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碎石土滑坡的因素敏感性计算分析
资讯类型:行业新闻 加入时间:2009年8月12日15:47
 
碎石土滑坡的因素敏感性计算分析
   许建聪1,尚岳全2
   (1.同济大学地下建筑与工程系,上海200092;2.浙江大学建筑工程学院,杭州310027)
   摘要:通过资料搜集整理和分析、现场工程地质调查与勘探和室内外的物理力学试验,采用弹塑性接触有限元强度折减法、不平衡推力法和数理统计分析法,结合工程实例,分析了影响碎石土滑坡各因素的敏感性,结果表明,按因素敏感度从大到小排列,主要影响碎石土滑坡稳定性的因素依次为滑面岩土体内摩擦角、地形坡度、滑体饱水面积比和滑面岩土体的内聚力。地形坡度大、具有低内摩擦角滑面的碎石土滑坡的整体稳定性较差,而连续降雨、强降雨会抬高地下水位增大滑体饱水面积比,降低滑面带岩土体抗剪强度,增加下滑力,对碎石土滑坡的稳定性将产生最不利的影响。同时,在对碎石土滑坡进行加固处理时,必须优先考虑采取提高滑面等效内摩擦角、降低地形坡度结合降低地下水位措施,其次考虑采取提高滑面岩土体内聚力的措施。
   关键词:碎石土滑坡;弹塑性有限元;接触算法;不平衡推力法;因素敏感性
   中图分类号:TU 431文献标识码:A
   1 引言
   滑坡发生变形解体破坏是一种复杂的地质灾害过程。由于滑坡体内部结构的复杂性和组成滑坡岩土体物质的不同,造成滑坡解体破坏具有不同的模式。
   分析碎石土滑坡的水文工程地质条件变化与滑坡稳定性之间的相关关系,不但可以判断滑坡失稳形成机制,找出滑坡失稳的主导因素,而且对滑坡失稳灾害的防治及人工边坡的优化设计都具有重要意义。同时,从滑坡稳定性敏感度分析中可大致看出哪些因素对某一具体滑坡稳定性的影响较大,做到有的放矢。在边坡可靠度分析中,首先应确定随机变量,而敏感度分析结果可以作为随机变量选取的重要依据,这表明敏感性分析是一项十分重要的基础工作。
   为了进一步认识碎石土滑坡变形解体破坏的机理和提出有效加固措施,在此拟采用弹塑性接触有限元强度折减法、不平衡推力法和数理统计分析相结合的方法,结合浙江省官家碎石土滑坡工程实践,对影响碎石土滑坡的因素敏感性进行分析和研究。
   2 滑坡因素敏感性的计算原理
   一般来说,滑坡的稳定性系数K可以视为诸因素的函数,即
   
   而在滑坡稳定性计算分析中,上述关系只是一个数学模型,并没有明确的表达式。
   对滑坡进行稳定性分析的目的除了对其稳定性进行评价外,还要对达不到稳定性要求的滑坡采取加固措施。为了有效地加固滑坡,必须了解何种因素对滑坡稳定的影响较大和何种因素将大幅度地提高其稳定性。敏感性分析就是处理此类问题的一种很好的方法。滑坡敏感性分析主要是研究影响滑坡稳定性的各因素与相应的稳定性系数之间的相关关系。它由各因素的相对变化率与滑坡稳定性系数的相对变化率之间的比值来进行衡量,即第i个影响因素的敏感度Si可表示如下:
   
   敏感性分析可采用如下过程来进行:首先按现场测试结果或工程类比结果来选取一套基准参数,采用不平衡推力法或弹塑性接触有限元强度折减法,计算出基准条件下的滑坡稳定性系数K;
   然后将影响因素中的一个参数在基准值附近变化,而保持其它因素水平不变,计算此情况下的稳定性系数K;最后根据式(2)求得各因素的敏感度。
   下面以浙江龙游官家典型中深层碎石土滑坡为例,采用不平衡推力法或弹塑性接触有限元强度折减法,对影响滑坡稳定性的滑坡体重度、地形坡度、滑面岩土体的内摩擦角和内聚力、滑体饱水面积比(地下水位线以下的滑体面积与滑体总面积之比)、滑坡岩土体的弹性模量和泊松比等因素进行敏感性计算分析。在分析中,滑体条块划分如图1所示,地震作用不予考虑。该滑坡的工程地质剖面图及岩土体物理力学参数详见图2和表1。
   
