滑带土结构强度特征及其强度参数取值研究

2004 年 2 月 12 日收到初稿，2004 年 4 月 11 日收到修改稿。 作者 田 斌 简介：男，40 岁，博士，1986 年毕业于原葛洲坝水电工程学院水利水电工程建筑系水工建筑专业，现任教授、博士后，主要从事岩土 力学与工程方面的研究与教学工作。E-mail：eudiltb@ctgu.edu.cn。
Abstract The strength parameters of soil in slide zone are indispensable factors for stability evaluation and control design to a landslide. In this paper，the strength characteristics of soil in slide zone are analyzed，and the residual strength parameters and the restorative strength parameters of the soil in slide zone are discussed，too. The implication of the stability safety factor for landslide and the strength parameters of soil in slide zone is gotten clear through discussion about the definition of the stability safety factor for landslide. The method of determination of the strength parameters of soil in slide zone is proposed. Combined with the practice of Gushubao landslide，the strength parameters of soil in slide zone are determined. Key words landslide，soil in slide zone，strength parameter，safety factor
第 23 卷 第 17 期 2004 年 9 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
பைடு நூலகம்
23(17)：2887～2892 Sept.，2004
滑带土结构强度特征及其强度参数取值研究
田 斌 1 戴会超 2 王世梅 1
(1 三峡大学土木水电学院 宜昌 443002) (2 中国长江三峡工程开发总公司 宜昌 443002)
室内物理力学实验一般采用滑带土的原状或扰 动土样，在实验室内模拟滑坡实际的滑坡滑动过 程、滑带土赋存条件及排水条件，选择合适的室内 剪切仪器(直剪、环剪、往复剪等)及相应的实验方 法(快剪、慢剪、固结快剪、滑面重合剪或多次剪 等)，得到滑带土的再生或残余强度的实验值。
反算法是将滑坡将要滑动但尚未滑动的瞬时视 为极限平衡状态，列出相应的极限平衡方程来求解 滑带土的强度参数 c 或ϕ 值。反算法通常分为两种 方式进行，其一为沿主滑面的主滑方向两侧各取一 实测剖面，将其均视为处于极限平衡状态，建立联 立方程求解粘聚力 c 及内摩擦角ϕ 。另一方法为，
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岩石力学与工程学报
2004 年
实验数据一般不宜直接应用于滑坡稳定性评价及滑 坡治理工程设计。经验公式估算方法以一定的地形、 地质结构特性、室内及现场实验数据为基础，通过 回归等手段求出滑带土的强度参数。由于滑带土力 学影响因素的复杂性及未能引入更多的地质素描， 因而应用不同的经验公式对同一滑带土强度参数进 行估算时，存在较大的离散性。本文提出，滑带土 的强度参数的取值应综合考虑滑坡体稳定现状及发 展趋势、滑坡体物质组成、启动成因、工程地质与 水文地质条件、室内实验结果、反算结果、人工神 经网络预测等方法得出的结果，加以修正后使用。
