滑坡是指巖土體受到外界因素(降雨、地震、人為活動(dòng)等)影響,沿一定的軟弱面(帶)做整體運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。 滑坡機(jī)理研究揭示了滑坡發(fā)生、運(yùn)動(dòng)、停止的整個(gè)過程,為深入了解滑坡并開展滑坡災(zāi)害防治打下了基礎(chǔ)。 斜坡穩(wěn)定性研究是滑坡災(zāi)害問題的一個(gè)重要研究方向,隨著土力學(xué)的發(fā)展,相關(guān)理論和方法的研究更加深入。 多年來大量研究成果表明,專家學(xué)者更加偏重于斜坡穩(wěn)定性的定量研究,理論和技術(shù)不斷完善,定性與定量綜合研究的分析方法應(yīng)用越來越廣泛。 滑坡機(jī)理研究 1 研究概況 鑒于滑坡災(zāi)害的巨大危害性,國內(nèi)外學(xué)者對滑坡的形成機(jī)理開展了大量研究。 國外的研究起步較早。TERZAGHI 首先將土力學(xué)的理論運(yùn)用到滑坡形成機(jī)制的相關(guān)研究中,他認(rèn)為孔隙水壓力變化會影響滑帶土的性質(zhì),從而對滑坡的形成產(chǎn)生重要的促進(jìn)作用 。隨后,SKEMPTON研究了黃土變形過程中孔隙水壓力對黃土有效強(qiáng)度的影響。 近年來國內(nèi)有關(guān)滑坡機(jī)理的研究得到了迅速發(fā)展。 戴福初等分析了滑坡的發(fā)生機(jī)理,在降雨入滲條件下,按照土體應(yīng)力應(yīng)變特性的不同,把潛在滑動(dòng)面的類型分為剪脹型和剪縮型,認(rèn)為突然失穩(wěn)型滑坡沒有明顯變形和破壞征兆,漸進(jìn)破壞型滑坡在滑坡產(chǎn)生前抗剪強(qiáng)度逐漸降低,復(fù)活蠕滑型滑坡則存在軟弱滑動(dòng)面。 胡廣韜對滑坡機(jī)理做了深入闡述,認(rèn)為滑坡是滑動(dòng)面上滑體推滑力與抗滑力矛盾發(fā)展的結(jié)果,當(dāng)推滑力大于抗滑力時(shí)滑動(dòng)產(chǎn)生,滑坡的產(chǎn)生與其本身特質(zhì)及所處的應(yīng)力場或力系密切相關(guān),他將滑坡的啟動(dòng)方式分為劇動(dòng)和緩動(dòng)兩種,將運(yùn)動(dòng)速度分為高速、中速和低速三級,同時(shí)還對滑坡按照不同的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了詳細(xì)的分類。 2 幾種特殊的滑坡機(jī)理 (1)地震動(dòng)觸發(fā)滑坡機(jī)理研究。 地震動(dòng)滑坡具有分布廣泛、一次性快速滑動(dòng)的特點(diǎn),是震區(qū)內(nèi)常見的次生災(zāi)害。 毛彥龍等對地震動(dòng)滑坡的觸發(fā)作用做了詳細(xì)介紹,認(rèn)為地震波的持續(xù)作用使變形積累并最終導(dǎo)致破壞(累進(jìn)破壞效應(yīng)),使巖土體由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)(啟發(fā)效應(yīng)),并在滑塊運(yùn)動(dòng)過程中提供加速度(啟程加速效應(yīng)),還提出了啟程劇發(fā)速度計(jì)算公式,當(dāng)啟程劇發(fā)速度達(dá)到一定數(shù)值時(shí),短程低速滑坡可轉(zhuǎn)化為遠(yuǎn)程高速滑坡。 周維垣認(rèn)為地震荷載對土質(zhì)斜坡的影響多體現(xiàn)在與其他因素(如水)的共同作用上。黃潤秋等調(diào)查了大量海原地震誘發(fā)的黃土滑坡,總結(jié)了地震影響耦合機(jī)制,包括地震波與構(gòu)造力的耦合、與地形地貌特征的耦合、與場地土性質(zhì)的耦合、與盆地效應(yīng)的耦合及與突發(fā)水異常的耦合,在此基礎(chǔ)上結(jié)合黃土微結(jié)構(gòu)參數(shù),考慮地震液化,綜合分析了黃土滑坡的形成機(jī)理和分布規(guī)律。 