CN108984821B - 基于降雨诱发变形的结构面控制边坡稳定性评价方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种基于降雨诱发变形的结构面控制边坡稳定性评价方法。该方法包括对待评价结构面控制边坡进行滑坡调查、对待评价边坡的潜在滑体进行受力分析、建立坡体抗滑力计算模型等步骤。该方法结合现场变形监测资料，可对结构面控制边坡的实时稳定性状态进行动态判别。根据滑体计算位移的收敛性，可对结构面控制岩质边坡的长期稳定性进行一定的预测。

Description

基于降雨诱发变形的结构面控制边坡稳定性评价方法

技术领域

本发明涉及地质灾害预测预报技术领域，特别涉及一种坡体滑动位移的建模方法。

背景技术

岩质高边坡失稳问题无论是时间上还是空间上，分布都十分广泛。自滑坡问题开始研究以来，各国学者均集中于边坡稳定性的分析与评价，同时提出了许多定量计算方法，如圆弧滑动法、瑞典法、毕肖普法等，在边坡工程的设计施工中得到了广泛的应用。实际工程当中，通常采用边坡稳定性安全系数作为边坡工程设计施工的控制条件，而边坡位移(包括侧向和竖向变形)的监控则是保证边坡稳定的关键。目前边坡的现场监测也是边坡稳定研究、滑坡灾害预警的一种主要手段，很多研究者也提出了一系列边坡变形监测和处理的方法。然而，我国滑坡灾害的广泛分布。工程防治、机理研究、预测预报等问题亟待解决，且几乎各项工作都有赖于滑坡的监测数据来开展。现有技术中边坡变形理论计算方法主要集中于工程数值方法或根据实测值进行经验估算。这类方法可靠性较低，且与实际情况存在较大差异。

因此，建立无支护边坡坡体变形理论计算方法，提出基于该变形过程的边坡稳定性评价方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于降雨诱发变形的结构面控制边坡稳定性评价方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，基于降雨诱发变形的结构面控制边坡稳定性评价方法，包括以下步骤：

1)对待评价结构面控制边坡进行滑坡调查。

2)对待评价边坡的潜在滑体进行受力分析。

3)建立如式(1)所示的降雨后潜在滑体抗滑力计算模型。

式中，F_R＇为降雨后的结构面抗滑力，N。k＇为降雨后的结构面剪切刚度，Pa/m。L为结构面长度，m。u为潜在滑体位移距离，m。u₁为塑性流动阶段起始位移，m。u₀潜在滑体运动过程的计算起点，m。

4)构建如式(2)所示的结构面控制边坡潜在滑体位移方程。

式中，

m′为饱和状态下的潜在滑体质量，kg。t₁为开始发生塑性剪切变形的起始时间，s。W′为饱和状态下的潜在滑体自重，N。β为结构面倾角，°。

5)通过式(2)计算位移的收敛性，对待评价结构面控制边坡进行稳定性评价。

进一步，步骤1)中所述滑坡调查包括确定滑坡区域范围，采集并汇总滑坡变形特征数据和水文及地质工程条件数据。

进一步，所述水文及地质工程条件包括地质地貌数据、岩土物理与力学性能数据、地应力数据、气象水文数据，以及边坡附近的施工作业数据。

进一步，步骤5)之后，还具有通过将现场实测位移值与理论计算结果进行对比，确定边坡所处的稳定性状态及变形阶段，并选择合适的时机和方式进行边坡的加固处理的相关步骤。

进一步，降雨后潜在滑体的自重如式(3)所示：

式中，γ′为潜在滑体的饱和重度，N/m³。h为张裂隙深度，m。α为待评价结构面控制边坡坡面倾角，°。

进一步，潜在滑体运动过程的计算起点u₀如式(4)所示。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.结合现场变形监测资料，可对降雨条件下结构面控制边坡的实时稳定性状态进行动态判别；

