江 昊， 盧應(yīng)發(fā)

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

滑坡一直是廣大研究者喜歡研究的課題之一，其中，滑坡的穩(wěn)定性分析是被研究得最為廣泛的課題?；碌奈：π灾饕w現(xiàn)在對(duì)城鎮(zhèn)的危害、對(duì)農(nóng)田的危害、對(duì)交通運(yùn)輸?shù)奈：?、?duì)工廠礦山的危害以及對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)的危害等。總的來說，滑坡的危害性對(duì)于人類而言是極其具有毀滅性的。因此，對(duì)于滑坡的穩(wěn)定性分析是十分有必要的，通過計(jì)算滑面的摩阻力、下滑力、剩余下滑力及安全穩(wěn)定系數(shù)來判定滑坡的安全狀況。

滑坡穩(wěn)定性的研究已有100多年的歷史。針對(duì)不同應(yīng)力狀態(tài)下滑坡的力學(xué)特性，Tu等[1]對(duì)滑坡力的傳遞特性進(jìn)行了分析研究，對(duì)于滑動(dòng)力與位移之間的關(guān)系也進(jìn)行了相應(yīng)地介紹。文獻(xiàn)[2]研究了臨界應(yīng)變狀態(tài)方程，并對(duì)該臨界應(yīng)變狀態(tài)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)與不足進(jìn)行了分析，同時(shí)利用臨界點(diǎn)法建立了應(yīng)變空間狀態(tài)方程。在解決邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)的問題上，由于安全系數(shù)具有不確定性的特點(diǎn)，杜時(shí)貴[3]提出了較為精準(zhǔn)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)較為精準(zhǔn)的定義，對(duì)邊坡的設(shè)計(jì)安全系數(shù)與安全系數(shù)之間的關(guān)系做出了說明。在變形協(xié)調(diào)與力學(xué)平衡的基礎(chǔ)上，張龍飛等[4]對(duì)各個(gè)階段的臨界荷載做出了合理的劃分。針對(duì)滑坡漸進(jìn)變形的問題，盧應(yīng)發(fā)等[5-6]在現(xiàn)行本構(gòu)模型的研究基礎(chǔ)上，提出了一種全新的節(jié)理本構(gòu)模型，對(duì)本構(gòu)模型的確定方法做了詳細(xì)的介紹說明?；路譃橥埔剖交潞蜖恳竭吰?，盧應(yīng)發(fā)等[7]針對(duì)推移式和牽引式邊坡,分別提出了關(guān)于邊坡的幾種破壞機(jī)理以及對(duì)邊坡的破壞方向做了解釋定義。在研究滑坡穩(wěn)定性的問題上，盧應(yīng)發(fā)[8]基于滑坡穩(wěn)定性的分析與研究，針對(duì)推移式滑坡，提出了推移式滑坡漸進(jìn)破壞分析法以及確定臨界條塊或單元的方法。在不平衡推力方法的研究上，盧應(yīng)發(fā)等[9]認(rèn)為對(duì)于理想彈塑性模型并不能對(duì)邊坡的漸進(jìn)破壞過程進(jìn)行精準(zhǔn)描述說明。

利用全新剪應(yīng)力本構(gòu)模型計(jì)算分析了王家?guī)X滑坡的剩余下滑力，以此判斷臨界條塊的位置，同時(shí)計(jì)算其穩(wěn)定性系數(shù)，從而得出滑坡的穩(wěn)定性，以此來模擬滑坡從穩(wěn)定到不穩(wěn)定的破壞過程。該模型的好處在于考慮了材料的軟化特性，在分析邊坡穩(wěn)定性的難題上提供了一種提高邊坡穩(wěn)定性的方法。

