CN103266588A - 利用位移监测测定边坡非圆弧滑移面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及岩土工程边坡稳定性评价与防治领域，本发明的利用位移监测测定边坡非圆弧滑移面的方法，包括如下步骤：（1）边坡滑移面特征位置和参数的勘察与测绘；（2）滑坡主滑移面位移监测点设置；（3）滑坡位移监测数据的采集与处理；（4）绘制滑坡主轴剖面图；（5）确定滑体分布圆心及滑移面位置；（6）绘制完整主轴线滑移面位置。本发明方法既不需要假定初始滑面也无需设定滑面事先经过的特征点，仅依照观测点位移矢量数据和后缘破裂壁位置形状及前缘剪出口位置信息综合确定边坡滑移面，不再局限于以往单个滑动圆弧、圆心来确定滑坡体的滑面位置。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程边坡稳定性评价与防治领域，尤其涉及到一种边坡任意形状滑移面确定与应用的方法。
背景技术
随着我国工程建设的高速发展，在土木工程基础设施建设中，不可避免的需要对其边坡稳定性进行评价，并依次提出防治措施和处理方案。而滑移面位置是边坡稳定性评价与防治的前提条件和必备要素之一。
边坡稳定性分析与评价的前提条件是如何有效准确地确定边坡最危险滑移面。迄今为止，在岩土工程领域，边坡稳定性评价方法一般采用圆弧滑动面极限平衡评价方法。该方法首先视滑动土体为刚体，并假设边坡坡体沿一个圆弧滑移面滑动破坏，以此为依据对边坡稳定性进行评价。该方法由于无法一次性确定最危险滑动圆心，必须通过假定无数滑动圆弧和圆心进行反复试算，并以此对比确定滑坡最危险滑移面及圆心。但是，由于边坡地质条件复杂性和应力分布的非均匀性，边坡通常并不是沿单一均匀的圆弧滑移破坏，滑面形状实际上往往呈非圆弧任意形状，因此，科学有效地确定边坡的非圆弧滑移面是边坡工程稳定性评价与防治的关键。
在边坡非圆弧滑移面的研究方向，陈祖煜、邵长明等采用单纯形法、负梯度法和DFP法等特征点优化方法进行临界滑面的确定。陈、邵法要求边坡滑坡经若干特征点，而且大部分点要求是固定的，而且在优化计算时，特征点的移动方向也需要假定，这使得计算结果带有较大的主观性，难以真正的反映客观实际，尤其对于复杂地质边坡，这些特征点更是难以确定的，而且特征点越多，计算就越困难，实用性受到很大限制。
Arai和Tagyo基于简化Janbu法利用共轭梯度优化技术确定非圆临界滑面。Arai和Tagyo法必须先假定初始滑移面，搜索区在此基础上局部小幅变动，因而结果带有片面性，并要求介质性态连续变化，对于地质条件复杂，介质突变时，计算结果难以收敛，而且滑移面入口、出口必须位于垂直条分线上。
孙海山等采用图解法确定滑移面及其倾角，但是此方法只适用于整体滑动边坡，同时对于滑体上部裂缝倾度和剪出口等没有加以考虑利用，所做曲线存在突变，只能求出岩体内滑移面的近似值。
虽然对非圆弧滑移面确定方法进行了有益的探索，但迄今为止该问题并没有得到很好的解决，可以说目前还没有一种快速有效方法确定边坡的真实非圆弧滑动面。根据滑坡动力学和断裂力学基本原理，滑坡的宏观裂缝贯穿滑坡始终，滑坡前一定会产生位移和宏观张裂缝及前缘剪出口，其后缘张裂缝和前缘剪出口即是滑坡滑移面重要的组成部分，所以，对滑坡后缘张裂缝和前缘剪出口进行系统的鉴定与评价对确定滑坡临界滑移面有着特殊的重要作用与意义。
发明内容