   3 滑坡工程地质条件
   龙丽一级公路官家滑坡位于浙江龙(游)丽(水)一级公路k9+940~k10+200之间。2002~2005年,该滑坡在降雨作用下发生了几次滑动。滑坡体平均厚度23.87 m,滑坡体积约7.38×105 m³,属于大型中深层碎石土滑坡。
   根据地表及钻孔揭露,滑体组成物质为残坡积碎石土、含碎石粉质黏土,滑床为较完整的基岩。滑坡岩土体主要由残坡积层及晶屑凝灰岩等组成,共分成2个工程地质层3个工程地质亚层(如图2所示),其特征分述如下:
   (1)残坡积含碎石粉质黏土:暗土黄色,稍湿-湿,松散-稍密。碎石含量10%~25%,粒径2~4 cm居多,少量大于10 cm,呈棱角状,其余为粉质黏土及少量角砾。
   (2)残坡积碎石土:浅土黄色,稍湿-湿,松散-稍密。碎石含量50%~60%,粒径4~10 cm居多,呈棱角状,少量次磨圆状,其余为粉质黏土及少量角砾。局部夹大滚石(直径可达10 m左右)。
   (3)中风化晶屑凝灰岩:紫灰、绿灰色,晶屑凝灰结构,块状构造。节理裂隙较发育,裂隙面上可见少量铁锰质。岩石风化较弱,完整性较好,岩芯呈中短柱状。
   4 滑坡弹塑性接触有限元稳定性分析原理
   官家滑坡属于残坡积土沿中等风化基岩面滑动的碎石土滑坡,采用解决高度非线性问题的接触算法,可以对该类型滑坡所处的实际状态进行更准确的评价。
   通过强度折减,折减后的抗剪强度指标逐步减小,反复对滑坡进行分析,首先部分单元开始屈服,应力在单元之间重新分配,滑坡中岩土体局部失稳逐渐发展,直到某一个临界状态,在虚拟的折减抗剪强度下整个滑坡发生失稳。那么在发生整体失稳之前的那个折减系数值,即岩土体的实际抗剪强度指标与发生虚拟破坏时折减强度指标的比值,就是这个滑坡的稳定性系数。这种稳定性分析方法称为有限元强度折减法。
   
   在采用弹塑性有限元分析滑坡稳定性时,一般可以把岩土体看作D-P材料,选择Drucker-Prager屈服准则作为屈服函数和塑性势函数的本构模型。
   为了保证计算精度,又便于划分单元,在弹塑性接触有限元模型中全部采用6节点三角形单元离散化滑体和滑床,滑面(带)采用接触单元模拟。
   在官家滑坡弹塑性接触有限元数值分析和计算中,选择经过ISO9001质量体系认证的美国ANSYS公司开发的大型有限元商业软件ANSYS进行滑坡稳定性非线性有限元数值计算分析,滑体、滑面带及滑床的计算参数初始值(无地下水作用的状态,简称天然状态)均先通过室内物理力学试验获得,然后采用体积加权平均结合经验综合确定,详见表1。
   5 碎石土滑坡因素敏感性分析
   5.1 滑坡体的岩土体重度的敏感性分析
   首先,通过现场钻探和室内外试验,测得滑坡岩土体基准天然重度和饱和重度分别为19.38,20.415 kN/m³,然后采用不平衡推力法计算出基准条件(雨后天晴)下该滑坡的稳定性系数为1.503。
   其次,计算滑坡不同岩土体重度对应的稳定性系数,计算结果如图3所示。从该图3可以看出,在重度变化率的整个变化范围之内(?0.2~0.2),稳定性系数呈向上凸的抛物线变化。当滑体重度γ整体增加10%时,稳定性系数K大致增加0.598%,根据
   
   从以上分析可知,在基准状态(雨后天晴)下滑坡体岩土体重度的整体降低对滑坡的稳定性影响比岩土体重度的整体增加对滑坡的稳定性影响敏感;随滑坡体岩土体重度的整体增加,碎石土滑坡稳定性系数呈向上凸的抛物线型增加。
   
   5.2 碎石土滑坡岩土体内摩擦角的敏感性分析
   首先,通过现场钻探和室内外试验,测得官家滑坡滑动面岩土体的基准内摩擦角为18.067°,然后采用不平衡推力法计算出基准条件(雨后天晴)下该滑坡的稳定性系数为1.503。其次,计算滑面不同岩土体内摩擦角对应的稳定性系数,计算结果如图4所示。由图4可知,当内摩擦角在14.45°~21.68°范围内变化时,滑坡稳定性系数随内摩擦角变化呈微向上凹的抛物线变化。当?从18.067°减少到16.26°(降低10%)时,K大致减小10.78%,根据
   
   从以上分析可知,碎石土滑坡滑动面岩土体内摩擦角增加对稳定性系数的影响比滑动面岩土体内摩擦角减少对稳定性系数的影响稍微敏感;随滑面内摩擦角增加,碎石土滑坡稳定性系数呈微向上凹的抛物线型增加。
   
