不平衡推力传递法在滑坡稳定性分析中的应用

陈元勇

(江西交通职业技术学院 南昌市 330013)

0 引言

根据滑坡土质条件以及滑动面形态特征[1]，在进行滑坡稳定性分析时，主要方法有圆弧滑动条分法、平面滑动法以及不平衡推力传递法等[2-3]。圆弧滑动法把滑动面视为圆弧，并且认为滑体土为刚体[4]，不考虑分条之间的推力。圆弧滑动法概念明确，并且可以用于较为复杂的土质边坡。平面滑动法适用于滑动面为一平面，由岩体构成的矿山边坡或路堑边坡若发生滑动将会出现平面型的滑动，滑面一般为岩体软弱结构面或者岩层面。不平衡推力传递法适用于滑坡滑动面为一折线的情况，将滑体根据滑面转折端分为若干条块，然后从滑坡后部至滑坡前缘依次计算各条块的剩余下滑推力，依据最后一条块的推力大小判断整个滑坡的稳定性情况[5]。义子头滑坡从滑面形态上分，属于折线型滑坡，因此采用不平衡推力传递法进行滑坡推力计算及滑坡的稳定性分析评价。

1 滑坡工程地质特征

1.1 滑坡分布形态及类型

该滑坡位于甘肃省正宁县罗川乡。滑坡在平面上为簸箕状，东西长285～465m，南北宽220～450m。主滑方向为90°与杏树山沟近垂直。根据现场的钻孔资料表明，该滑坡平均厚度为20m，最大厚度出现在滑坡中部为30m左右，上部滑体厚度小于10m，滑坡总体积250×104m3。

该滑坡形态特征清晰，滑坡后壁呈圈椅状地形，壁面较新鲜，未见植被发育。滑体表面呈一面坡状向下延伸至前部，在滑坡体的中后部发育有与主滑向垂直的陡坎，陡坎高度均在5m以内，局部形成深度2～4m的横向张拉裂缝，裂缝长度5～25m不等。滑体左侧受流水冲蚀严重，目前已经形成高30～50m的陡壁。滑坡前缘受杏树山沟内流水冲刷，形成5～20m高的陡坎，出露的土体中可见明显的土体混杂。根据现场勘察资料显示，该滑坡由一个主滑体①和三个次级滑体②、③、④所组成，次级滑体是由于主滑体形成以后，滑坡前部不断受到流水冲刷逐步形成。②、③、④次级滑体描述如下：

②次级滑坎：该次级滑坎位于滑坡的左前方，后壁多为裂缝，局部为1m左右的陡坎，左侧以冲沟为界，右侧边界多为可见深度在1～3m不等的裂缝，滑体中后部整体成一面坡状，前缘为3～8m高的陡坎。

③次级滑坎：该次级滑坎在平面上中前部与②次级滑坎重叠，其后壁界线在②次级滑坎向西侧约50m，左右侧界线与②次级滑坎重合，该滑坎滑体厚度10～25m不等，以粉土及粉质黏土为主。

④次级滑坎：该滑坎规模较大，分布于整个滑坡的中前部，其中②、③次级滑坎均位于其上，后壁多为深度1～3m的裂缝以及串珠状落水洞，左右两侧均以冲沟为界，滑体厚度在10～30m不等，以粉土及粉质黏土为主，滑坎前缘为3～20m不等，长期受流水冲刷，稳定性差。

1.2 滑坡体岩土特征

依据滑坡勘察中的钻孔、调绘、室内试验等工作结果对其评价如下：

(1)滑面及滑带土特征

通过野外的调绘以钻探资料可知，该滑坡的滑面纵向上呈上陡下缓的趋势，并且主滑面上部发育有多级次级滑面。滑带土主要为粉质黏土，颜色偏褐色～黄褐色，土体含水量较高，岩芯内部可见明显的土体挤压痕迹，滑带土平均厚度在1m左右。

(2)滑床岩土特征

滑坡前部其滑床土为午城黄土，中部和上部为离石黄土，滑床土体密实、坚硬。中上部离石黄土岩性为粉质粘土，土体含水量低，呈灰褐色，局部夹杂钙质结核。午城黄土岩性为三门组粉质粘土，淡褐红～棕红色，颗粒均匀。

1.3 滑床岩土特征

滑坡前部其滑床土为午城黄土，中部和上部为离石黄土，滑床土体密实，坚硬。中上部离石黄土岩性为粉质粘土，土体含水量低，呈灰褐色，局部夹杂钙质结核。午城黄土岩性为三门组粉质粘土，淡褐红～棕红色，颗粒均匀。

2 滑坡稳定性分析

2.1 滑坡形成时代

该滑坡整体特征明显，轮廓清晰，滑坡后壁新鲜且无植被发育。滑体表面裂缝、陡坎发育，土质疏松，滑坡周界明显，因此可判断该滑坡形成时间较晚，属于新滑坡。

2.2 滑坡成因分析

(1)地形地貌条件

滑坡区域自然坡度大于40°，坡高大于120m，同时滑坡体所在斜坡两侧均发育有较大的冲沟，从而形成三面凌空的状态。

(2)地层岩性条件

该地区地层结构较为简单，上部为马兰黄土，土质为粉质黏土和粉土，土体内部孔隙、节理十分发育，地表水极易入渗。下部为致密石质黄土，土质为粉质黏土，该层土构成该区域的相对隔水层。