本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种利用位移监测测定边坡非圆弧滑移面的方法，其运用滑体后缘破裂壁及前缘剪出口产状和坡面位移确定非圆弧滑面，为边坡稳定性评价与防治提供一种快速有效的非圆弧滑移面确定方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括如下步骤：
（1）边坡滑移面特征位置和参数的勘察与测绘：采用经纬仪或全站仪测定滑坡后缘张裂缝和前缘剪出口的分布位置，并采用卷尺和罗盘仪测量纵向张裂缝宽度与横向分布长度及破裂壁裸露深度及对应点处弧线切线方向，确定破裂壁深部边缘点位置及弧线切线方向；前缘剪出口处倾角方向利用坑探或者钻探勘察工具确定；
（2）滑坡主滑移面位移监测点设置：选择后缘破裂壁最宽处为主滑移面位置，在滑坡坡面主轴线上从前缘到后缘依次设置[N]=L/M个滑坡位移监测点，其中[N]取整数，L为滑坡从前缘到后缘的坡面距离，M为相邻两个监测点之间的坡面距离；
（3）滑坡位移监测数据的采集与处理：每隔5-10天测量滑坡位移监测点水平及竖直方向位移变形，计算位移变形与水平方向的夹角，得到总位移矢量，并整理成最终数据表格；
（4）绘制滑坡主轴剖面图：利用步骤（3）中滑坡位移监测数据、滑坡前缘剪出口位置、位移监测点位置绘制主轴剖面图，然后在剖面图上绘制出各个测点相应的总位移矢量方向，并从各个测点向滑体内、外部做出相应位移矢量的垂线，外部延长线交点为相邻两观测点之间分段滑坡体的滑动圆心Oi；
（5）确定滑体分布圆心及滑移面位置：从滑体后缘破裂壁开始，按照出露滑移面的倾角趋势，做其深部边缘点J0处切线的正交垂线，并与滑坡后缘第一个监测点位移矢量的垂线相交于点O0，随后以点J0与圆心O0之间距离为半径，以O0为圆心做相应滑坡体内部弧线即滑移面V0，并与滑坡后缘第一个监测点位移矢量的正交垂线相交于点J1，此时绘出的滑面与相邻测点的位移矢量的正交垂线相垂直；
（6）绘制完整主轴线滑移面位置：在步骤（5）的基础上，以点J1与圆心O1之间距离为半径，以O1为圆心做相应滑坡体内部弧线即滑移面V1，并与下一监测点位移矢量的正交垂线相交于点J2，然后按上述步骤依次逐个绘制分段圆心Oi-1对应滑移面Vi-1，此时绘出的滑面与各个测点的位移矢量的正交垂线相垂直；根据边坡岩土体结构剪出口点处的切线方向做其正交垂线与交线Oi-1Ji与Oi，然后以OiJi为半径，为Oi圆心做圆内部圆弧线，此时按照上述方法绘制所得曲线为主轴线滑移面，整个滑移面曲线即为所得真实滑移面。
该方法还包括对主轴线滑移面进行修正，具体包括：在相邻监测点位移矢量倾角之差过大的情况下，相邻两监测点之差
根据滑移面的总体形态和坡面位置特征及滑移面从后缘破裂壁到前缘剪出口其切线倾角服从由大逐渐变小的连续变化规律，对过大的监测点位移矢量倾角θi进行内部差值修正，差值修正的方法采用二等均分差值修正，其为取相邻监测点i、i-1坡面中点的差值倾角
作为内部修正切线倾角，再利用前面步骤（4）-（6）做此相邻监测点的非圆弧滑移面；若差值修正之后位移矢量倾角之差不满足上述要求，应在原来差值的基础上进行二次差值修正，直到满足上述要求，最后获得的整个非圆弧滑移面曲线即为所得真实滑移面。
将确定的非圆弧滑移面作为边坡整体最不稳定非圆弧滑移面，并以此从边坡后缘破裂壁到前缘剪出口在水平轴方向取一定距离对坡体进行垂直均匀等距离条分，以每段土条对应圆弧的中点作为条块各力作用合力作用点，其切线角为土条滑移面倾角，运用极限平衡分析法对边坡所处稳定状态进行评价。
