曾一芳，王 鵬，明俊男，趙 樺

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室〈成都理工大學(xué)〉，四川 成都 610059)

0 引言

滑坡失穩(wěn)的原因主要有內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)因素。內(nèi)部因素主要是滑坡巖土體的性質(zhì)、組成成分、結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力及裂紋等；外部因素主要有地震、水力條件和人類活動(dòng)等。

水又是誘發(fā)淺表層滑坡的主要因素，對(duì)滑坡的影響分為兩方面：一方面是土體在雨水作用下力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，強(qiáng)度降低；另一方面是雨水使得土體重度增加，并產(chǎn)生滲透力作用[1]。對(duì)滑坡穩(wěn)定性分析的方法主要有極限平衡分析法、有限元強(qiáng)度折減分析法等。有限元強(qiáng)度折減法不僅可以確定滑坡的安全系數(shù)，還可以自動(dòng)尋找滑坡潛在破壞位置[2-5]；對(duì)有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算滑坡穩(wěn)定性的判據(jù)也有相應(yīng)的適用范圍，并且在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)方法，以提高數(shù)值計(jì)算的精準(zhǔn)性[6-7]。

滑坡在變形過(guò)程中，滑坡后緣、滑坡坡面等位置會(huì)出現(xiàn)明顯拉裂縫，甚至貫通拉裂縫，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)都與土體的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有重要關(guān)系。但由于滑坡土體抗拉強(qiáng)度相對(duì)較小，大多數(shù)情況下被忽略，因此，這增加了滑坡不穩(wěn)定的潛在因素。到目前為止，幾乎還沒(méi)有學(xué)者結(jié)合具體滑坡來(lái)分析土體抗拉強(qiáng)度對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。因此，本文根據(jù)攀枝花鹽邊縣教師街淺層滑坡的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，研究含水率對(duì)滑坡穩(wěn)定性內(nèi)在因素的影響關(guān)系；建立數(shù)值模型時(shí)考慮土體的張拉屈服破壞情況，采用具有安全儲(chǔ)備的有限元折減法——“拉剪強(qiáng)度同等折減法”[6]來(lái)計(jì)算滑坡穩(wěn)定性，分析抗拉強(qiáng)度、粘聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響情況。

1 滑坡工程地質(zhì)條件

教師街淺層滑坡主要由松散的坡積土、洪積堆積土組成。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔及調(diào)查資料，教師街淺層滑坡地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1，滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件如下。

圖1滑坡工程地質(zhì)剖面

(1)人工填土層：棕紅、紅褐色，局部灰黃色，主要由粉質(zhì)粘土組成，含少量碎石及磚塊、混凝土、瓦等建筑垃圾。層厚5.0～11.20 m。為修建漁門集鎮(zhèn)時(shí)的棄土(堆填時(shí)間約15年)以及滑坡滑動(dòng)后居民自發(fā)的填土。

(2)粉質(zhì)粘土夾塊碎石層：黃、褐紅、棕紅、磚紅、灰白、灰色，主要由粉質(zhì)粘土組成，稍濕，可塑狀，局部軟塑、硬塑。含3%～12%的輝長(zhǎng)巖、砂巖碎塊石，中等風(fēng)化,較堅(jiān)固，棱角狀，見(jiàn)鐵錳質(zhì)氧化膜。局部段塊、碎石富集，見(jiàn)少量卵石。該層厚度7.4～14.0 m，主要分布在滑坡區(qū)南西側(cè)及北側(cè)。

(3)巖層全風(fēng)化帶地層：主要由粘土礦物、長(zhǎng)石、石英等組成，泥質(zhì)、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄—中厚層狀構(gòu)造，具水平層理，泥質(zhì)弱膠結(jié)，局部夾薄層粉砂巖，具有遇水軟化、暴曬干裂等特征。該層是組成滑帶的主要物質(zhì)。

(4)強(qiáng)風(fēng)化及中等風(fēng)化層：青灰、深灰色。礦物成分主要為絹云母，次為綠泥石及炭質(zhì)。鱗片變晶結(jié)構(gòu)，薄—中厚層平行構(gòu)造。巖層傾角60°～80°，少數(shù)在85°以上，傾向165°，大部分礦物已風(fēng)化蝕變，風(fēng)化裂隙發(fā)育，裂面見(jiàn)鐵錳質(zhì)浸染。該層巖土體含水量較高，接近飽和狀態(tài)。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器

