基于深部位移监测数据定量分析的滑坡抗剪强度参数取值

汤罗圣，殷坤龙

(中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉，430074)

摘 要：

强度和残余强度为基础，以滑坡深部累计位移监测数据定量分析计算得到的滑带完整性指标为依据，对滑坡的抗剪强度参数进行选取。以三峡库区五尺坝滑坡为例，采用极限平衡法稳定性计算和地表位移监测数据对该抗剪强度参数选取方法结果进行检验。研究结果表明，采用此方法得到的五尺坝滑坡在所选计算工况条件下的抗剪强度参数为：滑带水上部分的内聚力c为27.99 kPa，内摩擦角=17.71°；滑带水下部分的内聚力c为20.69 kPa，内摩擦角=11.63°，经检验符合滑坡实际情况。

关键词：

深部位移监测；滑带完整性指标；抗剪强度选取；稳定性评价；五尺坝滑坡；

中图分类号：TU398             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)07-2965-06

Selecting shear strength parameters of landslides based on quantitative analysis to deep displacement monitoring data

TANG Luosheng, YIN Kunlong

(Engineering Faculty, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China)

Abstract: A method to select shear strength parameters was proposed according to the slip zone integrity index calculated through quantitative analysis of deep displacement monitoring data of landslides based on landslide peak strength and residual strength. Taking Wuchiba landslide in Three Gorges reservoir area for example, the result was inspected using limit equilibrium method and surface displacement monitoring data. The results show that the shear strength parameters of Wuchiba landslide in the chosen calculation conditions by the proposed method are as follows: the cohesion and internal friction angle of slip zone above water are 27.99 kPa and =17.71°, and those of slip zone under water are 20.69 kPa and =11.63°, which conforms to the actual situation.

Key words: deep displacement monitoring; slip zone integrity index; selection of shear strength; stability evaluation; Wuchiba landslide

目前滑坡抗剪强度参数的选取方法很多，其研究方法主要有室内试验、原位试验、反分析、统计分析4种。例如韩爱果等^[1-4]采用蠕变试验对滑坡滑带土长期强度的确定方法进行了研究，同时探讨了滑带土含水量、粒度成分、密度、矿物成分、化学成分等因素对长期强度的影响。王瑞红等^[5]通过循环加卸载试验，对处于残余强度状态岩样在不同围压、不同卸荷量条件下残余强度的变化规律进行了研究。吴迪等^[6]通过对残积土残余和峰值强度的环剪试验测定和对试验数据的整理与对比分析，得到了含水率与残余强度指标之间的关系，并探讨了剪切速率对抗剪强度的影响。张玉成等^[7]通过8个现场水平推剪试验对渐进式滑坡抗剪强度与含水量的关系进行了研究。罗丽娟等^[8]对某巨型黄土滑坡剪出口3个不同位置的土样进行了天然状态和饱水状态2种工况下的残余剪切原位试验，并获得相应的残余抗剪强度指标。程嫒彩等^[9]运用最小二乘法理论，采用多个剖面和不同滑动段2种方法对滑坡抗剪强度参数进行了反分析。卢坤林等^[10]在确定滑坡的安全系数与三维滑面的几何尺寸的基础上，通过对滑面正应力进行合理假定与修正，建立了确定滑带土抗剪强度参数的三维反分析模型。程圣国等^[11]按岩土体特性把三峡库区分为坝址—庙河等3个区域，以3个区域统计规律得到的滑带土抗剪强度参数分布概率为先验分布，利用Bayes估计推断该区域新生型滑坡滑带土抗剪强度参数。李远耀等^[12]采用地质分析和工程地质类比法将三峡库区划分为5类易滑地层，并运用统计分析方法对这5类易滑地层中滑坡滑带土的内聚力和内摩擦角的分布规律进行了研究。以上研究虽然取得了一些成果，但是均没有从滑坡滑带破坏程度的角度对抗剪强度参数选取进行研究，也没有考虑滑带土抗剪强度随时间的变化规律。滑坡深部位移观测由于能较准确地确定滑动面的位置而在滑坡专业监测中应用越来越广泛，但应用其监测数据进行抗剪强度选取方面的研究还较少。为此，本文作者提出了以滑坡峰值强度和残余强度为基础，以滑坡深部累计位移监测数据定量分析计算得到的滑带完整性指标为依据，对滑坡的抗剪强度参数进行选取。以三峡库区五尺坝滑坡为例，采用极限平衡法稳定性计算和地表位移监测数据对该抗剪强度参数选取方法结果进行检验。

1  滑坡抗剪强度方法选取

1.1  滑带完整性指标

1.1.1  滑坡累计变形–深度曲线定义

倾斜孔从孔底到孔口依次记为 0，1，…，n个测点(测点间距一般0.5 m)，对于测点i，其在t时刻的累计变形是指该测点在t时刻相对于孔底不动点0的水平距离，用表示。