对评价得出不稳定性的非圆弧滑移面边坡，以该方法所确定的非圆弧滑移面的空间位置与形状作为边坡稳定性防治方案与方法（挡墙、桩、锚杆的深度、材料等要求）的设计依据。
本发明方法的理论基础与依据如下：
1.根据“最小能量原理”中的均质边坡沿圆弧面能力损失最小原则，所确定的边坡滑移面为连续光滑曲面，曲面切线倾角连续变化且不发生突变；
2.根据边坡滑移面形成规律，其后缘张裂缝和前缘剪出口即是滑坡滑移面重要的组成部分，且滑移面从后缘破裂壁到前缘剪出口其倾角服从由大逐渐变小的连续变化规律；
3.坡体沿滑移面做整体滑移，监测点位移方向的正交垂直线上的坡体内所有位置的位移矢量角为一常量，不随深度而变化；
4.滑移面和正交垂直线交点处的切线方向与监测点处的位移矢量方向相同；
5.滑坡后缘破裂壁处和前缘剪出口处滑移面深度与曲率为已知或可以测量确定。
本发明方法既不需要假定初始滑面也无需设定滑面事先经过的特征点，仅依照观测点位移矢量数据和后缘破裂壁位置形状及前缘剪出口位置信息综合确定边坡滑移面，不再局限于以往单个滑动圆弧、圆心来确定滑坡体的滑面位置；同时，本发明以边坡外在变形客观性数据为主要依据，可以很好地反映和揭示边坡位移和后缘破裂壁及前缘剪出口产状与滑面形成的内在联系与相互关系，且测定方法简单明了，对于确定复杂边坡非圆临界滑移面具有着重要和广泛的应用价值。
附图说明
图1为本发明的确定滑坡滑移面流程示意图；
图2为确定滑坡滑移面位置示意图；
图3深度边缘点处滑移面要求示意图；
图4材料刚体转动分析剖析示意图；
图5监测边坡主轴剖面及监测点设置示意图；
图6为完整主轴线滑移面位置示意图；
图7为监测边坡临滑滑移面示意图。
图中：1.位移监测点；2.总位移矢量；3.位移矢量的垂线；4.滑体后缘破裂壁；5.前缘剪出口；6.分段圆弧圆心；7.分段圆弧滑移面位置；8.滑坡体；9.滑动刚体。
具体实施方式
本发明的利用位移监测测定边坡非圆弧滑移面的方法，包括如下步骤：
（1）边坡滑移面特征位置和参数的勘察与测绘：采用经纬仪或全站仪测定滑坡后缘张裂缝和前缘剪出口5的分布位置，并采用卷尺和罗盘仪测量纵向张裂缝宽度与横向分布长度及破裂壁裸露深度及对应点处弧线切线方向，确定破裂壁深部边缘点位置及弧线切线方向；前缘剪出口5处倾角方向利用坑探或者钻探勘察工具确定；
（2）滑坡主滑移面位移监测点设置：选择后缘破裂壁最宽处为主滑移面位置，在滑坡坡面主轴线上从前缘到后缘依次设置[N]=L/M个滑坡位移监测点，其中[N]取整数，L为滑坡从前缘到后缘的坡面距离，M为相邻两个监测点之间的坡面距离；
（3）滑坡位移监测数据的采集与处理：每隔5-10天测量滑坡位移监测点水平及竖直方向位移变形，计算位移变形与水平方向的夹角，得到总位移矢量2，并整理成最终数据表格；
（4）绘制滑坡主轴剖面图：利用步骤（3）中滑坡位移监测数据、滑坡前缘剪出口5位置、位移监测点位置绘制主轴剖面图，然后在剖面图上绘制出各个测点相应的总位移矢量2方向，并从各个测点向滑体内、外部做出相应位移矢量的垂线3，外部延长线交点为相邻两观测点之间分段滑坡体8的滑动圆心Oi，，即分段圆弧圆心6；
（5）确定滑体分布圆心及滑移面位置：从滑体后缘破裂壁4开始，按照出露滑移面的倾角趋势，做其深部边缘点J0处切线的正交垂线，并与滑坡后缘第一个监测点位移矢量的正交垂线相交于点O0，随后以点J0与圆心O0之间距离为半径，以O0为圆心做相应滑坡体8内部弧线即滑移面V0，并与滑坡后缘第一个监测点位移矢量的正交垂线相交于点J1，此时绘出的滑面与相邻测点的位移矢量的正交垂线相垂直；