B.可对结构面控制边坡所处的稳定性阶段进行确定，对于如何采取加固防护措施避免由降雨引起的边坡失稳灾害事故具有一定的理论指导意义；

C.可对结构面控制边坡潜在滑体位移发展趋势进行预测，同时根据滑体计算位移的收敛性，可对结构面控制岩质边坡的长期稳定性进行一定的预测。

附图说明

图1为评价方法流程图；

图2为潜在滑体位移计算示意图；

图3为降雨条件下的岩体结构面夹层材料剪切本构模型；

图4为潜在滑体位移计算结果示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例针对目前无支护边坡变形理论计算方法缺失，根据实测值进行经验估算可靠度又较低的现状，公开一种降雨条件下的结构面控制边坡稳定性评价方法，对上部危岩块体的滑动过程进行计算，以确定其稳定状态并预测其位移。

在本实施例中，选取重庆市某路堑边坡为结构面控制岩质边坡。该坡体在连日强降雨的影响下，稳定性下降，靠近坡脚位置部分岩体发生崩滑失稳，规模约为2000m³，导致上部岩体临空形成危岩块体，坡顶卸荷带存在张裂隙，现对上部临空危岩体的稳定性进行分析。参见图1，降雨条件下的结构面控制边坡稳定性评价方法包括以下步骤：

1)对待评价结构面控制边坡进行滑坡调查。确定滑坡区域范围，采集并汇总滑坡变形特征数据和水文及地质工程条件数据。其中，所述水文及地质工程条件包括地质地貌数据、岩土物理与力学性能数据、地应力数据、气象水文数据，以及边坡附近的施工作业数据。经现场调查和综合分析，本实施例中边坡上部为砂岩，下部整体为泥岩，砂岩与泥岩接触面存在软化层，为该岩质边坡主控结构面。根据现场勘察所得结果，上部砂岩重度γ为24.2×10³N/m³，基底以下砂泥岩层面天然状态下内摩擦角

为13.5°，黏聚力c为31.0×10³Pa，饱和状态下内摩擦角

为11°，黏聚力c′为20.0×10³Pa。此外，坡高29.0m，坡角α为45.0°，临空高度13.5m，张裂隙深度h为17.025m，结构面滑动长度L为29.0m，结构面倾角为15.0°，结构面天然状态弹性变形阶段的剪切刚度k取6×10⁶Pa/m，饱和状态下弹性变形阶段的剪切刚度k`取4.65×10⁶Pa/m。

2)由降雨导致结构面夹层材料剪切刚度降低作为边坡变形的起动力，对待评价边坡的潜在滑体进行受力分析。

选择边坡走向单位长度的坡体进行研究，以结构面和张裂隙交点为原点，沿结构面及其法向建立坐标系，则结构面控制边坡概化为图2所示地质模型。

结构面控制边坡潜在滑体位移计算起始点由式(1)计算得到。

式中，W为潜在滑体自重，N。β为结构面倾角，°。k为剪切刚度，Pa/m。L为结构面长度，m。

3)计算潜在滑体的自重，并建立坡体抗滑力计算模型。

降雨条件下的岩体结构面夹层材料剪切本构模型如图3所示，降雨前结构面抗滑力计算本构方程为：

式中，F_R为抗滑力，N。k为剪切刚度，Pa/m。L为结构面长度，m。u为潜在滑体位移距离，m。u₁为塑性流动阶段起始位移，m。考虑由于降雨入渗，结构面中泥质胶结物和可溶盐类胶结物强度迅速降低，强度软化明显，导致结构面抗剪能力迅速下降，材料剪切模量降低。此时，结构面本构方程可以写为，

式中，k′为降雨后的结构面剪切刚度，Pa/m。

由于降雨入渗，一方面减弱了结构面的抗剪能力，导致抗滑力降低，另一方面增大了潜在滑体自重，导致下滑力增加。此时的潜在滑体自重为：

式中，W′为饱和状态下的潜在滑体自重，N。γ′为潜在滑体的饱和重度，N/m³。h为张裂隙深度，m。β为结构面倾角，°。α为待评价结构面控制边坡坡面倾角，°。此时的抗滑力峰值为：

式中，σ′为饱和状态下结构面法向压力，Pa。

为饱和状态下结构面的内摩擦角，°。c′为饱和状态下的黏聚力，Pa。整理(5)式可以得到：

在降雨开始之前，边坡处于稳定状态，即结构面位置抗滑力与下滑力相等，此时应力状态处于(u₀,F)点，降雨过后，潜在滑体应力状态处于(u₀,F-ΔF)点。该方法对潜在滑体运动过程的计算起点u₀可通过式

