類土質(zhì)滑坡穩(wěn)定性影響因素及其相互作用規(guī)律研究

左昌群，徐 穎，丁少林，唐 霞

（1.中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，武漢430074；2.天津大學(xué) 建工學(xué)院，天津300072）

目前，類土質(zhì)邊坡仍是一個較新的概念，國外尚無此概念，在國內(nèi)也只有少部分學(xué)者進(jìn)行了初步的研究，楊明［1］首次從研究花崗巖殘積土邊坡中提出類土質(zhì)的概念，其特性主要表現(xiàn)其邊坡的構(gòu)成介質(zhì)是經(jīng)原巖風(fēng)化后留在原地形成的殘積物；趙曉彥［2］認(rèn)為類土質(zhì)邊坡是由巖體風(fēng)化而成，且具有原巖的結(jié)構(gòu)面等特征，同時未經(jīng)二次堆積，且穩(wěn)定特性明顯區(qū)別于均質(zhì)土邊坡及巖質(zhì)邊坡的一類邊坡；唐亮［3］對類土質(zhì)邊坡的概念進(jìn)行了進(jìn)一步的完善，提出了類土質(zhì)邊坡也存在于沉積巖類風(fēng)化層組成的邊坡中。同時，也有許多學(xué)者對類土質(zhì)邊坡的性質(zhì)進(jìn)行研究，如張顯坤［4］基于工程實例說明了傳遞系數(shù)法對類土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析不適用；楊海平［5］采用改進(jìn)的傳遞系數(shù)法對滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；王浩［6］對類土質(zhì)路塹高邊坡的典型失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行數(shù)值模擬研究，系統(tǒng)歸納總結(jié)其變形失穩(wěn)機(jī)制；陶宏亮［7］、萬全［8］、陳天健［9］等分別探討了庫水位變化及降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響；尤琳［10］、李明輝［11］等對復(fù)活型滑坡滑動機(jī)制進(jìn)行了分析評價。但上述研究均未涉及類土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性影響因素的敏感性分析，在此方面仍需進(jìn)一步研究。

另外，許多學(xué)者對滑坡的敏感性分析也做了較多研究，如陳高峰等［12］基于均勻設(shè)計試驗，研究了邊坡穩(wěn)定性的敏感因素；田東方等［13］采用正交試驗法，對滑坡穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行了顯著性檢驗；沈夢芬等［14］對膨脹土的水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性的敏感性分析，得出長時間的弱降雨對膨脹土邊坡的穩(wěn)定性有較大影響；張萬濤［15］、葛華［16］等也對滑坡穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行敏感性分析，再次驗證了正交試驗在滑坡穩(wěn)定性的敏感性分析中的有效性；在上述分析中，均未涉及對類土質(zhì)滑坡的研究，且并未對主要敏感性因素之間相互影響機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。因此，本文對類土質(zhì)滑坡穩(wěn)定性影響因素的敏感性及其相互作用機(jī)理進(jìn)行綜合分析，以期掌握類土質(zhì)滑坡穩(wěn)定性影響因素的特點(diǎn)。

1 工程概況

永泰旗山滑坡丘頂平臺標(biāo)高227.0m，坡腳階狀住宅小區(qū)標(biāo)高81.5～92.5m，相對高差145.5m，原始山體呈凸形，總體呈上緩下陡狀，坡度20°～35°。滑坡處巖土體主要為素填土、殘坡積黏性土、全風(fēng)化凝灰?guī)r、散體狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化片巖及中風(fēng)化凝灰?guī)r。另外，根據(jù)勘察資料可知，滑體及其周邊出露的地層主要有侏羅系南園組及第四系更新統(tǒng)；同時，滑坡區(qū)范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大斷裂構(gòu)造通過，但滑坡區(qū)附近分布有局部區(qū)域構(gòu)造。

2 滑坡穩(wěn)定性因素的敏感性分析

2.1 評價指標(biāo)及水平的選取

滑坡是地質(zhì)體在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的滑移變形破壞，其評價指標(biāo)為其穩(wěn)定性系數(shù)Fs。同時，根據(jù)滑坡穩(wěn)定性的影響因素確定降雨強(qiáng)度、滑帶土的抗剪指標(biāo)、滑帶土的重度和地表土的重度為影響因素的計算指標(biāo)。

根據(jù)相關(guān)資料，滑帶土內(nèi)粘聚力的范圍為20～26.1kPa，內(nèi)摩擦角的范圍為23.5°～26.6°，滑帶土重度取值范圍為16.5～25kN／m3，地表土的重度范圍為18.2～25.7kN／m3。對于降雨強(qiáng)度的水平劃分則采用控制總降雨量的方法進(jìn)行確定。根據(jù)相關(guān)資料將總降雨量定為200mm，并依據(jù)降雨強(qiáng)度確定相應(yīng)的降雨時間。根據(jù)上述各因素的取值范圍，將各因素的水平定為5級水平，各因素水平劃分見表1。

