基于剛體理論的邊坡穩(wěn)定性分析

基于剛體理論的邊坡穩(wěn)定性分析

1滑坡穩(wěn)定性分析所謂崩塌沉積，是指在重力的作用下，陡峭斜坡上的巖和土體突然分離，最終聚集在山頂（坡腳或山谷）上的地質(zhì)現(xiàn)象。本文首次提出以滑坡體為崩塌體堆積載體,采用條分法計(jì)算理論驗(yàn)證在崩塌體堆積作用下的滑坡穩(wěn)定性分析,從而確定在崩塌體堆積作用下,崩塌體自身重力產(chǎn)生的下滑力是誘發(fā)滑坡失穩(wěn)的一種途徑。再基于災(zāi)害鏈?zhǔn)綑C(jī)理演化理論,證明崩塌體堆積作用下誘發(fā)的下滑推力和抗滑力代數(shù)和相等是土體沿滑面整體達(dá)到極限平衡的充分必要條件。該理論適用于任意形狀的滑動曲面,與有限元應(yīng)力分析的極限平衡法在本質(zhì)上是一致的,且二者的安全系數(shù)和阻滑面位置非常接近。最后對滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確地分析,建立崩塌體和滑坡體的下滑推力與滑坡的抗滑力之間的極限閾值,從而定量地分析更為符合實(shí)際情況的崩滑鏈?zhǔn)綖?zāi)害發(fā)生的極限條件和崩滑災(zāi)害鏈的精確演繹過程。2計(jì)算理論的建立2.1崩體和滑坡下滑力散巖、土體在地質(zhì)條件(坡面條件、巖性條件、地質(zhì)構(gòu)造)以及外界誘發(fā)條件(地震、融雪、降雨、地下水、風(fēng)化作用和人為因素)的綜合作用下,逐漸失去強(qiáng)力機(jī)制,向不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定或極限平衡狀態(tài)發(fā)展,從而形成崩塌體,而崩塌體在滑坡頂面為累計(jì)堆積,潛在滑坡體在堆積體和自身重力作用下,最終誘發(fā)鏈?zhǔn)綖?zāi)害。關(guān)于崩塌體和滑坡下滑力的計(jì)算,采用以下假定:a)崩塌體為松散落物,下落過程不考慮崩塌體對滑坡的勢能沖擊;b)滑坡體沿滑動面劃分為若干垂直條塊,各條塊為剛體,如圖1所示;c)塊間沿底面方向傳遞下滑力;d)塊編號自后緣向前緣編排;e)條側(cè)面是規(guī)則的側(cè)滑移面。2.2長期穩(wěn)定性原則滑坡下滑推力計(jì)算是滑坡工程設(shè)計(jì)的重要步驟,下滑推力確定的準(zhǔn)確性和合理性直接決定著滑坡工程的治理費(fèi)用和長期穩(wěn)定性?；碌钠茐膶?shí)質(zhì)是滑坡體沿滑移面的剪切破壞,在崩塌體堆積誘發(fā)作用下,作如下計(jì)算方法的推導(dǎo),參見圖2。如圖2所示,pi為第i條塊的剩余推力;pi+1為第i+1條塊的剩余推力。根據(jù)條塊i+1的力的平衡,pi+1也是第i+2條塊的反作用力;Ni+1和Ti+1分別為條塊的自重法向分量和滑面向分量,即:2.2.1抗滑阻力沿i.1個(gè)滑面方向已知p在第i+1條塊滑面上的分力為:則抗滑阻力為:令則抗滑阻力Fi為2.2.2i-1滑動第一個(gè)點(diǎn)的滑動力ti沿第i+1條塊滑面方向的下滑力即為第i+1條塊的自重沿滑面向分量Ti+1。2.2.3計(jì)算荷載的確定根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)的定義,有:穩(wěn)定系數(shù)Ks可以通過在自然干燥狀態(tài)下定義經(jīng)驗(yàn)公式求得。自然干燥狀態(tài)指庫水位在滑面以下,滑體為非飽和狀態(tài),滑帶巖石含水率變化不大,且無靜水壓力和地震因素影響的情況。