（6）绘制完整主轴线滑移面位置：在步骤（5）的基础上，以点J1与圆心O1之间距离为半径，以O1为圆心做相应滑坡体8内部弧线即滑移面V1，并与下一监测点位移矢量的正交垂线相交于点J2，然后按上述步骤依次逐个绘制分段圆心Oi-1对应滑移面Vi-1，此时绘出的滑面与各个测点的位移矢量的正交垂线相垂直；根据边坡岩土体结构剪出口点处的切线方向做其正交垂线与交线Oi-1Ji与Oi，然后以OiJi为半径，为Oi圆心做圆内部圆弧线，此时按照上述方法绘制所得曲线为主轴线滑移面，整个滑移面曲线即为所得真实滑移面；
（7）对主轴线滑移面进行修正，具体包括：在相邻测点间距过大的情况下，相邻两监测点之差根据滑移面的总体形态和坡面位置特征及滑移面从后缘破裂壁到前缘剪出口其切线倾角服从由大逐渐变小的连续变化规律，对过大的监测点位移矢量倾角θi进行内部差值修正，差值修正的方法采用二等均分差值修正，其为取相邻监测点i、i-1坡面中点的差值倾角
作为内部修正切线倾角，再利用前面步骤（4）-（6）做此相邻监测点的非圆弧滑移面；若差值修正之后位移矢量倾角之差不满足上述要求，应在原来差值的基础上进行二次差值修正，直到满足上述要求，最后获得的整个非圆弧滑移面曲线即为所得真实滑移面。
为更直观介绍本发明，下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步阐述。
本实例滑坡位于长江三峡库区某县区，距离长江北岸1500m，坡面主剖面前后距离约100m，平均坡度为35-45°，自出现滑动迹象以来，工程人员已在其滑坡上设置多个位移监测点，并在滑坡上进行了相关勘察工作，发现该滑坡具有后缘破裂壁、前缘剪出口5等特征，表明处于整体滑移阶段，相邻监测点之间的滑动土体可视为滑动刚体9（原理如图4所示），符合采用本发明方法。其具体步骤如下：
（1）边坡滑移面特征位置和参数的勘察与测绘：采用经纬仪或全站仪测定滑坡后缘张裂缝和前缘剪出口5的分布位置，并采用卷尺和罗盘仪测量纵向张裂缝宽度与横向分布长度及破裂壁裸露深度及对应点处弧线切线方向，即确定破裂壁深部边缘点位置及弧线切线方向；前缘剪出口5处倾角方向利用坑探或者钻探勘察工具确定。结果为测量后缘破裂壁角度为起始点处86°到深度边缘点处76°，深度为3.20m；
（2）滑坡主滑移面位移监测点设置：选择后缘破裂壁最宽处为主滑移面位置，在滑坡坡面主轴线上从前缘到后缘依次设置[N]=L/M=100m/15m=6个滑坡位移监测点，其中[N]取整数，则有N1～N6共6个位移监测点；L为滑坡从前缘到后缘的坡面距离，按实际距离用卷尺量取，单位m；M为相邻两个监测点之间的坡面距离，按滑坡大小和监测要求选择15m；
（3）滑坡位移监测数据的采集与处理：采用全站仪每隔一段时间T=10天，经过三个周期的监测，获得滑坡位移监测点水平及竖直位移变形，通过微软Excel软件计算和整理获得下表1数据；
表1N1～N6观测点三个周期位移数据处理值
| 观测点 | N1 | N2 | N3 | N4 | N5 | N6 |
| △x | 0.1210 | 0.1100 | 0.1490 | 0.1320 | 0.1090 | 0.0890 |
| △y | 0.4185 | 0.2866 | 0.1852 | 0.6721 | 0.0039 | -0.0241 |
