趙海峰

(核工業(yè)廣州工程勘察院，廣東廣州 510800)

1 滑坡勘察的特點(diǎn)

滑坡勘察不同于一般建筑的巖土工程勘察，其特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面:

1)重視地質(zhì)環(huán)境條件的調(diào)查，并從條件中尋找滑坡的形成演化過(guò)程和主要作用因素;

2)充分認(rèn)識(shí)滑坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，從其結(jié)構(gòu)出發(fā)研究其穩(wěn)定性;

3)重視變形原因的分析，并與外界引發(fā)因素相聯(lián)系，研究主要引發(fā)因素的作用特點(diǎn)與強(qiáng)度(靈敏度);

4)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和防治工程設(shè)計(jì)參數(shù)具有不唯一性，常表現(xiàn)為較強(qiáng)的離散性，應(yīng)根據(jù)滑坡的個(gè)體特點(diǎn)與作用因素綜合確定，進(jìn)行多狀態(tài)的模擬計(jì)算;

5)目前尚未研究出具有普適性的穩(wěn)定性計(jì)算方法，現(xiàn)有的方法都有較多的假定條件。

2 計(jì)算參數(shù)的確定

2.1 C，φ 的關(guān)系

滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度表達(dá)式:

τ=σtgφ +C。

當(dāng)滑帶土處于飽水狀態(tài)C=0:

τ=σtgφ。

從公式可以看出:

1)抗剪強(qiáng)度是隨作用于滑動(dòng)面上的法向應(yīng)力的增大而增大;

2)內(nèi)聚力為一常數(shù);

3)內(nèi)摩擦角為一變量。

滑體厚度的大小影響滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)滑體厚度增大時(shí)，內(nèi)摩擦角的作用增大;當(dāng)滑體厚度減小時(shí)，內(nèi)聚力的作用增大。有關(guān)文獻(xiàn)將滑體(上覆巖土體)厚度為4 m作為一個(gè)界線。

a.滑體厚度小于4 m時(shí)，其抗剪強(qiáng)度主要由內(nèi)聚力控制;

b.滑體厚度大于4 m時(shí)，其抗剪強(qiáng)度主要由內(nèi)摩擦角控制。

為方便計(jì)算，通過(guò)抗剪強(qiáng)度相等原則，采用一個(gè)定值的綜合內(nèi)摩擦角φo代替內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力。稱(chēng)似摩擦角或綜合摩擦角。

GB 50330-2002，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范:

φo=arctg(tgφ +2c/rhcosθ)。

TB 10025-2006，鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范:

φo=arctg(tgφ +2c/rh)。

注意:

1)當(dāng)內(nèi)聚力越大時(shí)，計(jì)算出的側(cè)向巖土壓力“失真”越嚴(yán)重;

2)當(dāng)正應(yīng)力增大，計(jì)算的側(cè)向巖土壓力偏小，則不安全;

3)當(dāng)正應(yīng)力減小，計(jì)算的側(cè)向巖土壓力偏大，偏于安全。

《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定:由于邊坡巖土體的不均一性等，一般情況下，等效內(nèi)摩擦角的計(jì)算邊坡高度不宜超過(guò)15 m，不得超過(guò)25 m。

規(guī)范公式中存在的問(wèn)題:

抗剪強(qiáng)度相等原則:

τ=σtgφ +C ×L，τ=σtgφo。

則:tgφo=tgφ +C ×L/σ。

其中，正應(yīng)力σ=G×cosθ。

G=r×h×a/2。

a=cosθ× L。

G=r×h×L×cosθ/2

σ=r×h×L×cos2θ/2。

tgφo=tgφ +C/r× h ×cos2θ/2=tgφ +2C/rhcos2θ。

因0＜cosθ＜1，cosθ＞cos2θ。

規(guī)范推薦公式計(jì)算的φo小于推導(dǎo)公式計(jì)算的φo，有一安全儲(chǔ)備。

2.2 試驗(yàn)法(室內(nèi)試驗(yàn)、原位試驗(yàn))

