王 宏

(上海宏波工程咨詢管理有限公司 新疆分公司，烏魯木齊 830000)

1 概 述

滑坡是常見的自然災(zāi)害之一，滑坡是由于邊坡的穩(wěn)定性被破壞而導(dǎo)致的斜坡成分(土壤、巖石或巖石)沿斜坡下滑的運(yùn)動(dòng)[1-2]。一般來(lái)說(shuō)，邊坡的穩(wěn)定性受多種因素控制，如幾何形狀[3]、地質(zhì)條件(物理性質(zhì)和地質(zhì)結(jié)構(gòu))[4]、水文地質(zhì)條件[5]和邊坡成分的工程性質(zhì)[6]?；乱自谟昙窘涤炅看髸r(shí)發(fā)生，因?yàn)闈B入斜坡的雨水會(huì)增加斜坡上土壤的飽和度[7]，導(dǎo)致土壤的水壓力增大，抗剪能力降低，含水量長(zhǎng)時(shí)間大幅度的增加將會(huì)導(dǎo)致機(jī)械性能(內(nèi)聚力和內(nèi)部剪切角)降低，從而使邊坡的穩(wěn)定性降低[8]。

本文主要研究邊坡土壤含水量與力學(xué)性質(zhì)(內(nèi)聚力和內(nèi)部剪切角)之間的關(guān)系，并得到安全系數(shù)(SF)值，以獲得含水量與SF斜率的相關(guān)性。同時(shí)，利用多元線性回歸分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以獲得邊坡幾何形狀(高度和坡度)、含水量和邊坡的SF等級(jí)之間的關(guān)系。研究結(jié)果可為邊坡的安全建設(shè)提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)參考。

2 研究方法

2.1 含水量

地下水是孔隙水壓力的主要來(lái)源，這種壓力會(huì)降低抗剪強(qiáng)度并導(dǎo)致滑坡。地下水影響邊坡陡度的方式有：①降低巖石或地面強(qiáng)度；②通過(guò)化學(xué)反應(yīng)和溶解改變巖石中的礦物元素；③改變巖石或土壤的密度；④導(dǎo)致腐蝕。

地下水的存在將成為影響邊坡穩(wěn)定性重要因素。同時(shí)，這種情況還與外部影響有關(guān)，即氣候等因素(以降雨量為代表)會(huì)導(dǎo)致地下水位上升，還會(huì)降低土壤的物理性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)。地下水位上升增加了孔隙水壓力，降低了邊坡體的抗剪強(qiáng)度，尤其是在土壤材料上。

2.2 黏聚力(c)

黏聚力(內(nèi)聚力)提供了土壤顆粒之間的抗拉強(qiáng)度，用單位面積的重量單位表示。黏聚力值越大，抗剪強(qiáng)度就越大，因此邊坡就越穩(wěn)定或安全。處理不穩(wěn)定斜坡的方法主要取決于所遇到的土壤性質(zhì)，一般有害土壤形成類型是由松散片巖或碎片狀軟黏土、破裂硬黏土、含砂或粉砂的黏土以及黏性土體組成的。

2.3 滑動(dòng)角(φ)

內(nèi)部滑動(dòng)角是由巖石材料中的法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力關(guān)系形成的角度。內(nèi)部滑動(dòng)角是當(dāng)巖石受到超過(guò)其剪切應(yīng)力時(shí)形成的斷裂角。材料中的剪切角越大，材料在面對(duì)施加的外部應(yīng)力將表現(xiàn)更明顯的彈性行為，從而使邊坡更加穩(wěn)定或安全。

2.4 安全系數(shù)(SF)

斜坡通常出現(xiàn)在一個(gè)稱為滑動(dòng)面的特殊平面上。邊坡的穩(wěn)定性取決于作用在滑體上的下滑力和抗滑力?？够κ侵我员苊饣瑒?dòng)的力，而下滑力是引起土壤滑動(dòng)的力。保持力與移動(dòng)土壤的力之間的比值稱為安全系數(shù)。因此，將比值稱為SF值，也代表邊坡是否穩(wěn)定。一般認(rèn)為，SF≥1.25為安全邊坡；SF<1.07為不安全邊坡； 1.07

2.5 簡(jiǎn)單和多元線性回歸

回歸分析常用于分析兩類變量之間的關(guān)系，即因變量與自變量之間的關(guān)系。如果兩個(gè)變量之間的關(guān)系分析只涉及一個(gè)自變量，則稱之為簡(jiǎn)單回歸分析。因變量(y)和自變量(x)之間的關(guān)系的一般線性模型為：

y=b+ax

(1)

其中，a= 1，2，…，n是回歸系數(shù)，這意味著自變量和因變量呈現(xiàn)線性關(guān)系。

多元線性回歸與簡(jiǎn)單線性回歸相同，只是多元線性回歸中的自變量多于一個(gè)自變量。多元線性回歸分析的目的是探究?jī)蓚€(gè)或多個(gè)變量之間的關(guān)系，并預(yù)測(cè)x和y的估計(jì)值。一般來(lái)說(shuō)，多元線性回歸模型為:

A=b0+b1x1+b2x2+…+bkxk

i=1,2,…,n

(2)

在回歸方程中，因變量與自變量之間關(guān)系程度可以通過(guò)決定系數(shù)(R2)來(lái)表示。R2值越大，變量之間的關(guān)系越強(qiáng)。R2值的代表意義見表1。

