降雨型堆积层滑坡抗剪强度参数反演分析

降雨型堆积层滑坡抗剪强度参数反演分析

陈骏峰

（华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉 430074）

摘 要：在研究实例工程滑坡约束条件和某一确定计算状态的基础上，利用极限平衡理论方法对滑坡的滑带土进行了计算参数反分析，获得了土层有效应力抗剪强度参数。研究表明：计算参数c(黏聚力)，φ(摩擦角) 值的反分析存在解的非唯一性，只有确定了边坡的临界状态并选定相应的评估指标后，才有可能获得准确结果；反分析得到的滑带土c，φ值与临界状态的滑带赋存条件相对应，当进行其他工况的稳定分析及工程设计时，应根据经验及工程类比结果进行折减。

关键词：堆积层滑坡；强度参数；反分析

中图分类号：TU443文献标识码：A文章编号：1672-7037(2008)04-0249-04

滑坡是一种严重的岩土体失稳现象，是发生

频率最高、危害最大的灾种之一，常给人类生命财产带来重大威胁。

堆积层滑坡是滑坡的一种基本类型，是指第四系地层中除黄土、粘土以及其它软土层以外的松散堆积层(包括人工堆积物)的滑坡，而且重点是指河谷两岸缓坡地带的坡积、洪积成因的堆积层滑坡，它具有与很多其他类型滑坡不同的特点，在我国滑坡类型中占有很大的比例。堆积层边坡的失稳绝大多数是由降雨或地下水位的变化而引起的[1]。这是目前滑坡灾害预测与防治领域亟待研究与解决的难点与关键问题。

边(滑)坡滑带土的黏聚力(c)和内摩擦角(φ)等力学计算参数的取值正确与否，会直接影响到边坡的稳定计算和工程设计。目前确定c，φ值的方法有试验、工程类比和反分析3种。试验是确定滑带土计算参数的途径之一，但c，φ值需通过大量试验才能得出，此外，试样的失真、滑带土的非均匀性、试验误差和试验结果的多样性等，也会给试验成果的选用带来识别上的很大困难。工程类比法是一种经验估算方法，由于滑坡的成因、结构条件、边界条件、土体性质及研究者的经验等存在一定的差异，工程类比法也不可能准确地得出滑带土的计算参数。有鉴于此, 各国学者广泛采用现场监测和反分析相结合的方法来确定地层参数[2~5]。下面结合工程实例，对降雨型堆积层滑坡抗剪强度参数反演分析进行讨论。1抗剪强度参数反演分析方法

1.1土体边坡计算参数反分析的定义

边坡反分析就是先根据确定的边界条件和特定工况状态下的稳定状态评估指标建立数学模型，然后利用此模型反演边坡土体的计算参数c，φ值。由于反分析c，φ是通过1个方程来求解2个未知参数，因而，其解具有不确定性。一般情况下，采用反分析方法时需结合试验、经验或敏感性分析等方法才能确定出参数的取值。

1.2反分析过程

1.2.1建模

反分析建模常用的方法是极限平衡分析法。极限平衡分析法的基本假定是：土体为理想刚塑性材料；加荷过程中土体不发生任何变形;达到极限平衡状态时土体将沿某破裂面发生剪切变形。

工程上最常用的平面极限平衡计算方法为条分法。在条分法中，稳定状态评估指标(稳定系数)K的表达式为

11

n n

i i

i i

K E T

==

=∑∑(1)

式中，∑

=

n

i

i

E

1

为阻滑力(或力矩)；∑

=

n

i

i

T

1

为下阻滑

力(或力矩)。

1.2.2确定反分析的状态及稳定状态评估指标

在反分析中强调“状态”概念是十分重要的，

收稿日期：2008-08-30

作者简介：陈骏峰（1974-），男，湖北仙桃人，博士研究生，研究方向为结构工程，junfengc@https://www.360docs.net/doc/ae5054124.html,。

因为一个确定的状态是由一个确定的评估指标来描述的。通常将反分析的状态称为临界状态。临界状态是指在确定工况的评估指标下的边坡即时状态，包括坡面形态、地下水位、滑带赋存条件和外荷载等因素。

对大多数土体边坡的稳定状态来说，起主导作用的是地下水位的变化，因此，应尽量了解反分析拟定状态条件下的地下水位状况。

稳定评估指标主要依据边坡变形发展状态来确定，建议参考表1[6]并结合实际情况选定。稳定评估指标具有一定的先验性，必须考虑边坡不同发育阶段的变形性质并详细查勘边坡前、后缘变形量和地形变化后才能做出正确选择。