2.1.1 含水率試驗(yàn)儀器

(1)電子天平(稱量200 g，最小分度0.01 g)；(2)電熱烘箱(應(yīng)能控制溫度為105°～110°)；(3)具有密封蓋的稱量盒。

2.1.2 剪切試驗(yàn)儀器

(1)應(yīng)變控制式直剪儀：由剪切盒、垂直加壓設(shè)備、剪切傳動(dòng)裝置、測(cè)力計(jì)、位移量測(cè)系統(tǒng)組成；(2)環(huán)刀：內(nèi)徑61.8 mm，高度20 mm；(3)位移測(cè)量設(shè)備：量程10 mm、最小分度0.01 mm的百分表。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 含水率試驗(yàn)方法

(1)用原狀土制取24組試樣，其中滑體土試樣12組，滑帶土試樣6組，滑床土試樣6組。每組試樣50 g，放入稱量盒，稱盒加試樣質(zhì)量m0，準(zhǔn)確至0.01 g；(2)將稱量盒及試樣置于烘箱內(nèi)，在105°～110°恒溫下烘干；(3)將稱量盒放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫，稱盒加干土質(zhì)量md，準(zhǔn)確至0.01 g。試樣含水率ω0計(jì)算公式如下，結(jié)果記錄在表1中。

ω0=(m0/md-1)×100

(1)

2.2.2 剪切試驗(yàn)方法

(1)將制取好的試樣放入剪切盒，并在試驗(yàn)儀器上安裝水平位移測(cè)量裝置，調(diào)至零；(2)在剪切盒上施加垂直剪切壓力，拔去固定銷，立即以0.8 mm/min的剪切速度進(jìn)行剪切，使試樣在3～5 min內(nèi)剪損并結(jié)束試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表1中成果數(shù)據(jù)可以得到含水率-粘聚力(ω-c)和含水率-內(nèi)摩擦角(ω-φ)的關(guān)系圖，分別見(jiàn)圖2，圖3。

從圖2、圖3中可以看出滑坡在豎直方向各個(gè)滑層土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系：

表1 教師街滑坡土樣試驗(yàn)結(jié)果

圖2 滑坡區(qū)試樣土含水率與粘聚力關(guān)系

圖3 滑坡區(qū)試樣土含水率與內(nèi)摩擦角關(guān)系

每一土層中的粘聚力和內(nèi)摩擦角都隨著含水率的增大而減??；昔格達(dá)組泥巖雖然含水率高，接近飽和狀態(tài)，但是其最大含水率在36.1%左右，遠(yuǎn)小于其他三組土層的最大含水率，最小粘聚力和最小內(nèi)摩擦角也分別大于其他三組土層的最大粘聚力和最大內(nèi)摩擦角。因此，昔格達(dá)組泥巖作為滑床是相對(duì)穩(wěn)定的，為教師街滑坡提供了地質(zhì)基礎(chǔ)。

人工填土層的含水率變化范圍在34.2%～56.4%，相對(duì)于其他三組土層，含水率變化范圍是最大的；但是在相同的含水率條件下，人工填土層的粘聚力和內(nèi)摩擦角都分別大于滑體粉質(zhì)粘土層和滑帶粉質(zhì)粘土層的粘聚力和內(nèi)摩擦角；其原因是人工填土層是由碎石及磚塊、混凝土、瓦等建筑垃圾和棄土組成的，而這些建筑垃圾磨圓度較差，相互之間的嵌入形成的咬合作用強(qiáng)烈，所以填土層的內(nèi)摩擦角較大；在建筑垃圾之間充填的棄土為粘土，而粘土的粘聚力較高，使得棄土在填土層中形成連接橋梁的作用，保證了填土層的粘聚力。因此，人工填土層相對(duì)滑體粉質(zhì)粘土層和滑帶粉質(zhì)粘土層是穩(wěn)定的。