徐舜華等對岷漳地震災(zāi)區(qū)永光村和堡子村滑坡進(jìn)行調(diào)查并采樣開展相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn),對地震與降雨兩者對滑坡的共同誘發(fā)作用進(jìn)行了具體分析。 (2) 高速遠(yuǎn)程滑坡機(jī)理研究。 關(guān)于高速遠(yuǎn)程滑坡,國內(nèi)的相關(guān)研究起步較晚,但從 20 世紀(jì)末開始取得了一系列研究成果,如:姜云等 認(rèn)為滑體與山包的碰撞、山包與平面之間的深溝、V 形溝谷等條件綜合作用產(chǎn)生氣墊,為滑體的運(yùn)動(dòng)提供了良好的通道;胡厚田等分析了碎屑流與泥石流在形成條件、動(dòng)力機(jī)制和運(yùn)動(dòng)過程等方面的特點(diǎn),結(jié)合固液、固氣兩相流的理論推導(dǎo)了碎屑流的運(yùn)動(dòng)方程;還有學(xué)者從理論上陸續(xù)提出了氣墊層說、孔隙氣壓力說、無黏性顆粒流說、顆粒流說、摩擦系數(shù)說、自我潤滑說、強(qiáng)度降說、諸多效應(yīng)說等假說。 特別是中國地質(zhì)大學(xué)的張明副教授在最新的研究成果中利用 X 光衍射、掃描電鏡和 DNA 測試等多種高科技手段進(jìn)行綜合測試,創(chuàng)新性地綜合研究了滑帶土有機(jī)物組分與無機(jī)礦物成分,認(rèn)為酸雨的溶解作用及微生物的繁殖與分解作用會對礦物成分的改變及對土體強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響,從而對滑坡的形成產(chǎn)生促進(jìn)作用。 (3)中國大型滑坡機(jī)理研究。 我國大型滑坡極為發(fā)育,以規(guī)模大、機(jī)理復(fù)雜、危害大等特點(diǎn)著稱。 黃潤秋對中國大型滑坡的發(fā)生機(jī)理做了全面系統(tǒng)的闡述,認(rèn)為中國大型滑坡的發(fā)生機(jī)理主要包括受坡腳近水平結(jié)構(gòu)面控制的滑移-拉裂-剪斷“三段式”機(jī)理,整體松弛中下部完整、堅(jiān)硬的“擋墻潰屈” 機(jī)理,地下水的靜水推力和孔隙水壓力聯(lián)合作用的近水平地層的“平推式”滑坡機(jī)理,常見于西南高山峽谷地區(qū)的大規(guī)模反傾向?qū)訝顜r體傾倒變形機(jī)理,以及順傾向?qū)訝顜r體邊坡的滑移(彎曲) -剪斷機(jī)理;揭示了邊坡坡角和巖層傾角對傾倒變形的影響,臨界坡角與傾角都是 60°;按照潛在滑動(dòng)面傾角大小,區(qū)分了簡單順傾坡與隱伏型順傾坡,前者坡角大于傾角,滑動(dòng)面往往出露,后者則相反,滑動(dòng)面隱藏而難以被識別,常常孕育大型滑坡。 斜坡穩(wěn)定性研究 1 研究概況 在斜坡穩(wěn)定性研究的發(fā)展歷程中,新的假定與理論不斷被提出,主要有通用條分法、瑞典法、畢肖普簡化法、滑楔法等,特別是極限平衡理論得以長足發(fā)展。陳祖煜曾對斜坡穩(wěn)定性研究的常用方法進(jìn)行了具體分析。 但在我國的實(shí)際工程應(yīng)用中,傳遞系數(shù)法(剩余推力法)應(yīng)用比較廣泛。 黃顯貴等認(rèn)為地震力的影響是斜坡穩(wěn)定性評價(jià)中必須考量的一個(gè)重要因素,因此在剩余推力法條塊力學(xué)模型中加入了地震因素,研究地震荷載對穩(wěn)定系數(shù)的影響,為評價(jià)地震作用下的斜坡穩(wěn)定性提供了依據(jù)。 同時(shí),隨著有限元法、離散元法、差分方法、邊界元法等在靜動(dòng)力學(xué)方面的應(yīng)用日趨成 熟, 出 現(xiàn) 了 大 量 相 關(guān) 研 究 成 果。 