1 剪應(yīng)力模型簡介

1.1 傳統(tǒng)剪應(yīng)力模型

傳統(tǒng)的剪應(yīng)力模型實(shí)則是理想的彈塑性模型，該模型能夠基本反映剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之間的關(guān)系，當(dāng)剪應(yīng)力較小時(shí)，剪應(yīng)力與剪應(yīng)變呈正比例關(guān)系；剪應(yīng)力達(dá)到臨界狀態(tài)的剪應(yīng)力值時(shí)，隨著剪應(yīng)變的增加，剪應(yīng)力不再增加，即達(dá)到平衡值。剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的關(guān)系如圖1所示。

圖 1 傳統(tǒng)剪應(yīng)力模型

1.2 全新剪應(yīng)力本構(gòu)模型

傳統(tǒng)的剪應(yīng)力本構(gòu)模型的不足之處在于當(dāng)剪應(yīng)力隨著應(yīng)變達(dá)到臨界剪應(yīng)力時(shí)，該模型不足以描述剪應(yīng)變比達(dá)到臨界剪應(yīng)變大時(shí)的剪應(yīng)力的軟化特征，另外也無法確定臨界應(yīng)變之后的剪應(yīng)變與剪應(yīng)力之間的關(guān)系，即達(dá)到臨界剪應(yīng)力之后就無法根據(jù)剪應(yīng)力確定剪應(yīng)變的大小。相比傳統(tǒng)的剪應(yīng)力本構(gòu)模型，全新剪應(yīng)力本構(gòu)模型的最大優(yōu)點(diǎn)在于該模型能夠?qū)吰碌姆€(wěn)定性實(shí)施預(yù)測預(yù)報(bào)，解決了邊坡問題關(guān)于預(yù)測預(yù)報(bào)的世界性難題，全新剪應(yīng)力本構(gòu)模型的預(yù)測預(yù)報(bào)主要針對(duì)邊坡的位移、應(yīng)力以及穩(wěn)定性?；率且粋€(gè)漸進(jìn)破壞的過程，其剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的關(guān)系如圖2所示。

基本方程為

臨界應(yīng)變空間的關(guān)系式為

臨界剪應(yīng)變空間的方程式如下：

其中：ai,1、ai,2、ai,3為常系數(shù)。

圖 2 全新剪應(yīng)力本構(gòu)模型圖

2 CDM法穩(wěn)定系數(shù)的介紹

其中：li和αi分別為第i條塊的底邊長和第i條塊的底邊長與水平軸的夾角。

綜合矢量和SS與水平軸形成的夾角為

沿滑面每個(gè)條塊的位移在X軸、Y軸及矢量和方向分別為：

綜合矢量和S與水平軸形成的夾角為

CDM法在水平、豎直及沿下滑位移方向的穩(wěn)定系數(shù)分別為：

3 地質(zhì)條件及崩塌體成因

王家?guī)X滑坡位于宜昌市秭歸縣歸州鎮(zhèn)彭家坡村8組的吒溪河左岸，地理位置為經(jīng)度110°41′40″，緯度31°01′20″，大地坐標(biāo)為X：3433442.679，Y：19470730.531。該滑坡處距離三峽大壩約60.5 km，距離河口約3.1 km。該滑坡的平面形狀呈箕形，剖面形狀呈凹形(圖3)。此處的基巖為中古生界侏羅系的遂寧組，代號(hào)為J3S，巖性特征主要為泥砂巖和泥巖，基巖顏色主要為棕黃色和紫紅色，強(qiáng)—中風(fēng)化，局部基巖風(fēng)化厚度達(dá)5—15公分，基巖產(chǎn)狀為210°—255°∠20°—40°，裂隙較發(fā)育，可見兩組明顯的裂隙，產(chǎn)狀分別為85°∠79°和189°∠85°，滑坡的自然坡度為15°—25°，為一順向斜坡。

王家?guī)X滑坡左側(cè)以山脊為界，山脊走向190°，長約250 m，在滑坡的中下方為一臨空面?；掠覀?cè)以沖溝為界，右側(cè)邊界外側(cè)有一個(gè)養(yǎng)殖場，養(yǎng)殖場到滑坡邊界途中，基巖出露，基巖主要為粉砂巖和泥巖。該滑坡呈折線形，上緩下陡，滑坡中部有個(gè)平臺(tái)。