滑體粉質(zhì)粘土層在位置上位于人工填土層和滑帶粉質(zhì)粘土層之間，從圖2和圖3中可以看出：在相同的含水率條件下，其粘聚力和內(nèi)摩擦角數(shù)值大小也介于這兩者之間，滑帶粉質(zhì)粘土層的粘聚力和內(nèi)摩擦角最小。其原因是滑帶的粉質(zhì)粘土與滑體的粉質(zhì)粘土本來(lái)是同一種粉質(zhì)粘土，但是在水和壓力的作用下，導(dǎo)致粉質(zhì)粘土層與泥巖層接觸面附近的粉質(zhì)粘土力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，具體表變現(xiàn)為粘土顆粒之間的連接力和咬合作用減弱，使得接觸面附近粉質(zhì)粘土的粘聚力和內(nèi)摩擦角減小，從而形成相對(duì)于泥巖層和滑體粘土層的弱力學(xué)性質(zhì)層面——滑帶粘土層。

3 數(shù)值模擬試驗(yàn)

3.1 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

以往的強(qiáng)度折減法過(guò)分重視邊坡的剪切破壞特征，忽略了邊坡的張拉破壞特征,而邊坡的破壞形式不是單純的剪切破壞，往往為“張拉+剪切”破壞(即使一般邊坡也有部分位置發(fā)生張拉破壞)，根據(jù)拉剪強(qiáng)度同等折減的強(qiáng)度折減法原理，應(yīng)把滑坡的抗拉強(qiáng)度指標(biāo)也作為折減的一部分。定義K為折減系數(shù)，有折減公式如下：

(2)

式中：cf——滑坡土體折減后的粘聚力，φf(shuō)——土體折減后的內(nèi)摩擦角，Tf——土體折減后的抗拉強(qiáng)度指標(biāo)。

利用表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得出滑坡土體折減結(jié)果如表2所示。

表2 滑坡折減參數(shù)設(shè)計(jì)

本文數(shù)值模型將利用FLAC軟件根據(jù)實(shí)測(cè)滑坡剖面進(jìn)行建立，模型長(zhǎng)75 m，高36 m，共有三層結(jié)構(gòu)：人工填土層，滑體及滑帶層，滑床層；模型采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則；邊界條件為：左右邊界限制X方向的位移，底邊界限制X、Y方向的位移，在上邊界加載力邊界條件，來(lái)模擬滑坡頂面的堆載作用。模擬折減計(jì)算過(guò)程見(jiàn)圖4。

圖4 數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分

3.2 模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 滑坡臨界折減系數(shù)分析

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果可以得到如表3中數(shù)據(jù)，并可得到攀枝花教師街滑坡的折減系數(shù)-滑坡穩(wěn)定系數(shù)圖(K-F)，抗拉強(qiáng)度指標(biāo)-滑坡穩(wěn)定系數(shù)圖(T-F)，粘聚力&內(nèi)摩擦角-滑坡穩(wěn)定系數(shù)圖(c&φ-F)。

從圖5中可以看出：隨著折減系數(shù)的增加，滑坡穩(wěn)定性逐漸減小。當(dāng)滑坡折減系數(shù)K=1時(shí)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)F=1.316，此時(shí)滑坡穩(wěn)定，未出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象；當(dāng)折減系數(shù)逐漸減小到1.3時(shí)，滑坡穩(wěn)定系數(shù)F=1.011，此時(shí)滑坡處于穩(wěn)定與失穩(wěn)的平衡狀態(tài)，但滑坡仍保持穩(wěn)定；在折減系數(shù)K=1.35時(shí)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)F=0.975，此時(shí)滑坡失穩(wěn)，出現(xiàn)滑動(dòng)。因此，通過(guò)抗拉剪折減系數(shù)法的數(shù)值模擬得出：教師街滑坡的最終安全系數(shù)為1.3，即粘聚力c≥13.692 kPa，內(nèi)摩擦角φ≥7.615°，抗拉強(qiáng)度指標(biāo)T≥19.308 kPa。