試驗(yàn)法最大的不足是由于滑帶土的不均勻性導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果離散性太大。盡管目前對(duì)取樣部位及取樣方法進(jìn)行了規(guī)定，且試驗(yàn)盡可能模擬各部位滑坡的受力特征，但仍然難以達(dá)到滿(mǎn)意的效果。

2.3 參數(shù)反演法

反演或稱(chēng)反分析是通過(guò)恢復(fù)已破壞斜坡的原始狀態(tài)或滑動(dòng)后滑坡?tīng)顟B(tài)，在分析其破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立極限平衡方程，然后反求滑動(dòng)面的C，φ值。

1)明確反映變形破壞機(jī)制;

2)計(jì)算步驟盡可能簡(jiǎn)化，抓住主要問(wèn)題，提高適宜性;

3)易于校核;

4)不刻意追求新穎和復(fù)雜化。

在進(jìn)行反演分析時(shí)應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn):

1)應(yīng)盡可能地模擬滑坡蠕滑時(shí)的邊界條件，尤其是地下水位，如果難以做到，則可取勘探時(shí)雨季最高地下水位;

2)選擇分析剖面與主滑剖面一致;

3)用作反演分析的理論方法，應(yīng)與設(shè)計(jì)用的穩(wěn)定性及推力計(jì)算方法一致。

GB 50021-2001(2009年版)巖土工程勘察規(guī)范、JTJ 064-2011公路工程地質(zhì)勘測(cè)規(guī)范、TB 10027-2001鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程、DZ/T 0218-2006滑坡防治工程勘查規(guī)范等規(guī)范規(guī)程中對(duì)反演法均作了相應(yīng)的規(guī)定。但在具體計(jì)算過(guò)程中需注意以下幾個(gè)方面:

1)無(wú)論是采用恢復(fù)已破壞斜坡的原始狀態(tài)或滑動(dòng)后滑坡?tīng)顟B(tài)，首先必須明確滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)，并取相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)。各種規(guī)范規(guī)程中按滑坡的賦存活動(dòng)狀態(tài)(正在滑動(dòng)、暫時(shí)穩(wěn)定、穩(wěn)定)給出了一個(gè)相應(yīng)的區(qū)間值，但在取值過(guò)程中需考慮滑坡的危害程度，危害程度大取小值，危害程度小取大值。

2)除主滑剖面外需取與主滑剖面平行的不少于一條的計(jì)算剖面。

3)假定C值計(jì)算φ值或假定φ值計(jì)算C值，須注意兩值的對(duì)應(yīng)性，計(jì)算中相鄰假定值不能過(guò)大。

在反演分析中，滑坡幾何參數(shù)確定后，穩(wěn)定性系數(shù)可根據(jù)滑坡穩(wěn)定狀態(tài)，給定一個(gè)值，那么公式中的變量只有C，φ。我們可以用兩個(gè)或兩個(gè)以上的剖面建立二元一次或高階方程組，聯(lián)立求解方程式可以較為精確地反算出滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

2.4 經(jīng)驗(yàn)法(類(lèi)比法)

各類(lèi)規(guī)范、規(guī)程、手冊(cè)都給出了較多的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在應(yīng)用過(guò)程中要注意滑帶土的相似性和不同性。

硬性結(jié)構(gòu)面:主要由結(jié)構(gòu)面的幾何形態(tài)、膠結(jié)情況及充填厚度所決定。

1)結(jié)構(gòu)面起伏較大且較粗糙，內(nèi)摩擦角較大;

2)結(jié)構(gòu)面如為鈣質(zhì)、鐵質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)，內(nèi)聚力較大;

3)隨著結(jié)構(gòu)面充填物厚度的增大，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度由充填物的抗剪強(qiáng)度來(lái)控制。

滑帶土的抗剪強(qiáng)度還與土的礦物成分及粒徑有關(guān)。如組成土的礦物成分中高嶺土、伊利石、蒙脫石含量較高，則土的內(nèi)聚力較大，粒徑大，內(nèi)聚力小。

《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》《工程地質(zhì)手冊(cè)》等都給出了一些經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)據(jù)。其中《工程地質(zhì)手冊(cè)》中給出了抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與斜坡坡度之間的一個(gè)統(tǒng)計(jì)資料(見(jiàn)表1)。