表1 決定系數(shù)解釋

3 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于新疆省某沿線的斜坡上，有5個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試樣本(SL1至SL5)。研究地點(diǎn)的取樣地圖見圖1。

圖1 取樣位置圖

獲取的斜坡參數(shù)數(shù)據(jù)包括采樣坐標(biāo)、海拔和坡度。使用平均深度為0.9～1m的鉆孔機(jī)進(jìn)行取樣。研究區(qū)域的坡度參數(shù)數(shù)據(jù)見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)取樣邊坡的坐標(biāo)和幾何形狀

數(shù)據(jù)收集和實(shí)驗(yàn)室樣品(SL2)的斜坡情況見圖2。在圖2中，斜坡經(jīng)歷了滑坡，從初始位置開始，土壤材料減少。土壤材料類型是棕褐色黏土，滑坡尺寸為7.5 m，存在多處滲水。

圖2 取樣位置(SL2)

4 結(jié)果和討論

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試包括邊坡樣本的物理和機(jī)械特性。測(cè)試的物理特性包括土壤樣品的重量、相對(duì)密度和含水量。從測(cè)試結(jié)果中獲得每個(gè)參數(shù)的平均值，見表3。

表3 物理性能測(cè)試結(jié)果

通過(guò)土的抗剪強(qiáng)度的力學(xué)性質(zhì)測(cè)試獲得法向載荷和剪切載荷的數(shù)值，然后處理成法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力。由法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力關(guān)系曲線可以得到內(nèi)聚力值和剪切角，見表4。在抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中，通過(guò)逐漸向土樣中加水來(lái)模擬含水量的影響。每次進(jìn)行測(cè)試時(shí)，不斷加入樣品重量2.5%的水進(jìn)行模擬。測(cè)試結(jié)果表明，水的加入量最多只能達(dá)到樣品重量的10%，超過(guò)10%的加入量會(huì)導(dǎo)致樣品不能再次模擬，因?yàn)闃悠窏l件被加入的水破壞了。表4顯示，模擬的含水量可以在0%～73.74%的范圍內(nèi)完成。這意味著土樣的最大含水量為73.74%，超過(guò)最大含水量時(shí)，無(wú)法再進(jìn)行模擬。

表4 機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果

4.2 含水量與機(jī)械性能的關(guān)系

通過(guò)將含水量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和力學(xué)性質(zhì)(內(nèi)聚力和滑動(dòng)角)繪制成散點(diǎn)圖，獲得含水量與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，見圖3。

圖3 含水量與機(jī)械性能的關(guān)系圖(黑色為內(nèi)聚力，紅色為滑動(dòng)角)

圖3顯示，含水量與兩種力學(xué)性能呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，且決定系數(shù)分別為0.842和0.915，說(shuō)明含水量和兩種力學(xué)性能之間具有較強(qiáng)的線性關(guān)系?？梢缘贸鼋Y(jié)論，土體的含水量越高，內(nèi)聚力和滑動(dòng)角越低。

4.3 邊坡安全系數(shù)分析

從0%～73.74%的模擬含水率出發(fā)，根據(jù)各含水率模擬結(jié)果的力學(xué)性質(zhì)，得到邊坡安全系數(shù)，其處理結(jié)果見表5。

表5 安全系數(shù)

通過(guò)將含水量試驗(yàn)和SF繪制成散點(diǎn)圖，獲得含水量與SF的關(guān)系，見圖4。以圖4可知，含水量與SF斜率值的關(guān)系方程為y=2.267-0.024x，其中y是安全系數(shù)(SF),x是含水量。經(jīng)驗(yàn)方程顯示了非常強(qiáng)的線性關(guān)系，其R2值可以達(dá)到0.92。結(jié)果表明，含水量的增高會(huì)導(dǎo)致安全系數(shù)降低。當(dāng)含水量在0%～50%之間時(shí)，SF>1.25，邊坡處于安全條件。當(dāng)含水量從51%增加至60%時(shí)，SF值為1.0～1.25，表明邊坡已經(jīng)處于臨界條件。當(dāng)含水量大于63.74%，SF<1，此時(shí)邊坡不安全，極有可能發(fā)生滑坡。

圖4 含水量與安全系數(shù)關(guān)系圖

5 結(jié) 論

本文建立了邊坡土壤含水量與相關(guān)力學(xué)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，分析了邊坡含水量的安全范圍，結(jié)論如下：

1) 土壤樣本的含水量增加，會(huì)降低內(nèi)聚力值和內(nèi)部剪切角。該值的降低導(dǎo)致邊坡強(qiáng)度的減弱，因此邊坡上的SF值也降低。

2) 當(dāng)含水量在0～50%之間時(shí)，邊坡處于安全狀態(tài)；當(dāng)含水量在51%～60%之間時(shí)，處于危險(xiǎn)狀態(tài)；當(dāng)含水量大于63.74%時(shí)，處于不安全狀態(tài)(滑坡)。

3) 土壤中的高含水量可能會(huì)導(dǎo)致斜坡的穩(wěn)定性水平(SF)降低，尤其是在降雨期間。因此，可通過(guò)加固或者表面噴射混凝土等工程方法來(lái)進(jìn)行邊坡防護(hù)。