DUNCAN 和GOODMAN 應(yīng)用有限元方法,為斜坡穩(wěn)定性研究開啟了數(shù)值模擬計(jì)算的大門。 王樂華等 利用已有的工程地質(zhì)資料,采用模糊數(shù)學(xué)方法對巴東地區(qū)的斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià),建立了多級模糊綜合評判標(biāo)準(zhǔn)。 近年來,強(qiáng)度折減法的研究成果逐漸增多。 張士兵等結(jié)合彈塑性大變形有限元理論,運(yùn)用強(qiáng)度折減法分析降雨對黃土斜坡的影響,認(rèn)為降雨會引起坡體質(zhì)量增加、土體抗剪強(qiáng)度降低,從而導(dǎo)致失穩(wěn)發(fā)生;費(fèi)康等對強(qiáng) 度 折 減 法 的 原 理 進(jìn) 行 了 概 括, 并 將 其 引 入ABAQUS 軟件進(jìn)行計(jì)算。 圖 1 振動(dòng)臺試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)過程 2 新技術(shù)、新方法的應(yīng)用 (1)振動(dòng)臺試驗(yàn)。 針對數(shù)值分析方法在物理基礎(chǔ)方面的局限性,振動(dòng)臺模型試驗(yàn)由于地震波作用過程的可再現(xiàn)性、觀察邊(斜)坡破壞特征的直觀性與便利性、檢測內(nèi)部土體應(yīng)力與加速度響應(yīng)的直接性,因此得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 常用的振動(dòng)臺試驗(yàn)儀器設(shè)備及試驗(yàn)過程見圖 1。 關(guān)于振動(dòng)臺設(shè)備的應(yīng)用,WART-MANA 采用小型振動(dòng)臺試驗(yàn),重點(diǎn)關(guān)注邊坡模型產(chǎn)生的位移,用 NEWMARK 滑塊法進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算,并對試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較;LINetal. 利用振動(dòng)臺試驗(yàn)研究了砂土邊坡在地震作用下的響應(yīng),認(rèn)為地震作用下,砂土邊坡的破壞面只存在于邊坡的表面;趙文琛結(jié)合有限元數(shù)值模擬與大型振動(dòng)臺試驗(yàn),研究黃土層內(nèi)陸震滑坡和黃土接觸面型地震滑坡,得出了黃土斜坡的一般失穩(wěn)破壞特征,闡述了強(qiáng)震作用下黃土斜坡的動(dòng)力響應(yīng)及失穩(wěn)演化過程,并對斜坡地震失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了驗(yàn)證。 (2)“3S”技術(shù)。 隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)等的廣泛應(yīng)用,斜坡穩(wěn)定性研究逐步走上了系統(tǒng)化、智能化的發(fā)展道路,特別是以“3S”技術(shù)為依托的地震滑坡研究正在快速發(fā)展,其中 RS 技術(shù)多用于數(shù)據(jù)的收集 與處理,GIS 技術(shù)為制圖提供了便利,GPS技術(shù)則主要用于大型滑坡監(jiān)測。 