表3 滑坡基于抗拉剪折減系數(shù)法的數(shù)值模擬結(jié)果

圖5 滑坡折減系數(shù)與穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系

3.2.2 滑坡影響因子敏感度分析

從圖6，圖7分析滑坡穩(wěn)定性影響因子(c、φ和T)可以發(fā)現(xiàn)：滑坡穩(wěn)定系數(shù)都分別隨著粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ和抗拉強(qiáng)度指標(biāo)T的減小而減小。從圖6中可以看出：當(dāng)抗拉強(qiáng)度指標(biāo)T=25.1 kPa時(shí)，滑坡穩(wěn)定系數(shù)F=1.316；當(dāng)T=18.593 kPa時(shí)，滑坡穩(wěn)定系數(shù)F=0.975。則可以得到抗拉強(qiáng)度指標(biāo)T與滑坡穩(wěn)定性系數(shù)F之間的敏感度ST=ΔT/ΔF=0.064；同理分析粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ分別與滑坡穩(wěn)定系數(shù)F之間的敏感度有：Sc=0.074，Sφ=0.133。通過(guò)以上靈敏度的分析可知：攀枝花教師街滑坡對(duì)土體內(nèi)摩擦角φ的敏感度最高，對(duì)土體抗拉強(qiáng)度指標(biāo)T和粘聚力c的敏感度相接近，這也說(shuō)明土體抗拉強(qiáng)度對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響是不容忽視的，應(yīng)該加以重視。

圖6 滑坡抗拉強(qiáng)度與穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系

圖7 粘聚力和內(nèi)摩擦角與穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系

3.2.3 滑坡坡肩和坡腳位移分析

分析圖8滑坡坡肩和坡腳位移與折減系數(shù)的關(guān)系可知：坡肩位移S1和坡腳位移S2隨著折減系數(shù)K的增大而增大；在相同折減系數(shù)條件下，坡肩位移大于坡腳位移；在折減系數(shù)K=1～1.3時(shí)，S1從0.01 m增加到0.06 m，S2從0.001 m增加到0.0146 m，當(dāng)K=1.35時(shí)，S1=0.21 m，S2=0.047 m；由此可知，坡肩位移和坡腳位移都在K=1.35時(shí)發(fā)生了跳躍式增長(zhǎng)，這點(diǎn)從圖8中也可看出。因此，可以判斷滑坡在K=1.35時(shí)發(fā)生破壞變形，因此應(yīng)注意滑坡坡肩的位移變化。

圖8 折減系數(shù)與坡肩和坡腳位移關(guān)系

4 結(jié)論

通過(guò)攀枝花教師街滑坡室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，可以得出如下結(jié)論：

(1)滑坡在滑動(dòng)過(guò)程中，后緣和坡面常出現(xiàn)拉裂縫，甚至貫通拉裂縫，這與土體抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有重要關(guān)系。所以普通有限元強(qiáng)度折減法不能完全保證滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果的有效性。因此，采用考慮土體抗拉強(qiáng)度的折減系數(shù)法，即拉剪強(qiáng)度同等折減法來(lái)分析滑坡穩(wěn)定性更科學(xué)合理。

(2)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，分析了含水率與不同土層的粘聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：滑床的泥巖層與滑體的粉質(zhì)粘土層之間形成了一個(gè)弱力學(xué)層面——滑帶層，滑帶層的粘聚力的和內(nèi)摩擦角遠(yuǎn)小于上下兩層面，尤其是在水的影響作用下，粘聚力和內(nèi)摩擦角顯著減小，這是導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)的根本原因。

(3)利用抗拉剪滑坡強(qiáng)度有限元折減法分析發(fā)現(xiàn)：教師街滑坡臨界安全折減系數(shù)K=1.3，臨界粘聚力c=13.692 kPa，臨界內(nèi)摩擦角φ=7.615°，臨界抗拉強(qiáng)度指標(biāo)T=19.308 kPa。

(4)通過(guò)滑坡含水率影響因子敏感度的分析發(fā)現(xiàn)：滑坡土體內(nèi)摩擦角φ對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響最顯著；滑坡土體抗拉強(qiáng)度指標(biāo)T對(duì)滑坡穩(wěn)定性產(chǎn)生了與粘聚力相似的影響程度，因此滑坡土體抗拉強(qiáng)度對(duì)滑坡的影響是十分重要的，應(yīng)加以重視。

(5)對(duì)滑坡坡肩位移S1和坡腳位移S2分析發(fā)現(xiàn)：S1>S2，并且二者都在折減系數(shù)為1.35時(shí)位移發(fā)生突變，呈跳躍式增長(zhǎng)，可以判定此時(shí)滑坡失穩(wěn)，因此應(yīng)注意滑坡坡肩和坡腳的位移變化。

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