM、ηM分別表示彈性模量和麥克斯韋爾黏性系數(shù)；EK、ηK分別表示黏彈性模量和開爾文黏性系數(shù)；σt表示服從Mohr-Coulomb強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則的巖土體屈服強(qiáng)度；εM、εK、εP分別表示為麥克斯韋爾體、開爾文體的應(yīng)變和塑性應(yīng)變[7]。在計(jì)算過程中，為使巖土體僅出現(xiàn)衰減蠕變，以便對(duì)巖土體強(qiáng)度進(jìn)行折減計(jì)算，通常將ηM取為+∞。原因是：假如巖土體出現(xiàn)了加速蠕變現(xiàn)象，無論是否對(duì)巖土體的強(qiáng)度進(jìn)行折減，其變形仍會(huì)持續(xù)增大。

圖1 Cvisc蠕變模型

一般地，材料的流變與其所受的應(yīng)力偏量相關(guān)。因此，三維狀態(tài)下的Cvisc模型可表達(dá)為

(2)

(3)

(4)

式中，σ11、σ22、σ33分別為巖土體的最大、中間、最小主應(yīng)力。

3 基于Cvisc模型的滑坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

3.1 滑坡地質(zhì)模型及計(jì)算參數(shù)

基于FLAC3D，建立滑坡地質(zhì)模型如圖2所示，該模型由粉砂巖(基巖，淺色部分)和第四系崩塌堆積物(深色部分)組成。模型共包含1 557個(gè)節(jié)點(diǎn)和888個(gè)單元，X、Y、Z3個(gè)方向分別為387 m、183 m、2 m。模型的約束條件為：滑坡地質(zhì)模型的左右兩側(cè)為水平約束條件，模型底部為全部固定約束。

圖2 FLAC3D滑坡地質(zhì)模型

進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，令ηM=+∞，那么Cvisc模型簡(jiǎn)化為廣義開爾文模型[7]，相應(yīng)的滑坡地質(zhì)模型計(jì)算參數(shù)如表1所示。為進(jìn)行比較分析，先采用基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的傳統(tǒng)強(qiáng)度折減法計(jì)算獲取滑坡滿足彈塑性力學(xué)特征的穩(wěn)定性系數(shù)，計(jì)算時(shí)所采用的參數(shù)如表2所示。

表1 Cvisc模型參數(shù)(天然狀態(tài))

3.2 結(jié)果分析

為研究蠕變對(duì)穩(wěn)定性的影響效應(yīng)，先采用不考慮巖土體蠕變特征的傳統(tǒng)強(qiáng)度折減法對(duì)滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。在FLAC3D中，經(jīng)過不斷修正FS，最終得到滑坡在天然狀態(tài)下達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)的FS為1.26，因而可認(rèn)為在不考慮蠕變效應(yīng)影響的情況下，滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.26。通過查看滑坡穩(wěn)定性計(jì)算后的剪應(yīng)變速率云圖，可見明顯的突變帶(如圖3所示)，突變帶的空間位置就是由傳統(tǒng)強(qiáng)度折減法確定的滑動(dòng)面。

表2 Mohr-Coulomb模型計(jì)算參數(shù)(天然狀態(tài))

注：表1、表2中第四系的力學(xué)參數(shù)表示黏土和崩塌塊石土的平均力學(xué)參數(shù)。

圖3 傳統(tǒng)強(qiáng)度折減法計(jì)算結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知，利用FLAC3D中的Cvisc蠕變模型進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，有2個(gè)邊坡失穩(wěn)判據(jù)可參考：①塑性區(qū)從坡腳到坡頂是否貫通；②坡體中多個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)經(jīng)歷一定時(shí)間長度后能否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這里選用第2個(gè)判據(jù)來判斷滑坡所處的穩(wěn)定狀態(tài)，并在滑坡前緣、后緣以及滑體坡面、滑體內(nèi)部設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其分布位置如圖2所示。

基于Cvisc模型的蠕變強(qiáng)度折減法，將FS由1.06逐漸增大到1.22，得到不同強(qiáng)度折減系數(shù)下1#～4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的蠕變變形曲線，折減系數(shù)為1.06、1.18和1.22時(shí)的蠕變曲線如圖4～圖6所示。

圖4 折減系數(shù)為1.06時(shí)蠕變曲線

由圖4～圖5中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的蠕變曲線可看出，在折減系數(shù)取值為1.06～1.18時(shí)，蠕變曲線先經(jīng)歷瞬時(shí)彈性變形，隨后進(jìn)入到減速蠕變階段。這個(gè)時(shí)期的蠕變曲線變化平緩，說明巖土蠕變變形速率開始出現(xiàn)衰減并不斷減少至零，最后蠕變曲線出現(xiàn)平緩的線段，宏觀上表示滑坡蠕變變形處于穩(wěn)定狀態(tài)。由圖6可知，當(dāng)折減系數(shù)取值為1.22時(shí)，蠕變曲線在經(jīng)歷了較為短暫的彈性變形后，蠕變位移隨蠕變時(shí)間增長而不斷增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3#、4#在經(jīng)歷365 d的蠕變后并未出現(xiàn)衰減蠕變現(xiàn)象。通過統(tǒng)計(jì)分析得到，當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)由1.06變化到1.22時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#至監(jiān)測(cè)點(diǎn)4#經(jīng)歷365 d蠕變所對(duì)應(yīng)的位移量如圖7所示。

