滑坡失穩(wěn)的斷裂機制研究

王學(xué)軍 鄒啟紅

(重慶607勘察實業(yè)總公司，中國 重慶 400056)

滑坡是指斜坡或邊坡表面巖土體沿著某一破壞面向前發(fā)生位移的地質(zhì)地貌現(xiàn)象及動力學(xué)過程，工程上稱為不良地質(zhì)現(xiàn)象，它是一種全球泛生型重大地質(zhì)災(zāi)害，據(jù)國土資源部發(fā)布的全國地質(zhì)災(zāi)害通報表明，近十年來我國每年產(chǎn)生滑坡災(zāi)害平均10000次以上，況且滑坡發(fā)生時往往帶來慘重的損失，輕則阻斷交通，重則掩埋房屋造成大量的人員傷亡，如2014年6月30日上午9時許，云南省福貢縣臘吐底村俄瑪?shù)啄颈灸岚l(fā)生重大山體滑坡災(zāi)害，造成15人失蹤、3人受傷，交通中斷，經(jīng)濟損失巨大；2013年1月11日云南省昭通市鎮(zhèn)雄縣果珠鄉(xiāng)高坡村發(fā)生山體滑坡，近10余戶村民住房被掩埋，遇難人數(shù)達(dá)20人。因此，進行滑坡失穩(wěn)機制研究不僅有其科學(xué)價值，更有實際工程價值，尤其在當(dāng)今構(gòu)建和諧社會的大環(huán)境下，關(guān)注人民生命財產(chǎn)安全顯得尤為重要。

針對滑坡失穩(wěn)方面的課題，國內(nèi)外公開發(fā)表的成果較多，有的也寫進了相關(guān)規(guī)范中，如對于地方性的規(guī)范準(zhǔn)則，重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)《地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》[1]中給出了滑坡穩(wěn)定性系數(shù)計算方法，并提出了一些常用的防治工程手段；對于暫時還沒寫進規(guī)范的研究成果也具有潛在實用價值，如周福川、王小委從斷裂力學(xué)角度推導(dǎo)了土質(zhì)滑坡錨桿受拉位移解析表達(dá)式，并對某實際工程案例做了計算分析，理論計算結(jié)果與實測值相近，顯示了理論計算公式的實用性[2]；朗惠芳、代彤認(rèn)為巖質(zhì)滑坡失穩(wěn)往往是節(jié)理裂隙發(fā)育所致，滑動面巖橋在沒有達(dá)到巖石抗剪屈服強度的條件下就已經(jīng)屈服，從而導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)[3]；趙隊家等以平面旋轉(zhuǎn)滑坡為研究對象，認(rèn)為該類滑坡形成模式包括：下部壓密變形—中部牽引蠕動—后緣引張拉裂等過程[4]；程謙恭、胡厚田將側(cè)翼鎖固平面旋轉(zhuǎn)滑坡變形模式概化為橫向均布荷載與軸向受壓組合變形的懸臂梁模型，從能量角度導(dǎo)出了滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的解析表達(dá)式，從而定量驗證了平面旋轉(zhuǎn)滑坡的動力學(xué)機理及穩(wěn)定性判據(jù)；吳永等關(guān)注暴雨這一誘發(fā)滑坡的最重要因素，通過算例分析發(fā)現(xiàn)震后受損巖坡的裂縫存在一個可在裂隙水作用下自行擴展、貫通軟弱夾層的臨界深度，同時也存在一個決定滑坡體穩(wěn)定與否的軟弱夾層滲水區(qū)域極限長度；王寶亮等認(rèn)為滑坡發(fā)育機制的核心是滑動帶在壓剪荷載作用下的斷裂擴展，同時采用極限平衡理論和斷裂力學(xué)理論建立了滑坡破壞機制的力學(xué)分析方法，分析方法運用于三峽庫區(qū)故陵滑坡中，效果良好。

本文擬在前人研究成果的基礎(chǔ)上，深入開展滑坡失穩(wěn)的斷裂機制研究，以期滑坡穩(wěn)定性分析能更進一步定量化，從而推動減災(zāi)學(xué)科的發(fā)展。

1 滑坡失穩(wěn)機制初探

不同的野外地質(zhì)環(huán)境造就了不同形態(tài)的滑坡，進行滑坡失穩(wěn)研究首先就是要進行滑坡野外識別工作，從而形成了不同的滑坡分類標(biāo)準(zhǔn)，如按滑坡體積分類、滑坡厚度分類和滑坡體物質(zhì)組成分類等。不管何種分類形式，一個典型滑坡往往具有標(biāo)志性的滑動面，有些滑坡雖然看不出明顯的滑動面，但根據(jù)開裂裂縫也能判斷出滑動面位置。為分析方便，建立如圖1所示滑坡分析模型，各部分名稱此處不做敘述。

借鑒土力學(xué)中關(guān)于土體作圓弧滑動方面的知識，我們將滑坡失穩(wěn)原因歸結(jié)為下滑力矩大于阻滑力矩，從而形成力矩形式下的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)表達(dá)式，如公式（1），這也是各種規(guī)范中給出的處理思路。

式中，MR為滑坡體沿滑動面的下滑力矩 （kN·m）；Ms為由滑動面的內(nèi)聚力和摩擦力形成的阻滑力矩（kN·m）。

當(dāng)由式（1）計算得到的 Fs＞1 時，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng) Fs＜1 時，滑坡處于非穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)Fs=1時，滑坡處于極限平衡狀態(tài)。當(dāng)然，這是在未考慮安全儲備的情況下給出的判定方式，在需要考慮安全儲備的情況下又另當(dāng)別論。

