降雨型堆积层滑坡抗剪强度参数反演分析

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工程实例的应用表明综合考虑滑坡稳定现 状、发展趋势、滑坡体物质组成、滑动成因、工 程地质与水文地质条件, 通过试算确定滑带土强 度参数 c、φ 的反分析方法有一定的可行性。利用 反分析得出的参数进行滑坡的稳定分析和工程设
计,方法简单,结果更为可靠。
图 2 滑坡土体抗剪强度参数反分析/m
参考文献
[1] 张先发, 李明华, 张小刚. 长江上游暴雨与滑坡崩 塌关系[J]. 地理, 1995, 8(3): 102-106.
由于滑坡为一大规模的剪切活动,试验很难 完全模拟真实自然条件,反分析法综合性好,能将 考虑欠缺的外部作用因素融入反算的抗剪强度参 数中,进而在采用反算参数进行设计时,融入了 该因素的影响,使滑坡稳定性分析更切合实际。 因此,反分析法对滑坡的稳定性分析与滑坡治理 具有重要的作用。
在反分析中,地下水、滑体几何边界及现状 稳定性评估指标等状态约束条件的适当处理是正 确进行反分析的基础,结合地质勘察及变形监测 资料可以很好地确认反分析状态及约束条件。
稳定评估指标主要依据边坡变形发展状态来 确定,建议参考表 1[6]并结合实际情况选定。稳 定评估指标具有一定的先验性,必须考虑边坡不
雨量可达 50 mm/ h。
同发育阶段的变形性质并详细查勘边坡前、后缘
变形量和地形变化后才能做出正确选择。
表 1 滑坡不同发育阶段的稳定系数
发育阶段 局部变形
整体变形 稳定固结
南坡土体滑坡,坡面出现了大量破裂裂隙,后缘 最大裂缝宽为 20 cm,长 12 m,垂直位移为 40 cm, 各裂缝断断续续呈扇形分布;前缘临空面出现几 条垂直裂缝,下部 5 层住宅楼后挡土墙已经破裂,
图 1 滑坡示意
滑动区范围内基本全为第四系残坡积松散土
层覆盖,土层厚度 5.5~20.5 m,下伏志留系上统 茅山组石英细砂岩、粉砂岩与石炭系中统黄龙组
滑坡是一种严重的岩土体失稳现象,是发生 频率最高、危害最大的灾种之一,常给人类生命 财产带来重大威胁。
堆积层滑坡是滑坡的一种基本类型,是指第 四系地层中除黄土、粘土以及其它软土层以外的 松散堆积层(包括人工堆积物)的滑坡,而且重点 是指河谷两岸缓坡地带的坡积、洪积成因的堆积 层滑坡,它具有与很多其他类型滑坡不同的特点, 在我国滑坡类型中占有很大的比例。堆积层边坡 的失稳绝大多数是由降雨或地下水位的变化而引 起的[1]。这是目前滑坡灾害预测与防治领域亟待 研究与解决的难点与关键问题。
[2] Sakurai S. Field Measurement and Back Analysis[C]// Computer Method and Advances in Geomechanics. Rotterdam: Balkema, 1992: 1693-1701.
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华 中 科 技 大 学 学 报(城市科学版)
反分析得出的 c,φ 值为滑带土临界状态下的 c,φ 值,当分析工况发生变化时,c,φ 值也应随 之变化。尤其是滑带赋存条件不同时,c 值可能 会存在较大差异。在实际工程中,可根据分析工 况与临界状态下的滑带赋存条件以及土体性质, 利用经验和工程类比法对 c 值进行折减。
2 工程实例分析
2.1 工程概况 2004 年 7 月 2 日,一场暴雨后,某单位后山
根据钻探资料和实地调查,发现Ⅰ区滑移面 上部位于粉质粘土中,中部沿基岩接触面,底部 穿过挡墙(位于五层楼后)后出露;Ⅱ区滑移面 上部位于粉质粘土中,中部沿基岩接触面,底部 穿过临空面后出露。因此,进行滑坡反分析稳定 计算时,采用指定滑面的方法。 2.3 反分析成果
滑坡反分析稳定计算成果详见图 2,土层有 效应力抗剪强度参数见表 3。
石较完整,局部节理裂隙发育,主要为方解石充