圖5 折減系數(shù)為1.18時(shí)蠕變曲線

圖6 折減系數(shù)為1.22時(shí)蠕變曲線

圖7 不同折減系數(shù)下監(jiān)測(cè)點(diǎn)X方向位移總量曲線

圖7中可明顯看出：當(dāng)滑坡巖土參數(shù)折減1.06～1.18倍時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的X方向位移增量并不明顯，位移量也均少于10 mm；當(dāng)滑坡巖土參數(shù)折減1.22倍時(shí)，位于滑坡前緣的監(jiān)測(cè)點(diǎn)3以及位于滑體底部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)4#的位移增量出現(xiàn)了明顯的增大。同時(shí)，由圖中位移變化曲線也可知，滑坡X方向的位移量隨折減系數(shù)的增大而逐漸增大，其變化過程中存在1個(gè)臨界值。當(dāng)折減系數(shù)少于臨界值時(shí)，滑坡位移增量變化不明顯；當(dāng)折減系數(shù)大于臨界值時(shí)，滑坡某些部位的位移量就會(huì)成倍增長，并可最終導(dǎo)致滑坡發(fā)生變形破壞。從位移量變化情況看，折減系數(shù)由1.18增加到1.22時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3#的位移值最大，位移增量為148.04%，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4#的位移值其次，位移增量為38.02%，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#及監(jiān)測(cè)點(diǎn)2#的位移變化量不大，這表明：滑坡前緣處于坡腳位置，因受剪應(yīng)力集中影響而導(dǎo)致滑坡前緣巖土體的剪應(yīng)變最大，滑坡發(fā)生破壞的過程應(yīng)是先從前緣開始，然后沿著滑動(dòng)面逐漸擴(kuò)展貫通至后緣。基于上述分析，可認(rèn)為折減系數(shù)的臨界值為1.18，且滑坡在考慮巖土體蠕變特性的情況下的穩(wěn)定性系數(shù)也可保守地認(rèn)為是1.18。由于充分考慮了時(shí)間因素對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響(即考慮了巖土材料的蠕變時(shí)效性)，因此穩(wěn)定性系數(shù)1.18可作為滑坡的長期穩(wěn)定性系數(shù)。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，滑坡采用傳統(tǒng)強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的短期穩(wěn)定性系數(shù)為1.26，采用蠕變強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的長期穩(wěn)定性系數(shù)為1.18，前者較后者高出6.8%，故采用長期穩(wěn)定性系數(shù)1.18作為滑坡工程治理和地災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)估的依據(jù)將更具科學(xué)性與合理性。

4 結(jié) 論

(1)采用蠕變強(qiáng)度折減法時(shí)，可用折減系數(shù)1.18作為滑坡長期穩(wěn)定性系數(shù)；采用傳統(tǒng)強(qiáng)度折減法時(shí)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.26，前者比后者降低了6.3%。滑坡經(jīng)歷365 d的蠕變后，穩(wěn)定性系數(shù)由1.26降低到1.18，說明巖土材料的蠕變性質(zhì)不利于滑坡的穩(wěn)定，在評(píng)估滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)時(shí)不能忽略巖土體的蠕變時(shí)效特性。

(2)在考慮巖土蠕變特性的情況下，折減系數(shù)的臨界值可取為1.18。折減系數(shù)由1.18增大到1.22時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3#的X方向位移量最大，其次為監(jiān)測(cè)點(diǎn)4#，表明滑坡發(fā)生變形破壞首先從前緣開始，并沿滑動(dòng)面逐漸向滑坡后緣發(fā)展。

(3)利用蠕變強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行滑坡預(yù)警預(yù)報(bào)時(shí)，所選用的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)大于未考慮蠕變時(shí)的。對(duì)滑坡工程進(jìn)行支護(hù)治理時(shí)，建議采用滑坡長期穩(wěn)定性系數(shù)1.18作為設(shè)計(jì)參數(shù)。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Analysis of Landslide Stability Based on Creep Strength Reduction Technique

Ma Chong1,2Hu Bin1Zhan Hongbing1Jiang Haifei1,3

(1.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.School of Mathematics and Physics，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China;3.Guangxi Zhuang Autonomous Region Geological Environmental Monitoring Station，Guilin 541004，China)

Based on the traditional strength reduction technique，the creep strength reduction technique of considering creep property of rock and soil medium have been proposed.The FLAC2Dgeological model of the main slip line profile is established，and the creep aging stability of landslide is studied by using creep strength reduction technique with respect to a landside in Chongqing city.The results show that：①the displacement of monitoring point in landslide leading edge is the biggest，followed by that under sliding bottom when experienced the same creep time.It indicates that landslide damage begins with the leading edge and generally moves to the trail edge along with the sliding surface；②the landslide long-term stability coefficient is 1.18 with considering creep property of rock and soil medium，and it's 1.26 with not，lower by 6.3%.It indicated that creep is not conducive to the stability of landslide.It suggests the stability coefficient 1.18 as the parameter for engineering design and geological hazard assessment.

Landslide，Creep，Creep strength reduction technique，Long-term stability

2014-09-05

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(編號(hào)：2011CB710604)，國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(編號(hào)：41172281)。

馬 沖(1985—)，男，博士研究生。通訊作者 胡 斌(1974—)，男，博士，教授。

TU45

A

1001-1250(2014)-11-050-04