雖然上述處理方法是經(jīng)典的，也是規(guī)范推薦的，但是很多時候計算的結(jié)果并不十分讓人滿意，當(dāng)然很大一部分原因源自實際工程的復(fù)雜性，畢竟現(xiàn)有理論研究的問題都趨于理想化，但是還有一部分原因來自于我們并沒有完全掌握滑坡發(fā)生滑動的實質(zhì)，即斷裂的問題?；掳l(fā)生滑動本質(zhì)上還是滑動面上未貫通部分發(fā)生斷裂、擴展，并最終導(dǎo)致整個滑動面的貫通，這顯然是一個典型的斷裂力學(xué)問題，針對滑坡分析模型，從中提煉相應(yīng)的斷裂分析模型，對于滑坡失穩(wěn)機制的研究無疑是積極的。

2 滑坡失穩(wěn)的斷裂力學(xué)分析

我們認(rèn)為未發(fā)生滑動的滑坡體滑動面上存在所謂的貫通段和未貫通段，表現(xiàn)在圖1上即為圖2所示。

圖2 含貫通段和非貫通段的典型滑坡斷面圖

從力學(xué)角度來看，此類典型滑坡滑動面土體單元皆處于壓（拉）剪應(yīng)力狀態(tài)，因此可以采用同一斷裂模型代替分析。我們在滑坡滑動面上包含貫通段一定范圍取單元，建立斷裂分析模型，如圖3所示，（a）類模型是在滑坡頂部滑動面取單元構(gòu)建的，（b）類模型是在滑坡中部滑動面取單元構(gòu)建的，下面分別針對這兩類斷裂模型進行求解。

圖3 滑坡滑面處斷裂分析模型

（1）滑坡頂部滑面處斷裂分析模型裂紋尖端應(yīng)力強度因子求解滑坡頂部滑面處斷裂分析模型中的裂紋顯然屬于邊裂紋的情形，考慮到實際工程中，裂紋的長度相對于滑坡的寬度可以忽略不計這一事實，我們將斷裂模型的邊界視為無限邊界，查閱《應(yīng)力強度因子手冊》，此模型可按下圖方式進行等效。

圖4 滑坡頂部滑面處斷裂分析模型等效處理

等號右邊第一個模型中的σ和τ分別按（3）、（4）式變化

等號右邊第二個模型中的σ和τ則分別按（5）、（6）式變化

針對等號右邊第一個模型，查閱《應(yīng)力強度因子手冊》有

針對等號右邊第二個模型，查閱《應(yīng)力強度因子手冊》有

因此滑坡頂部滑面處斷裂分析模型裂紋尖端應(yīng)力強度因子計算公式如下：

至此，滑坡頂部滑面處斷裂分析模型裂紋尖端Ⅰ型、Ⅱ型應(yīng)力強度因子皆求解完畢。

（2）滑坡中部滑面處斷裂分析模型裂紋尖端應(yīng)力強度因子求解

滑坡中部滑面處斷裂分析模型中的裂紋可視為無限邊界板所含的中心裂紋，針對此斷裂模型，《應(yīng)力強度因子手冊》中載有現(xiàn)成的計算方法，如以下兩式。

至此，滑坡中部滑面處斷裂分析模型裂紋尖端Ⅰ型、Ⅱ型應(yīng)力強度因子也求解完畢。

（3）相當(dāng)應(yīng)力強度因子求解

按復(fù)合型斷裂問題相關(guān)理論，決定復(fù)合型裂紋是否擴展的參考量是裂紋尖端相當(dāng)應(yīng)力強度因子，它的計算可按式（15）。

式中，KⅠ、KⅡ分別為上面求得的Ⅰ型、Ⅱ型應(yīng)力強度因子；θ0為裂紋擴展的斷裂角（°），計算方法可參考相關(guān)書籍，此處不作贅述。

按（11）～（14）式可計算兩類模型裂紋尖端Ⅰ型、Ⅱ型應(yīng)力強度因子，結(jié)合式（15），可進一步求得對應(yīng)的相當(dāng)應(yīng)力強度因子，在獲取滑面處巖土體的斷裂韌性之后可做斷裂穩(wěn)定性判斷，以此揭示滑坡失穩(wěn)的斷裂機制。

3 結(jié)語

本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，深入分析了滑坡失穩(wěn)的斷裂機制，但其中也存在幾點缺陷，總結(jié)如下：

（1）由于滑坡滑面處于巖土體內(nèi)部，我們無法預(yù)知滑面處的貫通段和未貫通段的具體位置，這給理論分析帶來了極大的障礙，當(dāng)然現(xiàn)在有許多探傷設(shè)備，但造價都不低，精確度也有待提高，所以這個問題亟待解決。

（2）在進行斷裂穩(wěn)定性判斷的時候需要提前知道滑面處巖土體的斷裂韌性，這一點在實際工程中是較難得到的參數(shù)，況且在取巖土樣本的時候帶來的擾動有時影響很大。

（3）查閱《應(yīng)力強度因子手冊》得到的計算公式部分帶有近似性。

［1］DB50/5029-2004重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)：地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范[S].重慶,2004.

［2］周福川,王小委.滑坡治理中的土質(zhì)錨桿位移研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14(15)：295-299.

［3］朗惠芳,代彤.基于裂紋線場分析法的滑坡失穩(wěn)機理分析[J].山西建筑,2009,35(17)：105-106.

［4］趙隊家,毛新虎,胡夏嵩.某滑坡的變形模式與形成機制研究[J].青海大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2003,21(6)：29-33.