表1 各因素水平劃分

首先采用seep／w模塊模擬不同降雨水平對滑坡滲流影響，求得各降雨強(qiáng)度對應(yīng)不同時步的孔隙水壓力，再采用slope／w模塊及Mogenstern－Price法對滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，得出各試驗工況條件下的評價指標(biāo)，即滑坡穩(wěn)定性系數(shù)。

在模型的建立過程中，根據(jù)前期勘察資料，選取滑坡主剖面，建立永泰滑坡的力學(xué)模型，其下邊界為豎向約束邊界，左右邊界為水平約束邊界，地表部分為降雨邊界。

2.2 正交試驗方案設(shè)計與結(jié)果分析

（1）正交試驗方案與計算結(jié)果。選取L25（56）正交表安排上述各因素正交的試驗方案，并利用Geo－Studio軟件對試驗方案進(jìn)行模擬，其計算結(jié)果詳見表2。

（2）極差分析。根據(jù)上述試驗結(jié)果，首先采用極差分析法對結(jié)果進(jìn)行分析，極差分析結(jié)果見表3。滑帶土內(nèi)摩擦角對滑坡穩(wěn)定性的極差值最大，且明顯大于其他影響因子；其次，降雨強(qiáng)度、滑帶土的粘聚力和地表土的重度，三者對滑坡穩(wěn)定性的極差值相當(dāng)，影響效果接近；最后，是滑帶土重度的極差值最小。同時，根據(jù)計算得出最不利水平組合，求解出滑坡在最不利組合下，穩(wěn)定性系數(shù)為0.901。

（3）方差分析。依據(jù)方差分析的原理，對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，其F檢驗臨界值見表4。根據(jù)前述方差分析方法，得出構(gòu)造統(tǒng)計量，并將其與F檢驗臨界值進(jìn)行對比，得出各影響因素對滑坡穩(wěn)定性的顯著性程度并對其分級，方差分析結(jié)果詳見表5。

降雨強(qiáng)度、滑帶土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和地表土土體容重的F值均大于顯著性水平為0.01的臨界值，所以上述4個影響因素對滑坡穩(wěn)定性是高度顯著性影響；滑帶土容重的偏差平方和小于隨機(jī)誤差的偏差平方和，所以將滑帶土的偏差平方和并入隨機(jī)誤差，不需要再對滑帶土容重進(jìn)行檢驗，滑帶土容重對滑坡的穩(wěn)定性無顯著性影響。

同時，根據(jù)方差分析表對F值進(jìn)行大小排序，同樣得出滑帶土內(nèi)摩擦角的F值最大，且明顯大于其他因素，其余排序也與采用極差方法對各因素的敏感性排序一致。因此說明極差分析與方差分析的結(jié)果具有一致性，可信度高。

表2 正交試驗計算結(jié)果

表3 評價指標(biāo)極差分析

表4 F檢驗的臨界值Fα（f1，f2）

2.3 考慮交互作用的顯著性分析

另外，為了進(jìn)一步了解各影響因素的綜合作用對類土質(zhì)滑坡穩(wěn)定性的影響，再選取降雨強(qiáng)度、降雨歷時和滑帶土內(nèi)摩擦角做交互作用分析。

根據(jù)交互作用試驗的基本思想，采用L8（27）安排各試驗，表頭設(shè)計詳見表6。滑帶土內(nèi)摩擦角的水平為24.5°，25.2°，降雨強(qiáng)度的水平為80，40mm／d，降雨歷時的水平為3，5d。

對表6中的交互作用結(jié)果進(jìn)行方差分析（表7），對滑坡穩(wěn)定性影響最大的是滑帶土的內(nèi)摩擦角，其次是降雨歷時、內(nèi)摩擦角和降雨歷時的交互作用、降雨強(qiáng)度、降雨強(qiáng)度和降雨歷時的交互作用，最后是內(nèi)摩擦角和降雨強(qiáng)度的交互作用。