| arctan（y/x） | 74° | 69° | 51° | 29° | 2° | -15° |
其中：△x、△y分别为滑坡主剖面上监测点的水平与垂直位移变化，其正负号分别表示滑坡下降和上升。
（4）绘制滑坡主轴剖面图：利用上步中滑坡位移监测数据、滑坡前缘剪出口5位置、位移监测点位置在AUTO CAD上绘制主轴剖面图，然后在剖面图上绘制出各个测点相应的总位移（累计位移）矢量方向，并从各个测点向滑体内、外部做出相应位移矢量的正交垂线，外部延长线交点为相邻两观测点之间分段滑坡体8的滑动圆心θi；
（5）确定滑体分部圆心及滑移面位置：从滑体后缘破裂壁4开始，按照出露滑移面的倾角趋势，做其深部边缘点J0处切线的正交垂线，并与滑坡后缘第一个监测点位移矢量的正交垂线相交于点O0，随后以点J0与圆心O0之间距离为半径，以O0为圆心做相应滑坡体8内部弧线即分段圆弧滑移面位置7，并与滑坡后缘第一个监测点位移矢量的正交垂线相交于点J1，此时绘出的滑面与相邻测点的位移矢量的正交垂线相垂直；
（6）绘制完整主轴线滑移面位置：在步骤4的基础上，以点J1与圆心O1之间距离为半径，以O1为圆心做相应滑坡体8内部弧线即滑移面v1，并与下一监测点位移矢量的正交垂线相交于点J2，然后按上述步骤依次逐个绘制分段圆心θ5对应滑移面v5，此时绘出的滑面与各个测点的位移矢量的正交垂线相垂直；根据边坡岩土体结构剪出口点处的切线方向做其正交垂线与线θ5J6交与θ6，然后以θ6J6为半径，为θ6圆心做圆内部圆弧线，此时按照上述方法绘制所得曲线为主轴线滑移面；
（7）该方法还包括对主轴线滑移面进行修正，具体包括：在相邻测点位移矢量倾角之差过大的情况下，相邻两监测点之差
根据滑移面的总体形态和坡面位置特征及滑移面从后缘破裂壁到前缘剪出口其切线倾角服从由大逐渐变小的连续变化规律，对过大的监测点位移矢量倾角θi进行内部差值修正，差值修正的方法采用二等均分差值修正，其为取相邻监测点i、i-1坡面中点的差值倾角
作为内部修正切线倾角，再利用前面步骤（4）-（6）做此相邻监测点的非圆弧滑移面；若差值修正之后位移矢量倾角之差不满足上述要求，应在原来差值的基础上进行二次差值修正，直到满足上述要求，最后获得的整个非圆弧滑移面曲线即为所得真实滑移面；
（8）非圆弧滑移面边坡的稳定性评价：将上步中所确定的非圆弧滑移面作为边坡整体最不稳定非圆弧滑移面，并以此从边坡后缘破裂壁到前缘剪出口5在水平X轴方向取距离b（单位m）对坡体进行垂直均匀等距离条分，以每段土条对应圆弧的中点作为条块各力作用合力作用点，其切线角为土条滑移面倾角。运用极限平衡分析法（简布法、不平衡推力法等）对边坡所处稳定状态进行评价。
（9）非圆弧滑移面边坡的稳定性防治：对不稳定性的非圆弧滑移面边坡，以该方法所确定的非圆弧滑移面的空间位置与形状作为边坡稳定性防治方案与方法（挡墙、桩、锚杆等）的设计依据。
所求滑移面的位置和形状与该滑坡实地勘查结果基本相吻合，也为其边坡稳定性防治提供设计依据，这表明了可以运用本发明方法测定复杂地质条件边坡的任意形状滑移面，并具有有效的推广使用价值。
Claims (3)
1.一种利用位移监测测定边坡非圆弧滑移面的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）边坡滑移面特征位置和参数的勘察与测绘：采用经纬仪或全站仪测定滑坡后缘张裂缝和前缘剪出口的分布位置，并采用卷尺和罗盘仪测量纵向张裂缝宽度与横向分布长度及破裂壁裸露深度及对应点处弧线切线方向，确定破裂壁深部边缘点位置及弧线切线方向；前缘剪出口处倾角方向利用坑探或者钻探勘察工具确定；