表1滑坡不同发育阶段的稳定系数

发育阶段变形性质稳定系数K变形状态

蠕滑 1.05～1.00前缘或后缘变形微弱，地表出现未连通微裂缝

局部变形

微滑 1.00～0.90局部坡面变形异常，陡坎处出现小型滑崩，裂缝发展，逐渐连通

整体变形剧滑< 0.90 坡面出现鼓丘、挤压变形和较长的大裂缝

稳定固结固结> 1.05 -

1.2.3确定计算参数

根据反分析结果，对c，φ值进行敏感性分析，以辨明c，φ值对稳定系数的敏感程度。首先确定对稳定系数变化不太敏感的参数，所取参数值一般应在试验值的包络范围内，也可以参照类似工程参数取值。在选取c，φ值时，应同时研究滑带土的颗料组成、构造和滑带的赋存条件。一般而言，φ的试验结果较为可靠。因此，一般先根据试验结果确定φ值，然后根据敏感性分析结果确定c值。

反分析得出的c，φ值为滑带土临界状态下的c，φ值，当分析工况发生变化时，c，φ值也应随之变化。尤其是滑带赋存条件不同时，c值可能会存在较大差异。在实际工程中，可根据分析工况与临界状态下的滑带赋存条件以及土体性质，利用经验和工程类比法对c值进行折减。

2工程实例分析

2.1工程概况

2004年7月2日，一场暴雨后，某单位后山南坡土体滑坡，坡面出现了大量破裂裂隙，后缘最大裂缝宽为20 cm，长12 m，垂直位移为40 cm，各裂缝断断续续呈扇形分布；前缘临空面出现几条垂直裂缝，下部5层住宅楼后挡土墙已经破裂，局部已经向外错动3～4 cm，由于挤压作用，挡土墙与住宅楼之间水泥地面鼓胀隆起近20 cm。详见图1。场地属剥蚀残丘地貌，山顶海拔183.5 m，坡脚海拔77 m，最大相对高差106.5 m，总体坡度15°～35°。地处北亚热带气候区，年平均降雨量1 285 mm。降雨具有集中、强度大的特点，每年4～9月为雨季，其降雨量占全年的75 %，7月初为每年的梅雨季节，多阵雨和暴雨，最大降雨量可达50 mm/ h。

图1滑坡示意

滑动区范围内基本全为第四系残坡积松散土层覆盖，土层厚度5.5～20.5 m，下伏志留系上统茅山组石英细砂岩、粉砂岩与石炭系中统黄龙组灰岩。第四系残坡积松散土层，从上到下分为粉质粘土、砾质粘土和砂砾粘土等3层；志留系上统茅山组为中厚～厚层石英细砂岩、粉砂岩，砂质结构，层状构造。上部为强风化，破碎程度较高；下部为中风化，岩石较完整，呈灰褐色，结构致密坚硬。石炭系中统黄龙为灰白色至深灰色灰岩，微风化，粉晶结构，块状厚层状构造，岩石较完整，局部节理裂隙发育，主要为方解石充填。滑坡各土层的物理力学指标见表2。

表2土层物理力学性质指标表

土层名称密实状态

含水量

/ %

重度

/ kN·m-3

孔隙比

内摩擦角

/(°)

粘聚力

/ kPa

粉质粘土松散,可塑20.5 19.1 0.726 27.2 32.1 砂砾质粘土密实,硬塑21.5 19.2 0.719 27.0 22.4 含砾粘土软塑 36.6 17.8 1.077 18.4 18.8 滑坡内地下水均为潜水，埋藏较浅，多在4.5～13.9 m。滑坡周边无地表水系，滑坡内地下水主要由后缘基岩裂隙水及降水补给。本滑坡区地表全由第四系松散层覆盖，由粉质粘土、砂砾质粘土和少量碎石土组成，滑体内土体结构松散，裂隙发育，破碎程度较高，透水性很强，孔隙水主要受大气降水补给，一部分渗入地下基岩，一部分顺坡向渗流。

2.2滑坡计算参数反分析

2.2.1反分析状态的确定

反分析状态的确定与形成该状态的荷载条件、计算边界及稳定评价指标等有关。

滑坡内地下水均为潜水，埋藏较浅，多在4.5～13.9 m。滑坡周边无地表水系，滑坡内地下水主要由后缘基岩裂隙水及降水补给。由于土体内裂隙极其发育，结构破碎程度很高，透水性很强，大气降雨相当一部分将直接渗入第四系松散层，形成暂态地下水，滑体内地下水位的升高将增大滑体的下滑力、恶化土体的抗剪强度，进而诱发滑坡，因此，可以认为，由于滑坡区遭遇长久降雨过程，滑体内地下水位升高，使滑坡处于复活状态。本文以此状态作为反分析的计算状态。