相較于傳統(tǒng)評價(jià)方法,采用“3S”技術(shù)的優(yōu)勢在于:數(shù)據(jù)采集全面而高效,可利用高分衛(wèi)星遙感技術(shù)等對滑坡進(jìn)行三維識別,包括滑坡邊界、規(guī)模、方向、影響范圍及大小等基本信息,為區(qū)域滑坡分布圖繪制及滑坡微地貌類型與活動(dòng)性判別提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ),同時(shí)也為現(xiàn)場救援和災(zāi)情分析提供了準(zhǔn)確的第一手資料;數(shù)據(jù)解譯速度快、精度高、自動(dòng)化,利用計(jì)算機(jī)后臺對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理,高程度信息化為研究滑坡及其影響因素之間的關(guān)聯(lián)提供了便利,為斜坡失穩(wěn)的評價(jià)與危險(xiǎn)性預(yù)測提供了技術(shù)支持。 展望 “數(shù)字滑坡” 的概念正被越來越多的人所接受和應(yīng)用。 “數(shù)字滑坡” 技術(shù)是采用 RS、GIS 等技術(shù)與手段,將滑坡地學(xué)特征及變化情況(變形、位移等) 等遙感信息數(shù)字化,從而對滑坡情況進(jìn)行深入調(diào)查。 其工作模式為:利用高科技手段如無人機(jī)航攝、GPS 測量、飛機(jī)搭載三維激光掃描系統(tǒng)等獲取三維空間數(shù)據(jù),基于滑坡實(shí)例庫、模型庫、預(yù)報(bào)判據(jù)庫等基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫對滑坡體的空間分布、位置形態(tài)、物質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征等進(jìn)行數(shù)字化描述,建立信息平臺,并最終應(yīng)用到滑坡機(jī)理與斜坡穩(wěn)定性的相關(guān)研究中。 近年來,“數(shù)字滑坡”技術(shù)受到了國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注,在汶川、蘆山、舟曲等地震滑坡災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查和恢復(fù)重建中得到了應(yīng)用,在挽回?fù)p失及維護(hù)地區(qū)穩(wěn)定方面發(fā)揮了巨大作用,為實(shí)施國家防災(zāi)減災(zāi)戰(zhàn)略提供了保障,推動(dòng)了我國滑坡災(zāi)害調(diào)查技術(shù)的進(jìn)步。 隨著數(shù)據(jù)獲取能力的提高和評價(jià)方法的改進(jìn),斜坡穩(wěn)定性傳統(tǒng)的評價(jià)方法不斷完善,并且與高速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)結(jié)合更加緊密。 (1)GIS 不再只適用于單一的危險(xiǎn)性評價(jià),基于大量數(shù)據(jù)信息的收集與存儲,其應(yīng)用逐漸向定量化評價(jià)過渡,尤其是 GIS 在定性與定量相結(jié)合的評價(jià)方法中應(yīng)用效果良好。 (2)隨著技術(shù)方法的不斷改進(jìn),監(jiān)測手段日益多樣化,GPS干涉測量技術(shù)、三維攝影技術(shù)等監(jiān)測手段的運(yùn)用將大大提高斜坡時(shí)空穩(wěn)定性監(jiān)測的效率,為精準(zhǔn)評價(jià)斜坡穩(wěn)定性提供保障。 (3)隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度、數(shù)據(jù)收集與處理能力的提升和計(jì)算機(jī)平臺建設(shè)的不斷完善,結(jié)合滑坡基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫,滑坡信息系統(tǒng)將更加綜合化,信息收集處理將更加迅捷、準(zhǔn)確。 文章來源:《中國水土保持》論文《滑坡機(jī)理與斜坡穩(wěn)定性的研究成果與展望》 |
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