不平衡推力傳遞法在滑坡穩定性分析中的應用

陳元勇

(江西交通職業技術學院 南昌市 330013)

0 引言

根據滑坡土質條件以及滑動面形態特征[1]，在進行滑坡穩定性分析時，主要方法有圓弧滑動條分法、平面滑動法以及不平衡推力傳遞法等[2-3]。圓弧滑動法把滑動面視為圓弧，并且認為滑體土為剛體[4]，不考慮分條之間的推力。圓弧滑動法概念明確，并且可以用于較為復雜的土質邊坡。平面滑動法適用于滑動面為一平面，由巖體構成的礦山邊坡或路塹邊坡若發生滑動將會出現平面型的滑動，滑面一般為巖體軟弱結構面或者巖層面。不平衡推力傳遞法適用于滑坡滑動面為一折線的情況，將滑體根據滑面轉折端分為若干條塊，然后從滑坡后部至滑坡前緣依次計算各條塊的剩余下滑推力，依據最后一條塊的推力大小判斷整個滑坡的穩定性情況[5]。義子頭滑坡從滑面形態上分，屬于折線型滑坡，因此采用不平衡推力傳遞法進行滑坡推力計算及滑坡的穩定性分析評價。

1 滑坡工程地質特征

1.1 滑坡分布形態及類型

該滑坡位于甘肅省正寧縣羅川鄉。滑坡在平面上為簸箕狀，東西長285～465m，南北寬220～450m。主滑方向為90°與杏樹山溝近垂直。根據現場的鉆孔資料表明，該滑坡平均厚度為20m，最大厚度出現在滑坡中部為30m左右，上部滑體厚度小于10m，滑坡總體積250×104m3。

該滑坡形態特征清晰，滑坡后壁呈圈椅狀地形，壁面較新鮮，未見植被發育。滑體表面呈一面坡狀向下延伸至前部，在滑坡體的中后部發育有與主滑向垂直的陡坎，陡坎高度均在5m以內，局部形成深度2～4m的橫向張拉裂縫，裂縫長度5～25m不等。滑體左側受流水沖蝕嚴重，目前已經形成高30～50m的陡壁。滑坡前緣受杏樹山溝內流水沖刷，形成5～20m高的陡坎，出露的土體中可見明顯的土體混雜。根據現場勘察資料顯示，該滑坡由一個主滑體①和三個次級滑體②、③、④所組成，次級滑體是由于主滑體形成以后，滑坡前部不斷受到流水沖刷逐步形成。②、③、④次級滑體描述如下：

②次級滑坎：該次級滑坎位于滑坡的左前方，后壁多為裂縫，局部為1m左右的陡坎，左側以沖溝為界，右側邊界多為可見深度在1～3m不等的裂縫，滑體中后部整體成一面坡狀，前緣為3～8m高的陡坎。

③次級滑坎：該次級滑坎在平面上中前部與②次級滑坎重疊，其后壁界線在②次級滑坎向西側約50m，左右側界線與②次級滑坎重合，該滑坎滑體厚度10～25m不等，以粉土及粉質黏土為主。

④次級滑坎：該滑坎規模較大，分布于整個滑坡的中前部，其中②、③次級滑坎均位于其上，后壁多為深度1～3m的裂縫以及串珠狀落水洞，左右兩側均以沖溝為界，滑體厚度在10～30m不等，以粉土及粉質黏土為主，滑坎前緣為3～20m不等，長期受流水沖刷，穩定性差。

1.2 滑坡體巖土特征

依據滑坡勘察中的鉆孔、調繪、室內試驗等工作結果對其評價如下：

(1)滑面及滑帶土特征

通過野外的調繪以鉆探資料可知，該滑坡的滑面縱向上呈上陡下緩的趨勢，并且主滑面上部發育有多級次級滑面。滑帶土主要為粉質黏土，顏色偏褐色～黃褐色，土體含水量較高，巖芯內部可見明顯的土體擠壓痕跡，滑帶土平均厚度在1m左右。

(2)滑床巖土特征

滑坡前部其滑床土為午城黃土，中部和上部為離石黃土，滑床土體密實、堅硬。中上部離石黃土巖性為粉質粘土，土體含水量低，呈灰褐色，局部夾雜鈣質結核。午城黃土巖性為三門組粉質粘土，淡褐紅～棕紅色，顆粒均勻。

1.3 滑床巖土特征

滑坡前部其滑床土為午城黃土，中部和上部為離石黃土，滑床土體密實，堅硬。中上部離石黃土巖性為粉質粘土，土體含水量低，呈灰褐色，局部夾雜鈣質結核。午城黃土巖性為三門組粉質粘土，淡褐紅～棕紅色，顆粒均勻。

2 滑坡穩定性分析

2.1 滑坡形成時代

該滑坡整體特征明顯，輪廓清晰，滑坡后壁新鮮且無植被發育。滑體表面裂縫、陡坎發育，土質疏松，滑坡周界明顯，因此可判斷該滑坡形成時間較晚，屬于新滑坡。

2.2 滑坡成因分析

(1)地形地貌條件

滑坡區域自然坡度大于40°，坡高大于120m，同時滑坡體所在斜坡兩側均發育有較大的沖溝，從而形成三面凌空的狀態。

(2)地層巖性條件

該地區地層結構較為簡單，上部為馬蘭黃土，土質為粉質黏土和粉土，土體內部孔隙、節理十分發育，地表水極易入滲。下部為致密石質黃土，土質為粉質黏土，該層土構成該區域的相對隔水層。

