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滑坡稳定性分析是土力学中的经典领域,也是今天岩土工程、工程地质、岩石力学等学科中的重要研究课题,自三十年代Fellenius(1927,1936)提出土坝圆弧滑动稳定分析之后,经Bishop(1952),Morgenstern和Price(1965),Spencer(1966),Janbu(1973),Sarma(1979),Chen(1983)等的改进,迄今已经形成能够满足力和力矩平衡,适用于各种形状滑动面的通用条分法。与此同时,伴随近代土力学的发展,在确定边坡不同工作条件下的强度指标、孔隙水压力等方面也形成了一些行之有效的方法。这一完备的理论体系也随着非确定性分析的耦合而更加完善。到目前为止,已有几十种方法,这些方法大致可分为四类:1.刚体极限平衡法,2.弹塑性理论数值分析法,3.变形破坏判据法,4.破坏概率法。
至今仍为广泛使用的条分法为刚体极限平衡分析法,是工程上使用最多最成熟的方法。已有70多年的历史。其基本出发点都是假定滑坡岩土体为理想刚塑性材料,把土条作为刚体,完全不考虑岩土本身的应力——应变关系,仅按极限平衡原则进行力系分析。公式推导时基于以下四点假定:
(1)将滑坡稳定性问题视为平面应变问题:
(2)视滑坡体为理想刚塑材料,认为整个加荷过程中,滑坡体不会发生任何变形,一旦沿滑动面剪应力达到其剪切强度,则滑坡体即开始沿滑动面产生剪切变形;
(3)视破坏面上斜坡岩土体中的应力,以正应力σ<,n>和剪应力τ的方式集中作用于破坏面上:
(4)滑动面的破坏服从Mohr-Coulomb破坏准则,即滑动面强度主要受粘聚力及摩擦力控制。
各种方法的最大不同之处仅仅在于相邻土条之间的内力作何种假定,也就是如何增加已知条件使超静定问题变成静定问题。这些假定的物理意义不同,所能满足的平衡条件也不相同,计算步骤亦有简有繁,因而计算结果也就有所差异。但各种方法均有误差导入则是共同的。它忽略斜坡岩土体本身的变形和强度,这将导致稳定系数的,Ds减小;第1点是对滑动面上的应力作了通常不符合实际情况的平均分布假定,第3点假定可引起fos的误差达-5%~5%<[31]>;第4点假定在滑面上正应力σ<,n>超过3MPa时,将造成最大达90%的误差州<60>。在巨厚层大型滑坡中因局部应力集中σ<,n>>3MPa是普遍存在的<[68]>,其结果可导致fos增大;上述假定引起的对稳定性计算结果影响某种程度上会相互抵消一部分,但在实际工作中的大多数情况下是不知道的。因此必须对计算结果有正确的认识和把握。应用刚体极限平衡法对滑坡稳定性进行评价时,首先需要通过详细的工程地质调查确定可能的滑动面位置和形态,并确定可能滑动面的强度参数及其它计算参数,最后寻找出最小稳定系数并与事先确定的安全系数进行比较,以此评价滑坡稳定性。
大量验证工作表明各种同时满足静力与力矩平衡条件的滑坡稳定性分析方法的“方法误差”一般不超过12%。对于某些复杂边坡而言,有众多实例表明,某些力学模型的假定条件已经远远被突破,如果仍采用不当计算方法(即不能同时满足静力与力矩平衡条件的方法),计算结果可能远远超过12%。因此,必须注意各种方法的适用条件,与之相关的力学模型研究(如传递系数法)。
我们必须注意到上述满足力和力矩平衡的“精确”条分法一般情况下只适应于土体滑坡,对于滑动面不规则的岩质滑坡或岩土质滑坡存在很大的局限性,在许多情况下是不收敛的。传统上,对于小型的岩质边坡、在滑动面较为规则的情况下,进行稳定性评价时,一般借用较为成熟的土质边坡稳定性分析方法。否则,只是用精度有限的二维静力平衡方法(如传递系数法),由此可能带来工程上不能接受的误差。
在三峡库区二期和三期地质灾害防治勘察与设计过程中,基本上采用规范推荐的传递系数法进行滑坡稳定性计算。大量的工程实践表明,该方法在某些情况下得出的结果偏差较大。另外,对计算参数的选取和地下水压力的考虑等方面也存在一定的问题。这一系列问题向工程地质工作者提出挑战:在进行滑坡稳定性评价过程中如何选取计算参数和考虑地下水压力,采取那些稳定计算方法更简便、更符合实际?