表5 方差分析

表6 交互作用計算結(jié)果

表7 交互作用方差分析

綜上所述，滑坡不僅受若干單一因素的作用，還受它們之間交互作用的影響。在實際的工程防治中，要綜合考慮各因素及其交互作用，提高滑坡防治的治理效果。

3 影響因素的作用規(guī)律研究

通過上述對滑坡穩(wěn)定性影響因素的敏感性檢驗可知，降雨及滑坡土體的抗剪強(qiáng)度對滑坡的穩(wěn)定性影響較大，但其相互作用規(guī)律仍需進(jìn)一步研究，因此希望通過試驗來進(jìn)一步研究降雨與類土質(zhì)滑坡土體抗剪強(qiáng)度之間的交互作用規(guī)律。根據(jù)勘察資料可知，滑坡所處地區(qū)主要以凝灰?guī)r殘積土、鉀長花崗巖殘積土和花崗閃長巖殘積土為主。因此，本文試驗選取上述3種土體為試驗對象，并采用FDJ－20型四聯(lián)式非飽和土直剪儀對3種類土質(zhì)土樣進(jìn)行直剪試驗；并且考慮到降雨對滑坡土體抗剪強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)為降雨改變滑坡土體的含水量，所以本試驗主要研究含水量對不同類土質(zhì)土體抗剪強(qiáng)度的影響。

3.1 試驗說明

本次試驗每組試樣分別設(shè)計50，100，150，200 kPa四種不同的基質(zhì)吸力狀態(tài)，每種基質(zhì)吸力狀態(tài)下的剪切試驗分別取100，200，300kPa三種不同的垂直壓力狀態(tài)進(jìn)行。同時，本次試驗固結(jié)穩(wěn)定指標(biāo)為每小時垂直位移變化量不超過0.005mm，固結(jié)過程可通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集；另外，剪切階段，在保持垂直壓力和基質(zhì)吸力不變的狀態(tài)下，將水平剪切速率控制在0.148 0mm／min，開啟剪切位移采集程序，本次剪切試驗終止指標(biāo)為兩個條件：（1）若剪切位移在8mm范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值，則峰值后2mm內(nèi)可停止試驗；（2）若8mm內(nèi)未出現(xiàn)峰值，則剪切位移8mm處即停止試驗，最大剪切力對應(yīng)8mm處剪切力，試驗后對土樣進(jìn)行開樣記錄。

3.2 試驗結(jié)果分析

通過試驗，得到相關(guān)結(jié)果，并根據(jù)經(jīng)典莫爾－庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則擬合得出每種類土質(zhì)試樣含水量與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線，見圖1，2。

（1）含水量對土體粘聚力的影響。含水量和粘聚力之間的回歸方程如下：

凝灰?guī)r殘積土粘聚力隨土樣含水量變化分析的回歸方程（擬合度0.94）：

鉀長花崗斑巖殘積土粘聚力隨土樣含水量變化分析的回歸方程（擬合度0.99）：

花崗閃長巖殘積土粘聚力隨土樣含水量變化分析的回歸方程（擬合度0.9）：

圖1 各類類土質(zhì)土樣粘聚力隨質(zhì)量含水量變化曲線

圖2 各類類土質(zhì)土樣內(nèi)摩擦角隨質(zhì)量含水量變化曲線

由圖1可知，3種殘積土粘聚力隨含水量的變化趨勢具有相似性，呈拋物線型，大致可分為兩個階段：① 土體的粘聚力隨含水量的增加而增加；② 當(dāng)含水量增加到某一程度時，土體的粘聚力隨含水量的增加而減小。分析其主要原因是：從土體的微觀角度分析可知，上述類土質(zhì)土體含有黏土礦物，且黏土礦物主要為片狀構(gòu)造，其比表面積較大，具有很強(qiáng)的結(jié)合水吸附能力。當(dāng)土體含水量較少時，土顆粒之間主要是以膠結(jié)作用連接，結(jié)合水作用較小。隨著含水量的增加，使得土顆粒之間的膠結(jié)作用減小，而結(jié)合水不斷增加，促使顆粒之間的相互作用力由膠結(jié)作用變?yōu)榻Y(jié)合水作用，且結(jié)合水增加的作用力大于膠結(jié)作用減小的作用力，進(jìn)而使得粘聚力增加。但隨著含水量的進(jìn)一步增加，使得土體結(jié)合水膜進(jìn)一步增厚，反而降低了結(jié)合水的連接能力，土顆粒之間趨于游離狀態(tài)，降低了土顆粒之間的相互作用，進(jìn)而使得粘聚力出現(xiàn)下降。