滑坡在t时刻的累计变形沿深度的分布曲线即累计变形–深度曲线，即-H曲线，在-H曲线图中， A⁺常表示顺坡方向，A^-常表示逆坡向，B⁺常表示顺河流向，B^-常表示逆河流向，当没有标明“+”，“－”时，则一般默认为“+”^[13]。本文这里只研究顺坡方向A⁺的变形特性。

1.1.2  滑坡累计变形–深度曲线概化

堆积层滑坡在t时刻的累计变形–深度曲线如图1所示，其可以概化为3 段折线，如图 1(b)所示，横坐标W表示累计变形，纵坐标H表示滑坡地表(钻孔孔口)以下的深度，向下为正，概化曲线的具体含义见文献[14]。

1.1.3  滑带完整性指标定义及计算方法

由前人研究成果可知，滑坡的破坏是以滑带的破坏为主要标志，在开挖与加固同时的滑坡施工过程中，存在顺层缓倾角滑带的滑坡破坏过程可能很长，而且，在滑带破坏过程中，滑带变形逐渐增加，而滑带以上滑坡体的变形 逐渐减少。为了按此规律找到一个衡量滑带破坏程度的定量指标，定义滑坡滑带完整性指标为^[13]：

             (1)

式中：为滑带上盘以上至孔口的累计变形，为滑带上盘与滑带下盘累计位移差。

图1  滑坡孔口累计位移-深度概化曲线

Fig.1  Landslide orifice accumulative displacement-depth generalized curve

当滑带下盘滑动变形尚未产生，即=0时，则有=1，此时视滑带完整，滑动尚未开始；当滑带上盘达到破坏，即 =0时，=0，此时视滑带和滑坡达到破坏，故的变化区间为[1，0]。

1.2  滑坡抗剪强度方法选取

滑坡滑带土的抗剪强度参数从峰值强度折减为残余强度的过程是滑带从完整到完全破坏的过程，滑带土抗剪强度参数从峰值强度折减为残余强度的过程中可视为随滑带破坏程度(滑带完整性指标)变化的函数。本文根据经验及国内外相关研究成果，提出滑带土抗剪强度参数从峰值强度折减为残余强度的过程与滑带完整性指标成正比例关系。设t时刻滑坡滑带土的完整性指标为，其抗剪强度参数为和；滑带完整未破坏时的完整性指标为，其抗剪强度参数为和；滑带完全破坏时的完整性指标为，其抗剪强度参数为和。则根据上述抗剪强度参数与滑带完整性指标的关系有：

         (2)

    (3)

滑带完整未破坏时的完整性指标=1，滑带完全破坏时的完整性指标为=0，将其带入式(1)和(2)中，可得：

              (4)

       (5)

式中：和分别为t时刻滑坡滑带土的内聚力和内摩擦角；c_f和c_r分别为滑坡滑带土的峰值内聚力和残余内聚力；和分别为滑坡滑带土的峰值内摩擦角和残余内摩擦角；为t时刻滑坡滑带土的完整性指标。当滑带土处于饱和状态时，c_f，c_r，和为饱和峰值抗剪强度和饱和残余抗剪强度；当滑带土处于天然状态时，c_f，c_r，和为天然峰值抗剪强度和天然残余抗剪强度。

2  滑坡实例分析

2.1  五尺坝滑坡简介

五尺坝滑坡位于重庆市万州五桥区燕山乡大包村3组长江右岸。

滑坡体前临长江，前缘高程120 m，后缘高程255 m，滑体长360 m，宽约1 500 m，坡度约20°，厚5~25 m，平均厚15 m，滑坡总面积54万m²，总体积810万m³(图2)。

图2  五尺坝滑坡平面图

Fig.2  Wuchiba landslide plan

滑体物质结构松散，由第四系崩积、滑坡堆积成因的粉质黏土夹碎块石组成，碎块石岩性为砂岩、泥岩，常见粒径10~50 cm；粉质黏土呈黄褐色，结构松散~稍密，可塑~硬塑。

滑面为松散堆积物与下伏基岩接触面，滑面粗糙，长400 m，宽1 500 m，倾向305°，倾角10°~25°，较为平直。滑带物质组成以黏土为主，含少量砂岩、泥岩碎屑，遇水易软化。

滑床为侏罗系下统新田沟组(J₂x)砂岩、泥岩互层，岩层产状300°∠15°。

2.2  滑坡抗剪强度选取

该滑坡共布设了3个钻孔测斜仪，其中2个位于Ⅰ-Ⅰ′剖面，编号为QZK1和QZK2，1个位于Ⅳ-Ⅳ′剖面，编号为QZK3，具体见图2。根据3个测斜孔的监测数据，QZK3和QZK2监测曲线不具备典型概化曲线特征，而QZK1监测曲线滑带处变形突变明显且具有典型概化曲线特征，因此，本文选取QZK1的监测曲线进行分析。为了研究滑坡稳定性现状，需要采取滑坡最新监测数据进行分析，这里采用2009-11-01的数据进行分析，其监测曲线如图4所示。