本文研究的重点主要是从刚体极限平衡一般原理出发,采用递推公式对传递系数法进行必要的改进;对现有满足静力平衡条件的条分法和满足静力与力矩平衡条件、一般只适应于土质滑坡的条分法的各种特解进行分析,在此基础上,推导出具有更广泛适应性的、满足静力平衡条件的最适用方法(CWS-F法)和满足静力与力矩平衡条件的精确递推法(CWS-M法)。
研究内容包括:(1)、深入研究确定水库正常运行时岸坡地下水位的变化、孔隙水压力、地震力及滑带土剪切强度参数,各种计算方法的适应条件及其计算结果对滑坡稳定系数及滑坡推力的影响大小。(2)、分析条分法主要计算方法(传递系数法、不平衡推力法、美国陆军师团法、斯宾塞法和摩根斯坦法等)的一般原理与方法及其适应条件,指出其优点和不足。研究开发具有自主知识产权稳定性计算最适用方法(CWS-F法)和精确递推法(CWS-M法)。(3)、基于刚体极限平衡理论开发一套具有最可能滑坡的滑动面自动搜索与计算指标反演分析功能、适合水库滑坡稳定性、防治工程推力计算与成图的多功能、多方法的软件。(4)、以三峡库区奉节县猴子石滑坡为例,在已有研究成果的基础上,采取合理的计算参数,分析水库蓄水后滑坡体内地下水位的变化及其对滑坡稳定性的影响;运用所开发的滑坡稳定性及推力计算软件,采用多种方法对其稳定性进行综合评价。
主要解决了如下关键技术问题:
(1)文中所建立的改进的传递系数法修正了岩土工程规范推荐的传递系数法在进行滑坡稳定性计算的近似解法,同时克服了当条块间出现拉应力时稳定系数普遍偏大的现象,提高了滑坡稳定性计算精度,并使其具有更广泛的实用性。在应用现有规范的条件下,使滑坡防治工程更具有可靠性和安全性; (2)基于刚体极限平衡理论,推导出了同时满足静力与力矩平衡条件的滑坡稳定性计算递推法的一般公式,在公式中,通过对滑坡体条块间垂直作用力和水平作用力的不同函数关系的假定,将现行公认的满足静力与力矩平衡条件的滑坡稳定性计算精确条分方法(斯宾塞法、摩根斯坦-普莱斯法 l、摩根斯坦-普莱斯法 2、摩根斯坦-普莱斯法 3 和摩根斯坦-陈祖煜法:)统一到一起。通过构建垂直作用力和水平作用力的函数关系,建立了同时满足静力与力矩平衡条件的滑坡稳定性计算精确递推法(CWS-M法)。该方法理论体系完备,精度高。与前述同类其它递推法相比,克服了当前工程地质学界在滑坡稳定性计算时,所面临的同时满足静力与力矩平衡且无条件收敛世界性难题,是目前唯一不存在收敛问题、适应范围广泛、精度完全满足工程要求的高精度条分法。同时,该方法将基本只用于土体滑坡稳定性计算的计算方法扩展到岩质和岩土质滑坡的稳定性计算领域,应用前景更加广泛;
(3)基于刚体极限平衡理论,导出了具有普遍意义的滑坡稳定性计算静力平衡递推法。在递推法一般公式中,通过对滑坡体条块间作用力合力倾角的不同假定,将现行公认的、满足静力平衡滑坡稳定性计算方法(不平衡推力法、美国陆军工程师团法、传递系数法、改进的传递系数法和简化的简布法等)统一到一起。以此为基础,通过构建滑坡体条块间作用力合力倾角的函数关系,建立了集简便实用、精度高、适应范围广的三位一体、满足静力平衡条件的滑坡稳定性计算最适用方法。该方法适用于具有任何形状滑动面的土质、岩土质和岩质滑坡,克服了满足静力平衡条件的各种半精确条分法的诸多不足。进一步论证表明,该方法既克服了其计算烦琐的不足,又基本保证了精确递推法(CWS-M法)的精度,在工程上具有广泛的应用前景。同时建立一套与之相对应的滑坡防治工程安全等级划分,不同安全等级、不同工况条件下的安全系数体系;
(4)利用能量守衡原理,推导了地下水二维流的孔隙水压力计算公式,尤其是水库蓄水条件下的地下水二维流的孔隙水压力计算公式。解决了滑坡稳定性计算时,孔隙水压力计算不准确所带来的误差;
(5)基于曲率半径最小的圆弧后沿最陡的切线只能小于或等于90<。>的条件,建立了既考虑均质岩土体也考虑存在软弱层、简便易行的最危险滑动面自动搜索系统。该系统可采用最适用方法(CWS-F法)、瑞典圆弧法、毕肖普法、不平衡推力法、美国陆军工程师团法、传递系数法、改进的传递系数法和简化的简布法等进行最危险滑动面自动搜索;
(6)针对滑坡稳定性计算条分法的多解性与发散性及最可能滑坡的滑动面自动搜索问题,开发一套以递推公式为基础,以最适用方法(CWS-F法)、精确递推法(CWS-M法)和改进的传递系数法为主体的多功能、多方法的软件。该软件尤其适合于水库滑坡稳定性评价,具有最可能滑坡的滑动面自动搜索与计算指标反演分析功能、防治工程推力计算与成图等多项功能。
实际上,论文的主要成果在三峡库区二期及三期地质灾害防治工作中得到了广泛应用。将所研制的滑坡稳定性分析软件(LSTT)应用于三峡库区重大滑坡-万州滑坡群、云阳西城滑坡、巫山玉皇阁滑坡和奉节猴子石滑坡等的稳定性评价,解决了实际问题,效果良好。尤其是改进的传递系数法作为滑坡稳定性及滑坡推力计算方法被纳入湖北省三峡库区地质灾害防治工作领导小组办公室发布的《湖北省三峡库区滑坡防治地质勘察与治理工程技术规定》中,应用于湖北省三峡库区二期地质灾害防治的滑坡稳定性及滑坡推力计算。计算软件作为水利部长江水利委员会综合勘测局滑坡稳定性计算软件有效版本被广泛使用。