但3種類土質(zhì)的最優(yōu)含水量不一致，凝灰?guī)r殘積土的最優(yōu)含水量為24.82%，鉀長花崗斑巖殘積土的最優(yōu)含水量為14.75%，花崗閃長巖殘積土的最優(yōu)含水量是29.4%，其原因主要是：3類殘積土的礦物成分及微結(jié)構(gòu)不一致。通過對3種土樣的礦物成分分析可知，3種類土質(zhì)黏土礦物總含量相近，但成分不同，花崗閃長巖殘積土的黏土礦物成分主要為高嶺石；凝灰?guī)r殘積土的黏土礦物主要為伊利石；鉀長花崗斑巖殘積土的黏土礦物成分主要為蒙脫石。蒙脫石的晶體是由很多相互平行的晶層構(gòu)成，相鄰兩晶層間以負(fù)電荷的氧原子層相對，同性相斥，連結(jié)力極弱，有較強(qiáng)的活動性，進(jìn)而晶層間可吸收不定量的水分子，而高嶺石晶層間不對稱相接，水分子不易進(jìn)入晶層，伊利石則處于蒙脫石與高嶺石之間，進(jìn)而3類黏土礦物的親水性排列順序為：高嶺石＜伊利石＜蒙脫石。從該角度上可看出含蒙脫石較多的土體，吸水能力更強(qiáng)，水分子易進(jìn)入晶層浸潤固體顆粒，進(jìn)而使得顆粒之間的吸力增加（粘聚力），因此親水性越強(qiáng)使得固體顆粒與水分子之間達(dá)到平衡所需要的水分子質(zhì)量越小，即在較小的含水量的情況下，易達(dá)到自身粘聚力的最優(yōu)含水量，該結(jié)論與試驗結(jié)果有很好的一致性。因此3種類土質(zhì)峰值粘聚力所對應(yīng)含水量的不同是由自身黏土礦物成分及含量控制的。

（2）含水量對土體摩擦角的影響。對含水量和摩擦角的擬合回歸方程如下：

凝灰?guī)r殘積土摩擦角隨土樣含水量變化分析的回歸方程為：

鉀長花崗斑巖殘積土摩擦角隨土樣含水量變化分析的回歸方程為：

花崗閃長巖殘積土摩擦角隨土樣含水量變化分析的回歸方程為：

由圖2可知，含水量對3種類土質(zhì)試樣摩擦角的影響具有很好的一致性，表現(xiàn)為隨含水量的增加摩擦角不斷減小，其主要原因仍可從微觀角度進(jìn)行分析：類土質(zhì)土體在隨含水量不斷增加的過程中，結(jié)合水不斷增加，使得土顆粒之間的孔隙不斷增大，進(jìn)而增加了孔隙內(nèi)的游離水分子，該水分子對土顆粒之間的相對摩擦具有潤滑作用，進(jìn)而降低了土顆粒之間的摩擦角；另外，土顆粒外部包裹的結(jié)合水膜對土顆粒的運(yùn)動也有潤滑作用，是摩擦角減小的一個重要因素。

但含水量對3種土樣摩擦角的影響程度不一樣，表現(xiàn)為：含水量對花崗閃長巖殘積土的影響程度最大，其次是凝灰?guī)r殘積土，最后是鉀長花崗斑巖殘積土。究其成因主要是3種類土質(zhì)含有不同的礦物，進(jìn)而使得其結(jié)構(gòu)有所差異，對水的吸收能力也不一樣，所以導(dǎo)致含水量對3種類土質(zhì)摩擦角的影響程度不一樣。

4 結(jié) 論

（1）不考慮交互作用的正交分析結(jié)果表明：各影響因素對滑坡穩(wěn)定性的影響不盡相同，其敏感性排序為滑帶土內(nèi)摩擦角、降雨強(qiáng)度、滑帶土粘聚力、地表土的重度、滑帶土重度。

（2）考慮交互作用的正交分析結(jié)果可知：對滑坡穩(wěn)定性影響最大的是滑帶土的內(nèi)摩擦角，其次是降雨歷時、內(nèi)摩擦角和降雨歷時的交互作用、降雨強(qiáng)度、降雨強(qiáng)度和降雨歷時的交互作用，最后是內(nèi)摩擦角和降雨強(qiáng)度的交互作用，說明各影響因素對滑坡穩(wěn)定性的影響不是單獨(dú)作用的，他們之間存在相互作用效應(yīng)。

（3）含水量對類土質(zhì)的抗剪性質(zhì)具有顯著的影響，其中粘聚力首先隨含水量的增加而增加，當(dāng)含水量增加到某一程度時，土體的粘聚力隨含水量的增加而減小；同時，含水量對不同類土質(zhì)內(nèi)摩擦角的削弱程度不一樣，其中對花崗閃長巖殘積土的影響程度最大，其次是凝灰?guī)r殘積土，最后是鉀長花崗巖殘積土。造成上述現(xiàn)象的主要原因是不同土體微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分組成之間的差異。

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