王家?guī)X滑坡的成因主要有內(nèi)因與外因兩個(gè)方面，內(nèi)因主要是王家?guī)X滑坡處于秭歸向斜核部及吒溪河左岸自然斜坡上，是順向坡，為崩滑體滑移提供了充分條件；其次是因?yàn)榛陆M成巖石主要由巖層砂巖與泥巖組成，泥巖經(jīng)水浸泡容易軟化形成軟弱層，為滑坡的發(fā)生提供了自然條件；外因有很多，最主要的外因是耕種破壞了坡體的原有結(jié)構(gòu)，對(duì)雨水及庫水的滲入提供了條件，增加了滑體土重量，降低了其力學(xué)強(qiáng)度，為滑坡的發(fā)生提供了必要條件。

滑坡形成及變形破壞過程分析如下：

1)斜坡為易滑地形，滑體結(jié)構(gòu)松散，降雨后，地表水下滲，易于在巖土接觸面上形成滑坡。

2)降雨、地表水下滲，降低了土體及滑面的粘聚力及內(nèi)摩擦角值，同時(shí)增大了靜水壓力。

3)人類工程活動(dòng)的影響(如修房、筑路)，改變了坡形并增加了載荷。

圖 3 王家?guī)X滑坡平面圖

4 實(shí)例分析

以王家?guī)X滑坡為例，主要采用全新的剪應(yīng)力本構(gòu)模型分析該滑坡的穩(wěn)定性。采用條分法對(duì)王家?guī)X滑坡中的I-I剖面圖(圖4)進(jìn)行條塊劃分，劃分為24個(gè)條塊，滑坡的滑體重度取18 kN/m3，粘聚力C取24 kPa，剪切模量G0取3000 kPa，內(nèi)摩擦角取24°。采用全新剪應(yīng)力本構(gòu)模型進(jìn)行分析[10-11],原始數(shù)據(jù)如表1所示。

圖 4 王家?guī)X滑坡Ι-Ι剖面圖

表1 條塊原始數(shù)據(jù)表

編號(hào)角度/(°)底邊長/m編號(hào)角度/(°)底邊長/m163.29415.7611318.3707.464250.63211.1671415.9907.368333.3828.4831512.7397.262429.1488.1101611.6337.232526.4217.9101710.7067.209624.7277.798187.9027.151723.1837.705196.1597.124822.1637.648204.6877.107922.1187.646213.0027.0931022.0787.644221.7257.0871121.6577.621230.8547.0841220.0317.539240.0007.083

表2 條塊計(jì)算數(shù)據(jù)表

表3 CDM法計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)

圖 5 穩(wěn)定系數(shù)圖

圖 6 剩余下滑力分布圖

5 結(jié)論

通過采用全新剪應(yīng)力本構(gòu)模型分析王家?guī)X滑坡的穩(wěn)定性，可以得出如下結(jié)論：

1)滑體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，各條塊安全系數(shù)并非為一定值，安全系數(shù)從第1條塊到第14條塊的值小于1，從第15條塊之后安全系數(shù)大于1，第15條塊為該滑坡的臨界條塊。

2)滑坡的剩余下滑力從第1條塊到第14條塊的數(shù)值大于零，從第15條塊之后的條塊數(shù)值基本等于零，故第15條塊為該滑坡的臨界條塊，之前的條塊處于破壞后區(qū)，15條塊以后都起著抗滑作用。

3)由CDM法計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)(表3)可知，CDM法計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)在水平方向的大小為2.449，在垂直方向計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)為1.914，綜合位移法穩(wěn)定系數(shù)為2.255，CDM法在下滑位移方向的穩(wěn)定系數(shù)大于1，該滑坡目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。