填。滑坡各土层的物理力学指标见表 2。
表 2 土层物理力学性质指标表
含水量 重度
内摩擦角 粘聚力
土层名称 密实状态
孔隙比
/ % / kN·m-3
/(°) / kPa
粉质粘土 松散,可塑 20.5 19.1 0.726 27.2 32.1
砂砾质粘土 密实,硬塑 21.5 19.2 0.719 27.0 22.4
4.5~13.9 m。滑坡周边无地表水系,滑坡内地下 水主要由后缘基岩裂隙水及降水补给。由于土体 内裂隙极其发育,结构破碎程度很高,透水性很 强,大气降雨相当一部分将直接渗入第四系松散 层,形成暂态地下水,滑体内地下水位的升高将 增大滑体的下滑力、恶化土体的抗剪强度,进而 诱发滑坡,因此,可以认为,由于滑坡区遭遇长 久降雨过程,滑体内地下水位升高,使滑坡处于 复活状态。本文以此状态作为反分析的计算状态。
第25卷第4期 2008 年 12 月
华 中 科 技 大 学 学 报(城市科学版) J. of HUST.(Urban Science Edition)
Vol.25 No.4 Dec. 2008
降雨型堆积层滑坡抗剪强度参数反演分析
陈骏峰
(华中科技大学 土木工程与力学学院,湖北 武汉 430074)
摘 要:在研究实例工程滑坡约束条件和某一确定计算状态的基础上,利用极限平衡理论方法对滑坡的滑带土 进行了计算参数反分析,获得了土层有效应力抗剪强度参数。研究表明:计算参数 c (黏聚力),φ(摩擦角) 值 的反分析存在解的非唯一性,只有确定了边坡的临界状态并选定相应的评估指标后,才有可能获得准确结果; 反分析得到的滑带土 c,φ 值与临界状态的滑带赋存条件相对应,当进行其他工况的稳定分析及工程设计时, 应根据经验及工程类比结果进行折减。 关键词:堆积层滑坡;强度参数;反分析 中图分类号:TU443 文献标识码:A 文章编号:1672-7037(2008)04-0249-04
第4期
陈骏峰:降雨型堆积层滑坡抗剪强度参数反演分析
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2.2 滑坡计算参数反分析
表 3 土体抗剪强度参数
2.2.1 反分析状态的确定 反分析状态的确定与形成该状态的荷载条
土层名称 粉质粘土
内摩擦角/(°) 25
内聚力/kPa 15
件、计算边界及稳定评价指标等有关。 滑坡内地下水均为潜水,埋藏较浅,多在
边(滑)坡滑带土的黏聚力(c)和内摩擦角(φ)等 力学计算参数的取值正确与否,会直接影响到边 坡的稳定计算和工程设计。目前确定 c,φ 值的方 法有试验、工程类比和反分析 3 种。试验是确定 滑带土计算参数的途径之一,但 c,φ 值需通过大 量试验才能得出,此外,试样的失真、滑带土的 非均匀性、试验误差Байду номын сангаас试验结果的多样性等,也 会给试验成果的选用带来识别上的很大困难。工 程类比法是一种经验估算方法,由于滑坡的成因、 结构条件、边界条件、土体性质及研究者的经验 等存在一定的差异,工程类比法也不可能准确地 得出滑带土的计算参数。有鉴于此, 各国学者广 泛采用现场监测和反分析相结合的方法来确定地 层参数[2~5] 。下面结合工程实例,对降雨型堆积 层滑坡抗剪强度参数反演分析进行讨论。
以辨明 c,φ 值对稳定系数的敏感程度。首先确定 对稳定系数变化不太敏感的参数,所取参数值一 般应在试验值的包络范围内,也可以参照类似工 程参数取值。在选取 c,φ 值时,应同时研究滑带 土的颗料组成、构造和滑带的赋存条件。一般而 言,φ 的试验结果较为可靠。因此,一般先根据 试验结果确定 φ 值,然后根据敏感性分析结果确 定 c 值。
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[3] 郑明新. 论滑带土强度特征及强度参数的反算法[J].
[5] 李 林, 李锁平. 圆弧形滑坡反分析技术研究[J].