   5.3 碎石土滑坡岩土体内聚力的敏感性分析
   首先,通过现场钻探和室内外试验,测得该滑坡滑面岩土体基准内聚力为14.5 kPa,然后采用不平衡推力法计算出基准条件(雨后天晴)下该滑坡的稳定性系数为1.503。其次,计算滑面不同岩土体内聚力c对应的稳定性系数,计算结果如图5所示。
   由图5可知,当内聚力在11.6~17.4 kPa范围内变化时,滑坡稳定性系数随滑面内聚力变化呈线性变化。当滑面内聚力从14.5 kPa下降到13.05 kPa时,滑坡稳定性系数K大致降低1.53%,根据式(2)可求得相应内聚力的敏感度Sc=0.153。
   从以上分析可知,随滑面岩土体内聚力增加,碎石土滑坡的稳定性系数呈线性增加。
   
   5.4 碎石土滑坡坡度的敏感性分析
   首先,通过现场勘测,测得该滑坡总体基准地形坡度如图2所示,然后采用不平衡推力法计算出基准条件(雨后天晴)下该滑坡的稳定性系数为1.503。然后逐渐整体升降该滑坡的地形坡度进行地形坡度的敏感性分析。滑坡稳定性系数随滑坡体地形总体坡度变化率增减的变化情况如图6所示。由图6可知,滑坡稳定性系数随坡体地形坡度变化率的增减而呈向上凹的抛物线变化。当滑坡体地形坡度从基准状态(雨后天晴)下平均上升10%时,稳定性系数降低5.287%,根据式(2)可求得相应地形坡度的敏感度Sα=0.528 7。当滑坡体地形坡度从基准状态(雨后天晴)下平均降低10%时,稳定性系数升高7.269%,根据式(2)可求得相应地形坡度的敏感度Sα=0.726 9。
   综上分析可知,地形坡度下降对碎石土滑坡的稳定性系数的影响比地形坡度上升对滑坡的稳定性系数影响敏感;随滑坡体地形坡度上升,碎石土滑坡稳定性系数呈向上凹的抛物线型下降。
   
   5.5 碎石土滑坡滑体饱水面积比的敏感性分析
   首先,通过现场钻探测试和计算,获得该滑坡基准(雨后天晴)饱水面积比Sr(地下水位线以下的滑体面积与滑体总面积之比)为0.348 2,然后采用不平衡推力法计算出基准条件(雨后天晴)下该滑坡的稳定性系数为1.503。其次,计算不同滑体饱水面积比对应的滑坡稳定性系数,计算结果如图7所示。由图7可知,在滑体饱水面积比从无水状态到饱水状态的整个变化范围之内(0~1.0),稳定性系数呈近似线性变化。当滑体饱水面积比从基准(雨后天晴)状态的0.348 2增大10%时,稳定性系数K大致降低2.899%,根据式(2)可求得相应的滑体饱水面积比的敏感度S=0.289 9。
   由以上分析可知,在基准状态(雨后天晴)下,随滑体饱水面积比的增大,碎石土滑坡稳定性系数呈近似线性下降。
   