计算状态确定后，还需寻求与确定状态相对应的反分析所需的边界条件与稳定系数。

2.2.2地下水位的确定

本滑坡区地表全由第四系松散层覆盖，由粉质粘土、砂砾质粘土和少量碎石土组成，滑体内土体结构松散，裂隙发育，破碎程度较高，透水性很强。结合现场调查，滑体内暂态地下水主要赋存在砂砾质粘土和少量碎石土中，降雨过程中的地下水位线位于砂砾质粘土层层顶。

2.2.3稳定系数的确定

鉴于在降雨诱发下滑坡已形成，参照表1，稳定系数取为0.95～1.0。

2.2.4滑动面确定

根据钻探资料和实地调查，发现Ⅰ区滑移面上部位于粉质粘土中，中部沿基岩接触面，底部穿过挡墙（位于五层楼后）后出露；Ⅱ区滑移面上部位于粉质粘土中，中部沿基岩接触面，底部穿过临空面后出露。因此，进行滑坡反分析稳定计算时，采用指定滑面的方法。

2.3反分析成果

滑坡反分析稳定计算成果详见图2，土层有效应力抗剪强度参数见表3。

图2滑坡土体抗剪强度参数反分析/m

表3土体抗剪强度参数

土层名称内摩擦角/(°) 内聚力/kPa

粉质粘土 25 15 砂砾质粘土 25 10

含砂砾粘土 22 7

由反分析可以得到如下认识：

（1）计算参数c，φ值的反分析存在解的非

唯一性，只有确定边坡的临界状态并选定相对应

的评估指标后，才有可能获得准确结果。临界状

态约束条件(尤其是地下水的水面线) 的准确性，

是影响反分析结果可靠性的重要因素。

（2）反分析得到的滑带土c，φ值与临界状

态的滑带赋存条件相对应，当进行其他工况的稳

定分析及工程设计时，滑带赋存条件与反分析的

临界状态会有所不同，因此c值应根据经验及工

程类比结果进行折减。

（3）利用反分析得出的参数进行滑坡的稳定

分析和工程设计，方法简单，结果更为可靠。

3结语

由于滑坡为一大规模的剪切活动，试验很难

完全模拟真实自然条件,反分析法综合性好，能将

考虑欠缺的外部作用因素融入反算的抗剪强度参

数中，进而在采用反算参数进行设计时，融入了

该因素的影响，使滑坡稳定性分析更切合实际。

因此，反分析法对滑坡的稳定性分析与滑坡治理

具有重要的作用。

在反分析中，地下水、滑体几何边界及现状

稳定性评估指标等状态约束条件的适当处理是正

确进行反分析的基础，结合地质勘察及变形监测

资料可以很好地确认反分析状态及约束条件。

工程实例的应用表明综合考虑滑坡稳定现

状、发展趋势、滑坡体物质组成、滑动成因、工

程地质与水文地质条件, 通过试算确定滑带土强

度参数c、φ的反分析方法有一定的可行性。利用

反分析得出的参数进行滑坡的稳定分析和工程设

计，方法简单，结果更为可靠。

参 考 文 献

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Back Analysis of the Shear Strength Parameters of Rainfall-induced

Colluvial Landslides

CHEN Jun-feng

(School of Civil Engineering and Mechanics, HUST, Wuhan 430074, China)

Abstract: Based on a study of constraint conditions and specific computation status of the example landslide, a back analysis was made on calculation parameters of the soil in slide zone by using limit equilibrium method, and the parameter values have been obtained. The result shows that the values of parameter c and φ derived from back analysis are not unique, and that the accurate values can be obtained only after the determination of critical state of the landslide and selection of the corresponding evaluation indices. It is also indicated that the values of parameter c and φ are in accordance with inherent conditions of the landslide in critical state. However, in the case of stability analysis and engineering design, the values should be modified according to experiences and comparison results with similar projects.

Key words: colluvial landslide; strength parameter; back analysis

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Study on the Bearing Capacity of H-steel Post in the Pile

CHEN Xin, ZHOU Sheng-hua

(School of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract: In shanghai, H-steel erect column and the pile is widely used as the vertical bearing structure in foundation pit engineering. Loads are transmitted from the shape steel to the pile through the joint. A small depth of the steel in the pile results in a short of bearing capacity and the joint will be destroyed, and a large depth wastes stuffs. So it is important to study the bearing capacity of the joint. In this paper, the models with different depth are established, the bearing capacities are calculated and the mechanism of the force’s transmission at the joint is discussed. In the end,, some conclusions and advices are proposed in the paper.

Key words: shape steel post; concrete pile; bearing capacity; numerical analysis