关键词 滑坡，滑带土，强度参数，安全系数
分类号 TU 411.3，P 642.22
文献标识码 A
文章编号 1000-6915(2004)17-2887-06
STRENGTH CHRACTERISTICS OF SOIL IN SLIDE ZONE AND DETERMINATION OF ITS PARAMETERS
进的。通常坡体的破坏区域首先从一点开始，然后
坡体的应力不断调整，滑带逐渐形成，直到整个坡
体沿滑动面失稳滑动，滑带土形成，此时，整个滑
动面上各点均处于极限平衡状态。设滑带土强度参
数折减 K 倍，其坡体失稳，则滑带上任一点有
τ = τ f / Fs
(8)
式中：τ 为滑带土沿滑动方向的实际剪应力，τ f 为 滑带土中该点的抗剪强度， Fs 为滑带土抗剪强度折 减系数，τ f / Fs 为滑带土的折减抗剪强度。当滑带 土中任一点 i 处于极限平衡状态时，滑带土在 i 点沿
摘要 滑带土强度参数的的正确选取，是滑坡稳定性评价及滑坡治理工程设计中的关键问题。分析了滑带土的结
构强度特征，提出了滑带土残余强度与再生强度的不同使用场合。通过对滑坡稳定安全系数的定义讨论，明确了
滑坡稳定安全系数及滑带土强度参数的物理涵义，提出了滑带土强度参数的取值方法。最后，结合古树包滑坡实
例，研究了滑带土强度参数的取值。
除个别有条件的滑坡治理工程进行现场原位剪 切实验给出其滑带土的强度参数外，一般滑带土强 度参数的取值研究，应在室内物理力学实验的基础 上，结合滑坡体稳定现状及发展趋势、滑带土物质 组成、滑坡启动成因、滑坡体工程地质与水文地质 条件、反算结果、人工神经网络预测等方法得出的 结果，根据工程经验加以修正后使用。
切线方向 Δli 范围内的滑动力为 Ti = τ i / Δli ，阻滑力
为
Ri
=
− τ fi Fs
Δli
，则有
Ti + Ri = 0
(9)
滑坡体处于临界稳定状态，其滑动面上处处处
于极限平衡状态，滑动力与阻滑力的合力为 0，即
∑ ∑ τ iΔli −
τ fi Fsi
Δli
=
0
(10)
当滑带土的抗剪强度不为 0 时，必定存在非 0 的系
在平行于反算剖面方向取单位宽度的岩土体作 为研究对象，不计两侧面(平行于滑坡方向)的摩阻 力，设滑坡体给定的安全系数为 K，剖面的计算滑 坡推力为
En = KWn sinα n − Wn cosα n tanϕ − cLn + En−1ψ n (16)
Tian Bin1，Dai Huichao2，Wang Shimei1
(1School of Civil Engineering，China Three Gorges University， Yichang 443002 China) (2China Yangtze Three Gorges Project Development Corporation， Yichang 443002 China)
全系数可理解为滑动面上各点均处于极限平衡时，
滑带土强度参数的宏观综合抗剪折减系数。
3 滑带土结构强度特征及取值研究
由于滑带土强度参数的重要性及取值的复杂 性，对其取值的研究工作一直未停止过。关于滑带
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田 斌等. 滑带土结构强度特征及其强度参数取值研究
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土强度参数的研究，还涉及滑带土强度参数与含水 量及水质的关系。一般认为，滑坡一经启动，其滑 带土的原有结构因剪切变形而发生改变，其中的粘 土因过大的剪切变形而颗粒变细，并沿滑动面呈定 向排列；滑带土的强度参数以残余强度参数为基 础，甚至认为，古滑坡沿已有滑带滑动的滑带土强 度参数仍可近似取残余强度参数[7]。应该指出，上 述对滑带土强度参数的基本认识是基于是建立在室 内土工实验的基础之上作出的，而滑坡的滑带土形 成以后，仍继续受其上覆滑体的自重作用，其发生 改变的滑带土结构会处于新的环境条件。