表1 滑坡計(jì)算參數(shù)匯總表

滑坡計(jì)算參數(shù)，包括滑坡巖土和滑動(dòng)面(滑帶)的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。在以上研究的基礎(chǔ)上滑坡計(jì)算參數(shù)確定的基本思路如圖1所示。

圖1 滑坡計(jì)算參數(shù)確定的思路

3 穩(wěn)定性系數(shù)

滑坡穩(wěn)定性研究的主要任務(wù)是進(jìn)行滑體穩(wěn)定性計(jì)算，評(píng)價(jià)目前和穩(wěn)定狀態(tài)和可能的變形發(fā)展趨勢(shì)，它是在確定了地質(zhì)模型和物理破壞模式以后，給出合理的數(shù)學(xué)概化模型。

滑坡穩(wěn)定性系數(shù):是判斷滑坡穩(wěn)定程度的一個(gè)量化值。

滑坡穩(wěn)定性的計(jì)算方法大致可分為三類(lèi):1)極限平衡法;2)數(shù)值法;3)概率法。

極限平衡分析法是一種定量方法，也是工程上使用最多、最成熟的方法，是目前國(guó)內(nèi)有關(guān)規(guī)范、規(guī)程采用最多的一種計(jì)算方法。

極限平衡假設(shè):當(dāng)坡體的強(qiáng)度指標(biāo)降低Fs倍后，坡體內(nèi)存在一達(dá)到極限平衡狀態(tài)的滑面，滑體處于臨界狀態(tài)。

條塊剛性假設(shè):對(duì)滑體進(jìn)行剖分后，各條塊為剛性塊體，只發(fā)生整體運(yùn)動(dòng)而不產(chǎn)生條塊內(nèi)部的變形。

同樣的力學(xué)破壞模式，同樣的力學(xué)參數(shù)，采用不同的計(jì)算方法，穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果可相差30%。

同種計(jì)算方法，同樣的力學(xué)參數(shù)，同樣的力學(xué)破壞模式，剖分方法的不同，計(jì)算結(jié)果相差很大。不同影響因素狀態(tài)下差值也不同。其差值最大可達(dá)20%。坡面或滑面越陡，剖分方法的影響越大。

在以下位置應(yīng)設(shè)置滑坡體條塊垂直分界面:

1)滑動(dòng)面傾角變化點(diǎn);

2)滑動(dòng)面物理力學(xué)參數(shù)變化點(diǎn);

3)滑動(dòng)面與地下水位線相交點(diǎn);

4)地面線與河流或水體設(shè)計(jì)水位線的交點(diǎn);

5)滑坡體重度突變位置;

6)滑坡推力零界位置。

規(guī)范、規(guī)程中采用的計(jì)算方法:

1)滑動(dòng)面為單一的滑面或圓弧形:瑞典條分法或者畢肖普(Bishop)法。

瑞典條分法是將滑動(dòng)面以上的土體分成n個(gè)垂直分條，對(duì)作用于各土條上的力進(jìn)行力或力矩平衡分析。該方法是忽略土條之間和相互作用力的影響。

畢肖普法是假定滑動(dòng)面是以o為圓心，R為半徑的圓弧，從中任取一土條i為分離體，其分離體的作用力為:土條重引起的法向反力和切向力，并分別作用于底面中心處。根據(jù)靜力平衡條件或極限平衡條件各土條力對(duì)圓心進(jìn)行力矩平衡分析。忽略條間切向力。

2)滑動(dòng)面為平面(巖質(zhì))滑動(dòng)時(shí)采用平面極限平衡法。

3)滑動(dòng)面為折線時(shí)采用傳遞系數(shù)法(不平衡推力)。

上述計(jì)算方法中，瑞典條分法偏于過(guò)分安全，畢肖普法和傳遞系數(shù)法誤差較小。

4 傳遞系數(shù)法

4.1 傳遞系數(shù)法顯示解公式

傳遞系數(shù)法是采用投影法建立的一個(gè)力的平衡方程。

《巖土工程勘察規(guī)范》《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》《滑坡防治工程勘察規(guī)范》中采用的是顯示解:

對(duì)存在地下水作用時(shí)，穩(wěn)定性分析應(yīng)考慮地下水的作用:

1)水下(浸潤(rùn)線)部分巖土體重度取浮重度;

2)第i計(jì)算條塊巖土體所受的動(dòng)水壓力Pwi按下式計(jì)算:

分子:各條塊抗滑力之和，分母:各條塊下滑力之和。

a.公式是按逐塊投影法進(jìn)行推導(dǎo)，其數(shù)學(xué)邏輯是正確的。按公式可理解為:滑體各條塊下滑力傳遞至最末條塊之剩余下滑力和最末條塊下滑力之和與滑體各條塊抗滑力傳遞至最末條塊之剩余抗滑力和最末條塊抗滑力之和的絕對(duì)值之比。但忽略了各條塊之下滑力和抗滑力在傳遞過(guò)程中的相互作用關(guān)系。

在某一平行于條塊分界面的豎直分界面位置，若滿(mǎn)足條件:剩余下滑力不大于0、靠滑坡前緣一側(cè)條塊下滑力大于0，則該豎直分界面靠滑坡后緣一側(cè)各條塊的下滑力和抗滑力均不再向下傳遞。

b.動(dòng)水壓力對(duì)滑體的穩(wěn)定性是不利的。在動(dòng)水壓力計(jì)算公式中，當(dāng)?shù)趇計(jì)算條塊底面傾角為負(fù)值(向下)且絕對(duì)值大于第i計(jì)算條塊地下水位面傾角時(shí)，所產(chǎn)生的動(dòng)水壓力方向指向上為一抗滑力，這違背了動(dòng)水壓力性質(zhì)。

4.2 傳遞系數(shù)法隱式解

隱式解中是對(duì)滑體下滑力進(jìn)行折減，經(jīng)多交迭代使滑體末條塊剩余下滑力等于零時(shí)的系數(shù)(Fs)即為滑坡穩(wěn)定性系數(shù)。

4.3 傳遞系數(shù)法顯式解和隱式解的關(guān)系

1)當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)小于1.0時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)的顯式解小于隱式解;2)當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)等于1.0時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)的顯式解等于隱式解;3)當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)大于1.0時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)的顯式解大于隱式解。

5 作用于滑坡體上的荷載

1)滑坡體自重;

2)滑坡體上的地面荷載:建(構(gòu))筑物產(chǎn)生的附加荷載，汽車(chē)、行人等產(chǎn)生的動(dòng)荷載;

3)地下水產(chǎn)生的荷載:靜水壓力、動(dòng)水壓力等;

4)地震荷載;

5)江(河、庫(kù))水位變化產(chǎn)生的荷載。

荷載組合是根據(jù)滑體變形過(guò)程中作用于滑體上的荷載按最不利條件進(jìn)行組合。各類(lèi)規(guī)范、規(guī)程中有不同的組合方法:

建設(shè)行業(yè):可分為永久荷載、可變荷載、偶然荷載。分別進(jìn)行荷載組合，相應(yīng)的荷載選取不同的荷載分項(xiàng)系數(shù)。

地質(zhì)、公路、鐵路、水利行業(yè):根據(jù)滑坡變形過(guò)程及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行荷載組合(工況)。

在穩(wěn)定性計(jì)算中一定要分析滑坡的運(yùn)動(dòng)特征和動(dòng)力特征，在影響因素分析中要分別進(jìn)行誘發(fā)因素和激發(fā)因素進(jìn)行分析。

6 結(jié)語(yǔ)

由于滑坡工程的復(fù)雜性與特殊性，因此，在滑坡勘察設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，采用合適的勘察手段和試驗(yàn)方法，選取合理的計(jì)算參數(shù)和計(jì)算公式，力求以最簡(jiǎn)單的方法去解決最復(fù)雜的問(wèn)題，以較少的工作量和較低的投資，獲得最佳的勘察設(shè)計(jì)成果。

[1] GB 50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范[S].

[2] TB 10025-2006，鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50330-2002，建筑邊坡工程規(guī)范[S].

[4] DZ T0218-2006，滑坡防治工程勘查規(guī)范[S].

[5] 常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)[M].第4版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.