局部已经向外错动 3~4 cm,由于挤压作用,挡 土墙与住宅楼之间水泥地面鼓胀隆起近 20 cm。 详见图 1。场地属剥蚀残丘地貌,山顶海拔 183.5 m,坡脚海拔 77 m,最大相对高差 106.5 m,总体 坡度 15°~35°。地处北亚热带气候区,年平均降 雨量 1 285 mm。降雨具有集中、强度大的特点, 每年 4~9 月为雨季,其降雨量占全年的 75 %,7 月初为每年的梅雨季节,多阵雨和暴雨,最大降
态约束条件(尤其是地下水的水面线) 的准确性,
是影响反分析结果可靠性的重要因素。
(2)反分析得到的滑带土 c,φ 值与临界状
态的滑带赋存条件相对应,当进行其他工况的稳
定分析及工程设计时,滑带赋存条件与反分析的
临界状态会有所不同,因此 c 值应根据经验及工
程类比结果进行折减。
(3)利用反分析得出的参数进行滑坡的稳定
计算状态确定后,还需寻求与确定状态相对 应的反分析所需的边界条件与稳定系数。 2.2.2 地下水位的确定
本滑坡区地表全由第四系松散层覆盖,由粉
砂砾质粘土
25
10
含砂砾粘土
22
7
由反分析可以得到如下认识:
(1)计算参数 c,φ 值的反分析存在解的非
唯一性,只有确定边坡的临界状态并选定相对应
的评估指标后,才有可能获得准确结果。临界状
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华 中 科 技 大 学 学 报(城市科学版)
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因为一个确定的状态是由一个确定的评估指标来 描述的。通常将反分析的状态称为临界状态。临 界状态是指在确定工况的评估指标下的边坡即时 状态,包括坡面形态、地下水位、滑带赋存条件 和外荷载等因素。
对大多数土体边坡的稳定状态来说,起主导 作用的是地下水位的变化,因此,应尽量了解反 分析拟定状态条件下的地下水位状况。
变形性质 蠕滑
微滑
剧滑 固结
稳定系数 K
变形状态
1.05~1.00
前缘或后缘变形微弱,地表 出现未连通微裂缝
局部坡面变形异常,陡坎处
1.00~0.90 出现小型滑崩,裂缝发展,
逐渐连通
坡面出现鼓丘、挤压变形和较 < 0.90 长的大裂缝
> 1.05
-
1.2.3 确定计算参数 根据反分析结果,对 c,φ 值进行敏感性分析,
数)K 的表达式为
n
n
K = ∑ Ei ∑Ti
(1)
i =1
i =1
n
n
∑ ∑ 式中, Ei 为阻滑力(或力矩); Ti 为下阻滑
i=1
i=1
力(或力矩)。 1.2.2 确定反分析的状态及稳定状态评估指标
在反分析中强调“状态”概念是十分重要的,
收稿日期:2008-08-30 作者简介:陈骏峰(1974-),男,湖北仙桃人,博士研究生,研究方向为结构工程,junfengc@sohu.com。
灰岩。第四系残坡积松散土层,从上到下分为粉
质粘土、砾质粘土和砂砾粘土等 3 层;志留系上 统茅山组为中厚~厚层石英细砂岩、粉砂岩,砂
质结构,层状构造。上部为强风化,破碎程度较
高;下部为中风化,岩石较完整,呈灰褐色,结
构致密坚硬。石炭系中统黄龙为灰白色至深灰色
灰岩,微风化,粉晶结构,块状厚层状构造,岩
1 抗剪强度参数反演分析方法
1.1 土体边坡计算参数反分析的定义
边坡反分析就是先根据确定的边界条件和特
定工况状态下的稳定状态评估指标建立数学模
型,然后利用此模型反演边坡土体的计算参数 c,
φ 值。由于反分析 c,φ 是通过 1 个方程来求解 2
个未知参数,因而,其解具有不确定性。一般情
况下,采用反分析方法时需结合试验、经验或敏
感性分析等方法才能确定出参数的取值。
1.2 反分析过程
1.2.1 建模
反分析建模常用的方法是极限平衡分析法。
极限平衡分析法的基本假定是:土体为理想刚塑
性材料;加荷过程中土体不发生任何变形;达到极
限平衡状态时土体将沿某破裂面发生剪切变形。
工程上最常用的平面极限平衡计算方法为条
分法。在条分法中,稳定状态评估指标(稳定系
分析和工程设计,方法简单,结果更为可靠。
质粘土、砂砾质粘土和少量碎石土组成,滑体内 土体结构松散,裂隙发育,破碎程度较高,透水
3 结语
性很强。结合现场调查,滑体内暂态地下水主要 赋存在砂砾质粘土和少量碎石土中,降雨过程中 的地下水位线位于砂砾质粘土层层顶。 2.2.3 稳定系数的确定
鉴于在降雨诱发下滑坡已形成,参照表 1, 稳定系数取为 0.95~1.0。 2.2.4 滑动面确定
含砾粘土 软塑
36.6 17.8 1.077 18.4 18.8
滑坡内地下水均为潜水,埋藏较浅,多在 4.5~13.9 m。滑坡周边无地表水系,滑坡内地下 水主要由后缘基岩裂隙水及降水补给。本滑坡区 地表全由第四系松散层覆盖,由粉质粘土、砂砾 质粘土和少量碎石土组成,滑体内土体结构松散, 裂隙发育,破碎程度较高,透水性很强,孔隙水 主要受大气降水补给,一部分渗入地下基岩,一 部分顺坡向渗流。
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