图3  五尺坝滑坡剖面图

Fig.3  Wuchiba landslide profile

图4  QZK1位移-深度曲线

Fig.4  Displacement-depth curve of QZK1

由图4可知，该滑坡上滑动面的深度为10 m，下滑动面的深度为10.5 m，滑带的厚度约0.5 m。根据图1可知：=1.90 mm，=3.67 mm，则运用式(1)可得该滑坡滑带完整性指标S_i=34.10%。

根据工程地质类比、结合相关研究成果^{[12, 15]}，该滑坡抗剪强度参数初始值见表1。

将计算得到的S_i和表1中的数据代入式(4)~(5)，可得该滑坡抗剪强度参数如表2所示。

表1  滑坡抗剪强度参数初始值

Table 1  Initial values of landslide shear strength parameters

表2  滑坡抗剪强度参数选取值

Table 2  Selected values of landslide shear strength parameters

2.3  滑坡稳定性计算

由于前面选取的监测数据时间为2009-11-01，所以选取的计算工况为该时间滑坡实际所处工况，根据三峡水库水位调度情况可知：此时该滑坡的工况为坝前171 m+自重。采用Geostudio软件中的seep/w模块对该滑坡在选取计算工况下的渗流场进行模拟，其结果如图5所示。

图5  滑坡渗流场模拟结果

Fig.5  Landslide seepage field simulation results

将上述渗流场模拟结果导入到Geostudio软件中的slope/w模块中，其条块划分如图6所示。采用表2中的抗剪强度参数对该滑坡材料参数进行设置，最后得到该滑坡的稳定性系数如表3所示。

图6  滑坡稳定性计算条块划分

Fig.6  Landslide slope stability calculation division

表3  滑坡稳定性计算结果

Table 3  Landslide stability calculation results

由表3可知，4种计算方法得到的稳定性系数均为1.05左右，说明该滑坡在此工况下处于稳定状态。

2.4  滑坡稳定性检验

该滑坡布设大地形变GPS监测地表位移监测点8个；GPS监测基准点2个；4条纵监测剖面(见图2)。该滑坡从2007-04开始监测，其8个监测点的累计位移-时间曲线如图7所示。

由图7可知，在2008-11前，滑坡变形比较缓慢，比较符合滑坡初始变形阶段特征，而2008-11—2009-11，滑坡变形速率加快，地表累计位移-时间曲线接近于一条直线，说明滑坡处于等速变形阶段，而未进入加速变形阶段，所以该滑坡目前处于较稳定状态，与滑坡稳定性计算结果基本一致。

图7  滑坡地表累计位移-时间曲线

Fig.7  Landslide surface cumulative displacement-time curves

3  结论

(1) 2009-11-01该滑坡滑带完整性指标为34.10%，该滑坡滑带水上部分的内聚力c为27.99 kPa，内摩擦角为17.71°；滑带水下部分的内聚力c为20.69 kPa，内摩擦角为11.63°。

(2) 在选取计算工况条件下，4种计算方法得到滑坡稳定性系数均为1.05左右，说明此时滑坡处于稳定状态。

(3) 由滑坡地表位移监测结果可知，该滑坡目前变形较缓慢，说明该滑坡此时处于稳定状态。

(4) 滑坡稳定值计算结果与滑坡地表位移监测数据分析结果基本一致，说明文中方法选取的抗剪强度参数具有一定的适用性。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2012-05-10；修回日期：2012-08-26

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41002103，41101515)；中央高校优秀青年教师基金资助项目(2012049018)；中国地质调查局项目(121201122017)

通信作者：殷坤龙(1963-)，男，安徽当涂人，博士，教授，从事滑坡机理及预测预报研究；电话：027-67883900；E-mail: yinkl@126.com

摘要：提出以滑坡峰值强度和残余强度为基础，以滑坡深部累计位移监测数据定量分析计算得到的滑带完整性指标为依据，对滑坡的抗剪强度参数进行选取。以三峡库区五尺坝滑坡为例，采用极限平衡法稳定性计算和地表位移监测数据对该抗剪强度参数选取方法结果进行检验。研究结果表明，采用此方法得到的五尺坝滑坡在所选计算工况条件下的抗剪强度参数为：滑带水上部分的内聚力c为27.99 kPa，内摩擦角=17.71°；滑带水下部分的内聚力c为20.69 kPa，内摩擦角=11.63°，经检验符合滑坡实际情况。