    5.6 碎石土滑坡岩土体弹性模量的敏感性分析在分析和计算官家碎石土滑坡体的弹性模量对稳定性系数的影响时,以表1所列滑坡岩土体的弹性模量为基准,采用弹塑性接触有限元强度折减法进行滑坡稳定性分析,得到稳定性系数为0.795。当滑坡岩土体弹性模量扩大9倍时,稳定性系数约减小0.528%,根据式(2)可求得相应滑坡岩土体弹性模量的敏感度Se=0.000 587。当滑坡岩土体弹性模量缩小9倍时,稳定性系数约降低8.43%,根据式(2)可求得相应滑坡岩土体弹性模量的敏感度Se=0.009 36。由此可知,滑坡岩土体的弹性模量
   变化对碎石土滑坡的稳定性不会产生显著的影响。
   5.7 碎石土滑坡岩土体泊松比的敏感性分析
   在分析和计算官家碎石土滑坡岩土体的泊松比对稳定性系数的影响时,以表1所列滑坡岩土体的泊松比为基准,采用弹塑性接触有限元强度折减法进行滑坡稳定性分析,得到稳定性系数为0.795。当滑坡岩土体的泊松比增加40%时,稳定性系数约上升0.629%,根据式(2)可求得相应滑坡岩土体泊松比的敏感度Sμ=0.015 7。当滑坡岩土体泊松比缩小20%时,稳定性系数几乎保持不变,根据式(2)可求得相应滑坡岩土体泊松比的敏感度接近于0。
   由此可知,滑坡岩土体的泊松比变化对碎石土滑坡的稳定性不会产生显著的影响。
   6 碎石土滑坡的治理对策
   综上所述,滑面岩土体的内摩擦角、地形坡度,比其它影响因素的变化对碎石土滑坡稳定性的影响敏感得多。但是,对于给定碎石土滑坡来说,由于滑面岩土体内摩擦角、地形坡度一般变化不大,所以滑体饱水面积比的变化是影响碎石土滑坡稳定性的最主要因素。因此,地形坡度大、具有低内摩擦角滑面的碎石土滑坡的整体稳定性较差,而连续降雨、强降雨会抬高地下水位、增大滑体饱水面积比,降低滑面带岩土体抗剪强度,增加下滑力,对具体碎石土滑坡的稳定性将产生最不利的影响。
   通过对浙江省上(虞)三(门)高速公路的1#~6#滑坡、金丽温高速公路滑坡、官家滑坡和东阳八达-柘州岭公路滑坡等碎石土滑坡的野外调查和稳定性分析,结合浙江省泰顺县2005年9月1日第13号台风“泰利”引发的滑坡等野外灾情勘察可知:
   (1)天然稳定的碎石土边坡的地形坡度一般小于30°,而发生滑动的碎石土边坡往往自然坡度较大。因此,正确削坡(降坡)卸载可降低下滑力,提高碎石土边坡的稳定性。
   (2)我国南方地区,雨水充沛,在长期的降雨作用下,碎石土边坡中一般都形成了管网状排泄系统。而且,滑动带岩土体在天然状态下一般都已处于很湿~饱水状态,由此可知降雨对碎石土滑坡的滑动带(面)岩土体的内摩擦角和内聚力一般不会产生显著影响。同时,由大量滑坡灾情勘察和资料分析可知,天然碎石土边坡中的地下水通常能够通过这些管网状排泄系统向坡外沟谷排泄。因此,天然状态下碎石土边坡的稳定性系数一般都较高,处于稳定状态,也有较高的安全储备;长时间一定强度的连续降雨或在一定持续时间的强降雨,是碎石土滑坡的主要触发因素。采用设置排水洞和水平排水孔治理碎石土滑坡往往都能取得较好的工程效果,如官家滑坡、上三高速公路的碎石土滑坡的治理。
   (3)由碎石土滑坡的抗滑桩数值模拟分析可知,设置抗滑桩后滑面的切向摩擦应力大小分布,与设桩前滑面的切向摩擦应力大小分布相比较,设桩后沿滑面的切向摩擦应力明显减小,即抗滑桩是通过显著提高滑面的等效内摩擦角,增大滑面的等效抗剪强度而起到抗滑作用的。
   通过影响官家碎石土滑坡稳定性因素的敏感性分析,结合官家滑坡剩余推力较大的特点,并考虑到削坡(降坡)卸载存在弃渣等实际困难,为提高滑坡的稳定性,采用了设置抗滑桩与排水洞和水平排水孔等相结合的治理措施。经过治理后,已收到了较好的工程效果,说明这种滑坡治理是有效、合理的。
   7  结语
   通过对滑坡体重度、地形坡度、滑面岩土体的内聚力和内摩擦角、滑体饱水面积比、滑坡岩土体的弹性模量和泊松比等影响碎石土滑坡稳定性的因素进行敏感性分析,得到以下一些主要研究结果:
   (1)按因素敏感度从大到小排列,主要影响碎石土滑坡稳定性的因素依次为滑面岩土体内摩擦角、地形坡度、滑体饱水面积比和滑面岩土体的内聚力。而滑坡体重度、滑坡岩土体的弹性模量和泊松比对碎石土滑坡稳定性影响不显著。
   (2)随滑面内摩擦角增加,碎石土滑坡的稳定性系数呈微向上凹的抛物线型增加。
   (3)地形坡度下降对碎石土滑坡体的稳定性系数的影响,比滑坡体地形坡度上升对滑坡的稳定性系数的影响敏感;随滑坡体地形坡度上升,碎石土滑坡的稳定性系数呈向上凹的抛物线型下降。
   (4)滑面岩土体的内摩擦角、地形坡度,比其它影响因素的变化对碎石土滑坡稳定性的影响敏感得多。但是,对于具体碎石土滑坡来说,滑体饱水面积比的变化是影响具体碎石土滑坡稳定性的最主要因素。地形坡度大、具有低内摩擦角滑面的碎石土滑坡的整体稳定性较差,而连续降雨、强降雨,对具体碎石土滑坡的稳定性将产生最不利的影响。
   在对碎石土滑坡进行加固处理时,必须优先考虑采取提高滑面等效内摩擦角、降低地形坡度,结合降低地下水位措施,其次可以考虑采取提高滑面岩土体内聚力的措施。该研究成果可为我国南方地区的碎石土滑坡治理提供科学的依据。
文章来自:滑模技术交流网
文章作者:信息部
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