(3)水文地質條件

甘肅屬大陸性季風氣候，年降雨總量雖然較小，但降雨時間主要集中在7月至9月，容易造成地質災害的形成。降雨通過上部疏松的馬蘭黃土孔隙和節理向下滲入土體內部，在下部相對隔水層表面匯集，導致土體浸泡軟化，十分利于滑坡的形成。另外，滑坡右側沖溝與前部杏樹山溝共同沖蝕滑坡體，加劇了滑坡的不穩定。

2.3 滑坡穩定性評價

2.3.1定性評價

(1)從滑體的形態特征及其中后部上分布的張拉裂縫、弧形次級滑坎等變形破壞現象看，該滑坡目前的穩定性差。

(2)杏樹山溝水流不斷對滑坡前部沖刷，致使滑坡前部土體流失，隨著坡體前部土體的流失，滑坡整體穩定性將進一步變差。

2.3.2定量評價

(1)滑坡的定量計算運用不平衡推力傳遞法，主要計算公式如下：

(1)

ψj=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tanφi+1

(2)

Ri=Nitanφi+CiLi

(3)

式中：Fs為穩定系數；θi為第i條塊滑面與水平面之間的夾角(°)；Ri為第i條塊的抗滑力(kN/m)；φi為第i條塊土的內摩擦角(°)；Ci為第i條塊土的粘聚力(kPa)；Li為第i條塊滑動面長度(m)；Ti為第i條塊上的滑動分力(kN/m)，滑動分力向上時Ti取負值；ψj為第i條塊的向下傳遞時的傳遞系數(j=i)。

(2)計算工況

根據工程地質勘察相關資料，同時結合相關規范，在對該滑坡進行穩定性計算時，其工況確定為兩種情況：正常工況與降雨工況。

(3)計算剖面選擇

在進行坡面選取時，選取滑坡推力最大、對擬建公路危害最大的斷面，同時，該斷面自滑坡后緣縱向貫穿至滑坡前緣，能夠較好的反應滑坡的整體坡面情況。

(4)滑體計算參數的選取

①通過對現場取樣進行試驗，該滑坡體天然重度為19.5kN/m3、飽和重度為20.5kN/m3。

②條塊面積：各個計算條塊豎向平面面積。

③主要對滑體土和滑帶土進行了抗剪強度試驗，其結果如下表1所示。

表1 滑體及滑帶土體抗剪強度參數表

在進行最終計算分析時，根據試驗結果，結合現場實際勘察的情況以及不同滑段的巖土特征，參照相應的規范及經驗進行綜合取值。

(5)計算結果及評價

結合滑坡工程地質特征，選取4個典型的地質剖面，在兩種工況下進行了穩定性分析計算，并根據《滑坡防治工程勘查規范》對滑坡穩定性的分類標準(表2)，對滑坡穩定性計算結果進行分析如表3所示。

表2 滑坡穩定狀態劃分表

表3 義子頭滑坡穩定性系數表

通過計算結果可知，在正常工況下，滑坡的穩定系數大于1.15，整體穩定性較好。在非正常工況下，主滑體處于穩定～基本穩定，次級滑面均處于欠穩定狀態。為保證擬建公路的正常施工以及公路建成后的正常運營，需要對該滑坡進行治理。

3 滑坡下滑推力計算分析

通過選取典型地質斷面進行穩定性計算的結果反映出，該滑坡整體推力大，采用單排抗滑樁難以保證滑坡的穩定性，選取雙排抗滑樁進行支擋更為合理。雙排抗滑樁分別置于滑坡的中部以及滑坡的上部。

在進行樁型設計時，不同的抗滑樁截面尺寸依據不同的計算斷面具體設樁位置進行選取。1-1樁型根據Ⅰ-Ⅰ′斷面在第5條塊前設樁時確定，非正常工況下，該處的滑坡推力為1150kN/m；2-2上部樁型根據Ⅱ-Ⅱ′斷面路基開挖后在第8條塊前設樁時確定，非正常工況下，該處的滑坡推力為2100kN/m；2-2下部樁型根據Ⅱ-Ⅱ′斷面(路基開挖+削方)在第3條塊前設樁時確定，非正常工況下，該處的滑坡推力為510kN/m；4-4樁型根據Ⅳ-Ⅳ′斷面(路基開挖+前部失穩)在第5條塊前設樁時確定，非正常工況下，該處的滑坡推力為900kN/m。

4 結論

(1)該滑坡形成主要原因是整體地形較陡，并且滑坡兩側沖溝發育，形成三面臨空的地形是滑坡形成的有利地形；滑坡上部土質疏松利于雨水入滲，下部地層密實為相對隔水層；地區降雨較為集中，同時，滑坡前部受到流水沖刷嚴重。

(2)通過采用不平衡推力傳遞法對滑坡進行計算，在正常工況下，滑坡的整體穩定性較好，在非正常工況下，主滑體在路基開挖前及開挖后整體穩定性均較好，次級滑體在路基開挖前及開挖后穩定性均較差。需要進一步對滑坡進行治理。

(3)該滑坡下滑推力較大，單排抗滑樁無法對滑坡進行良好的治理，因此采用雙排抗滑樁進行支擋。根據不同斷面的規模以及路基開挖的情況，分別提出抗滑樁設計位置處的滑坡推力設計值。