(3)水文地质条件

甘肃属大陆性季风气候，年降雨总量虽然较小，但降雨时间主要集中在7月至9月，容易造成地质灾害的形成。降雨通过上部疏松的马兰黄土孔隙和节理向下渗入土体内部，在下部相对隔水层表面汇集，导致土体浸泡软化，十分利于滑坡的形成。另外，滑坡右侧冲沟与前部杏树山沟共同冲蚀滑坡体，加剧了滑坡的不稳定。

2.3 滑坡稳定性评价

2.3.1定性评价

(1)从滑体的形态特征及其中后部上分布的张拉裂缝、弧形次级滑坎等变形破坏现象看，该滑坡目前的稳定性差。

(2)杏树山沟水流不断对滑坡前部冲刷，致使滑坡前部土体流失，随着坡体前部土体的流失，滑坡整体稳定性将进一步变差。

2.3.2定量评价

(1)滑坡的定量计算运用不平衡推力传递法，主要计算公式如下：

(1)

ψj=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tanφi+1

(2)

Ri=Nitanφi+CiLi

(3)

式中：Fs为稳定系数；θi为第i条块滑面与水平面之间的夹角(°)；Ri为第i条块的抗滑力(kN/m)；φi为第i条块土的内摩擦角(°)；Ci为第i条块土的粘聚力(kPa)；Li为第i条块滑动面长度(m)；Ti为第i条块上的滑动分力(kN/m)，滑动分力向上时Ti取负值；ψj为第i条块的向下传递时的传递系数(j=i)。

(2)计算工况

根据工程地质勘察相关资料，同时结合相关规范，在对该滑坡进行稳定性计算时，其工况确定为两种情况：正常工况与降雨工况。

(3)计算剖面选择

在进行坡面选取时，选取滑坡推力最大、对拟建公路危害最大的断面，同时，该断面自滑坡后缘纵向贯穿至滑坡前缘，能够较好的反应滑坡的整体坡面情况。

(4)滑体计算参数的选取

①通过对现场取样进行试验，该滑坡体天然重度为19.5kN/m3、饱和重度为20.5kN/m3。

②条块面积：各个计算条块竖向平面面积。

③主要对滑体土和滑带土进行了抗剪强度试验，其结果如下表1所示。

表1 滑体及滑带土体抗剪强度参数表

在进行最终计算分析时，根据试验结果，结合现场实际勘察的情况以及不同滑段的岩土特征，参照相应的规范及经验进行综合取值。

(5)计算结果及评价

结合滑坡工程地质特征，选取4个典型的地质剖面，在两种工况下进行了稳定性分析计算，并根据《滑坡防治工程勘查规范》对滑坡稳定性的分类标准(表2)，对滑坡稳定性计算结果进行分析如表3所示。

表2 滑坡稳定状态划分表

表3 义子头滑坡稳定性系数表

通过计算结果可知，在正常工况下，滑坡的稳定系数大于1.15，整体稳定性较好。在非正常工况下，主滑体处于稳定～基本稳定，次级滑面均处于欠稳定状态。为保证拟建公路的正常施工以及公路建成后的正常运营，需要对该滑坡进行治理。

3 滑坡下滑推力计算分析

通过选取典型地质断面进行稳定性计算的结果反映出，该滑坡整体推力大，采用单排抗滑桩难以保证滑坡的稳定性，选取双排抗滑桩进行支挡更为合理。双排抗滑桩分别置于滑坡的中部以及滑坡的上部。

在进行桩型设计时，不同的抗滑桩截面尺寸依据不同的计算断面具体设桩位置进行选取。1-1桩型根据Ⅰ-Ⅰ′断面在第5条块前设桩时确定，非正常工况下，该处的滑坡推力为1150kN/m；2-2上部桩型根据Ⅱ-Ⅱ′断面路基开挖后在第8条块前设桩时确定，非正常工况下，该处的滑坡推力为2100kN/m；2-2下部桩型根据Ⅱ-Ⅱ′断面(路基开挖+削方)在第3条块前设桩时确定，非正常工况下，该处的滑坡推力为510kN/m；4-4桩型根据Ⅳ-Ⅳ′断面(路基开挖+前部失稳)在第5条块前设桩时确定，非正常工况下，该处的滑坡推力为900kN/m。

4 结论

(1)该滑坡形成主要原因是整体地形较陡，并且滑坡两侧冲沟发育，形成三面临空的地形是滑坡形成的有利地形；滑坡上部土质疏松利于雨水入渗，下部地层密实为相对隔水层；地区降雨较为集中，同时，滑坡前部受到流水冲刷严重。

(2)通过采用不平衡推力传递法对滑坡进行计算，在正常工况下，滑坡的整体稳定性较好，在非正常工况下，主滑体在路基开挖前及开挖后整体稳定性均较好，次级滑体在路基开挖前及开挖后稳定性均较差。需要进一步对滑坡进行治理。

(3)该滑坡下滑推力较大，单排抗滑桩无法对滑坡进行良好的治理，因此采用双排抗滑桩进行支挡。根据不同断面的规模以及路基开挖的情况，分别提出抗滑桩设计位置处的滑坡推力设计值。