此時(shí)的計(jì)算荷載僅考慮摩擦力、凝聚力及重力下滑分力,具體的計(jì)算公式為:其中ψ=cos(α1-α2)-sin(α1-α2)tanue7882式中,γ1為下滑段巖體天然重度(kN/m3);γ2為阻滑段巖體天然重度(kN/m3);h1為下滑段巖體的鉛直厚度(m);h2為阻滑段巖體的鉛直厚度(m);l1為下滑段水平距離長度(m);l2為阻滑段水平距離長度(m);α1為下滑段面傾角(°);α2為阻滑段滑面傾角(°);C1、φ1分別為下滑段巖體的粘聚力(kPa)、內(nèi)摩擦角(°);C2、φ2分別為阻滑段巖體的粘聚力(kPa)、內(nèi)摩擦角(°)。于是,下滑推力為:2.2.4末端條塊穩(wěn)定性的傳導(dǎo)由圖2可知,第i段條塊在下滑力和抗滑力的作用下處于局部穩(wěn)定狀態(tài),并且將剩余推力以一定系數(shù)關(guān)系傳遞給下一條塊i+1,以此類推,直至傳至末端條塊第7塊。由末端條塊的穩(wěn)定性來判斷整體穩(wěn)定性,從而達(dá)到對整體滑坡的穩(wěn)定作出分析判斷的目的。根據(jù)圖1的計(jì)算模型分析,在崩塌體堆積(條塊1)作用下,條塊1的自重力(抗滑力為零)會對下一條塊(第2條塊)的滑動給予誘發(fā)啟動力。3滑坡穩(wěn)定性分析為了使用有限的觀測資料來驗(yàn)證修改后的模型,對李子壩—化龍橋危巖滑坡段的邊界條件進(jìn)行規(guī)則化。該危巖滑坡段位于重慶市渝中區(qū)嘉陵江南岸,西起化龍橋,東至儀表廠,南起鵝嶺—浮圖關(guān),北至嘉陵江,其東西長2600m,南北寬250m~800m,面積為1.43m2。該段為渝中區(qū)西部咽喉地帶,人口稠密,工商企業(yè)密集,嘉陵公路東西向貫穿該段,是渝中區(qū)通向沙坪壩、北碚等地的主要干道。此段地質(zhì)災(zāi)害非常嚴(yán)重,1989年9月,計(jì)算結(jié)果表明,發(fā)生小規(guī)模崩塌體堆積時(shí),滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是在時(shí)間的積累上,崩塌體堆積達(dá)到一定規(guī)模時(shí),誘發(fā)滑坡,產(chǎn)生破壞。李子壩滑坡造成交通癱瘓,滑坡區(qū)內(nèi)數(shù)家企業(yè)和數(shù)十戶居民受災(zāi),市政府耗資400余萬元,遷走8家企業(yè)和47戶居民。1990年6月李子壩地段再次發(fā)生滑坡并造成交通阻塞。鵝嶺—浮圖關(guān)危崩塌發(fā)育有40多處,合計(jì)崩塌體體積達(dá)3.08×104m3。該段滑坡中下部有儀表廠、李子壩、華村小學(xué)等三處規(guī)模相對較大的松散堆積層斜坡和群林庫房滑坡變形體一處,其中個(gè)體體積為(0.51~120.00)×104m3,合計(jì)體積為180.52×104m3。根據(jù)調(diào)查及有關(guān)資料,嘉陵江南岸的滑坡變形破壞基本模式是:滑坡上部危巖發(fā)生崩塌,崩塌體堆積于坡面,在江水淘蝕、動水壓力或上部危巖產(chǎn)生崩塌體堆積加載等因素作用下不斷發(fā)生蠕滑變形。李子壩—化龍橋危巖滑坡系統(tǒng)模式如圖3所示,計(jì)算結(jié)果如表1所示。由此可知,倘若上部發(fā)生大規(guī)模崩塌,將很可能誘發(fā)滑坡整體失穩(wěn)從而形成崩滑災(zāi)害鏈,崩滑聯(lián)合體向嘉陵江滑動,勢必影響航道安全通航。因此,對該段滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行精確分析是十分必要的。綜合有關(guān)部門提供的參數(shù),采用以上建立的多剛體計(jì)算理論對該滑坡進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)果表明:鵝嶺—浮圖關(guān)危巖區(qū)發(fā)生小規(guī)模崩塌時(shí),將不會影響該段滑坡穩(wěn)定性,但當(dāng)該區(qū)發(fā)生較大或者大規(guī)模崩塌體下落時(shí),將引起滑坡失穩(wěn)滑移,從而形成崩滑災(zāi)害鏈,這與Zslope軟件分析結(jié)果極其相符。4滑坡體堆積作用穩(wěn)定