只要条件 许可，滑带土呈定向排列的粘土颗粒会经历重新嵌 合、脱水、固结、压密等结构再生过程，形成与新 的环境条件相一致的峰值强度——再生强度[4]。因 此，在滑坡研究中必须合理区分滑带土残余强度与 再生强度的使用场合，以合理评价滑坡体的稳定现 状及拟定合理的加固设计方案。滑带土的残余强度 可以认为是其短期强度，在滑坡启动后的一段时间 内，对滑坡稳定性的评价及加固设计的早期工作阶 段，应考虑采用滑带土的残余强度值。当然，加固 措施在此阶段的安全系数可适当取的低一些。滑带 土的再生强度可以认为是其长期强度，对滑坡长期 的稳定性的评价及加固措施在长期工作阶段的稳定 安全系数计算，应考虑采用滑带土的再生强度值。
一般认为，边坡稳定安全系数的定义可分为基
于强度折减系数法定义和基于剪应力定义两种。必
须指出，上述划分是针对圆弧滑动面提出的，将其
推广到非圆弧滑动面时，应将其概念做些拓展。对
非圆弧滑动面，从强度折减与极限平衡的概念出发，
可得边坡稳定安全系数的表达形式如式(1)所示。 边坡失稳时，坡体的滑动面(滑带)的形成是渐
数 Fs 使
∑ ∑ τ fiΔli = τ fiΔli
(11)
Fsi
Fs
成立。结合式(10)有
∑ ∑ Fs = τ fiΔli
τ iΔli
(12)
进一步可表达成式(1)的形式：
∫ ∫ Fs = τ f dl τ dl
l
l
(13)
当滑带土的抗剪强度满足库仑公式时：
τ f = σ n = tanϕ + c
2 滑坡稳定安全系数的涵义
目前，应用于边坡稳定性评价及加固设计中的 边坡稳定安全系数的定义有多种[10]：
l
l
∫ Fs = τ f dl ∫τ dl
(1)
0
0
l
l
∫ ∫ Fs = Fsldl dl
(2)
0
0
∫ ∫ ∫ ∫ Fs
=
⎜⎜⎝⎛
l 0
Sldl
1 0
dl ⎟⎟⎠⎞−1
=
1 0
dl
1
Sldl
0
(3)
Fs = cc / c
(4)
Fs = tanϕc / tanϕ
(5)
Fs = H c / H
(6)
Fs = M r / M s
(7)
式中：τ f 为抗剪强度，τ 为实际剪应力； Fs = τ f /τ 称为局部安全系数； Sl = τ /τ f 称为应力水平； cc 为 临界粘聚力，c 为实际粘聚力；ϕc 为临界内摩擦角， ϕ 为实际内摩擦角； Hc 为临界坡高，H 为实际坡 高； M r 为阻滑力矩之和， M s 为滑动力矩之和。
1概述
滑带土强度参数的取值是滑坡稳定性评价及滑 坡治理工程设计中的关键问题，长期以来受到了国 内外众多研究者的广泛关注，取得了较大的进展； 但也尚在许多问题上没能取得一致的认识，十分有 必要作进一步的深入研究与探讨。自 A. W. Skempton 1964 年提出残余强度理论以来，人们普遍
认识到滑坡具有位移量大、多次启动等特点，滑坡 稳定性评价及其防治工程也以残余强度理论为基 础[1～9]。由于滑带土介质物质组成、结构形态、滑 动成因、赋存环境等的多样性，其强度参数受外界 影响因素复杂；且滑带土多埋藏在启动后的滑坡体 之下一定深度，由于时间、资金、现场实验条件等 的限制不可能大量进行现场大型原位剪切试验。对 于碎石土等物质构成的滑带土，室内实验又很难模 拟滑带土实际的受力状态及变化过程，因此，室内
(14)
式中：σ n 为滑带土任一点的法向应力； c ，ϕ 分别 为滑带土的粘聚力与内摩擦角。则式(13)可表达成 常见的形式：
(σ n tanϕ + c)dl
∫ Fs = l
τ dl
∫l
(15)
从上述推导过程可以看出，滑坡稳定安全系数
式(1)表达形式对于一般形状的滑动面而言，在强度
折减的概念下具有明确的物理涵义，即滑坡稳定安
基于室内物理力学实验，结合滑坡体的实际稳定状 况，确定对滑坡稳定性影响较小且变化相对较稳定 的 c 或ϕ 值，取一个主滑剖面，反算另一个强度指 标。后一反算方法以室内实验为基础，且结合现场 对滑坡稳定性的经验评价，具有客观反映滑坡体稳 定性及较广泛的适应性。本文在滑带土强度参数取 值研究中，应用此法对滑带土的强度参数进行反算 研究。基于滑坡推力法的单剖面强度参数反算方法 如下所述[11，12]。