（2）滑坡主滑移面位移监测点设置：选择后缘破裂壁最宽处为主滑移面位置，在滑坡坡面主轴线上从前缘到后缘依次设置[N]=L/M个滑坡位移监测点，其中[N]取整数，L为滑坡从前缘到后缘的坡面距离，M为相邻两个监测点之间的坡面距离；
（3）滑坡位移监测数据的采集与处理：每隔5-10天测量滑坡位移监测点水平及竖直方向位移变形，计算位移变形与水平方向的夹角，得到总位移矢量，并整理成最终数据表格；
（4）绘制滑坡主轴剖面图：利用步骤（3）中滑坡位移监测数据、滑坡前缘剪出口位置、位移监测点位置绘制主轴剖面图，然后在剖面图上绘制出各个测点相应的总位移矢量方向，并从各个测点向滑体内、外部做出相应位移矢量的正交垂线，外部延长线交点为相邻两观测点之间分段滑坡体的滑动圆心Oi；
（5）确定滑体分布圆心及滑移面位置：从滑体后缘破裂壁开始，按照出露滑移面的倾角趋势，做其深部边缘点J0处切线的正交垂线，并与滑坡后缘第一个监测点位移矢量的正交垂线相交于点O0，随后以点J0与圆心O0之间距离为半径，以O0为圆心做相应滑坡体内部弧线即滑移面V0，并与滑坡后缘第一个监测点位移矢量的正交垂线相交于点J1，此时绘出的滑面与相邻测点的位移矢量的正交垂线相垂直；
（6）绘制完整主轴线滑移面位置：在步骤（5）的基础上，以点J1与圆心O1之间距离为半径，以O1为圆心做相应滑坡体内部弧线即滑移面V1，并与下一监测点位移矢量的正交垂线相交于点J2，然后按上述步骤依次逐个绘制分段圆心Oi-1对应滑移面Vi-1，此时绘出的滑面与各个测点的位移矢量的正交垂线相垂直；根据边坡岩土体结构剪出口点处的切线方向做其正交垂线与交线Oi-1Ji与Oi，然后以OiJi为半径，为Oi圆心做圆内部圆弧线，此时按照上述方法绘制所得曲线为主轴线滑移面，整个滑移面曲线即为所得真实滑移面。
2.根据权利要求1所述的利用位移监测测定边坡非圆弧滑移面的方法，其特征在于，该方法还包括对主轴线滑移面进行修正，具体包括：在相邻测点位移矢量倾角之差过大的情况下，相邻两监测点之差
根据滑移面的总体形态和坡面位置特征及滑移面从后缘破裂壁到前缘剪出口其切线倾角服从由大逐渐变小的连续变化规律，对过大的监测点位移矢量倾角θi进行内部差值修正，差值修正的方法采用二等均分差值修正，其为取相邻监测点i、i-1坡面中点的差值倾角
作为内部修正切线倾角，再利用前面步骤（4）-（6）做此相邻监测点的非圆弧滑移面；若差值修正之后位移矢量倾角之差不满足上述要求，应在原来差值的基础上进行二次差值修正，直到满足上述要求，最后获得的整个非圆弧滑移面曲线即为所得真实滑移面。
3.根据权利要求2所述的利用位移监测测定边坡非圆弧滑移面的方法，其特征在于，将确定的非圆弧滑移面作为边坡整体最不稳定非圆弧滑移面，并以此从边坡后缘破裂壁到前缘剪出口在水平轴方向取一定距离对坡体进行垂直均匀等距离条分，以每段土条对应圆弧的中点作为条块各力作用合力作用点，其切线角为土条滑移面倾角，运用极限平衡分析法对边坡所处稳定状态进行评价，对评价得出不稳定性的非圆弧滑移面边坡，以该方法所确定的非圆弧滑移面的空间位置与形状作为边坡稳定性防治方案与方法的设计依据。
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