进行计算。下滑力F为潜在滑体重力的结构面方向的分力，即

F＝W′sinβ (7)

此时结构面能够提供的抗滑力计算模型变为：

4)从运动学角度，构建待评价结构面控制边坡潜在滑体滑动位移模型。两个阶段结构面能够提供的抗滑力是不同的。因此，潜在滑体的位移过程模型需要分为两个阶段分别进行计算。

①对于u∈[0,u₁-u₀)段

在时间微元dt内，潜在滑块运动满足牛顿第二定律，即

即

在时间微元dt内，潜在滑体运动满足牛顿第二定律，将(7)、(8)式代入方程(10)得：

式中，m′为饱和状态下的潜在滑体质量。令

则方程(12)可以整理为：

其中，潜在滑体滑动计时开始时，其位移和速度均为0。因此，降雨条件引起的潜在滑体位移过程可用下面的方程进行描述。

自此，降雨导致的潜在滑体滑动问题转化为常微分方程的初值问题，其中(14)式的控制方程为常系数二阶非齐次线型常微分方程，上式方程通解为：

其中，

是(15)式对应的齐次方程

的通解，u^*是原非齐次方程的特解。首先对

进行求解，由(16)式可以得到其特征方程为

r²+A＝0 (17)

上式特征方程有一对共轭复根

因此，方程(16)的通解可以写作如下形式，

其中，C₁、C₂为积分常数。下面对其特解u^*进行求解，假设非齐次项的形式为，

f(t)＝e^λtP_m(t) (20)

则，

由于λ＝0不是特征方程(17)的根，因此，原非齐次方程的特解可以写为

u^*＝C₃ (22)

将其代入(14)式的控制方程容易得到，

因此，将(19)、(23)式代入(15)式，非齐次方程的通解可以写为，

由初始条件u(0)＝0，可以得到，

由初始条件

可以得到，

C₂＝0 (26)

因此，可得到方程(14)的通解为，

其中，A、B可由(12)式进行计算。上式即为u∈[0,u₁-u₀)条件下的潜在滑体位移方程。

②对于u∈[u₁-u₀,+∞)段

首先计算方程(27)在u＝u₁-u₀点处的历时及速度，以作为该段潜在滑体位移方程建立的初始条件。将u＝u₁-u₀代入到方程(27)得，

由方程(27)可以得到潜在滑体任意时刻的滑动速度为：

在t＝t₁时刻，

式中，t₁可根据方程(28)计算获得。理想弹塑性模型在该位移阶段所提供的抗滑力为定值，因此潜在滑体在该段的位移将速度为定值，该阶段的运动方程可以直接给出为：

降雨条件引起的结构面控制边坡潜在滑体位移方程为：

将其均转换为水平位移，则

5)根据步骤4)所述滑动位移模型，计算得到潜在滑体的位移过程曲线。在本实施例中潜在失稳危岩体位移过程曲线如图4所示。根据潜在滑体计算位移的收敛性，可对其进行稳定性评价。

6)通过将现场实测位移值与理论计算结果进行对比，可以确定边坡所处的稳定性状态及变形阶段，可据此选择合适的时机和方式进行边坡的加固处理。

值得说明的是，本实施例从降雨导致岩质边坡失稳的诱发因素出发，以结构面材料剪切刚度的降低作为边坡失稳变形的起动力，对典型结构面控制岩质边坡潜在失稳块体进行受力分析，建立了坡体位移运动方程，实现从坡体位移的角度对结构面控制边坡的长期稳定性进行数学描述。比较其他计算手段，此方法能够对降雨引起的岩质边坡上部潜在失稳岩体滑动位移过程进行定量描述，并且可以对其长期稳定性进行预测，结合施工现场位移监测资料，能够对边坡稳定性状态进行评价，同时可为实际工程中岩质边坡加固时间及方式的选择提供借鉴，具有一定的实用价值。在一定程度上能够较为准确地判断边坡稳定性并预测长期强度。

Claims (4)

1.基于降雨诱发变形的结构面控制边坡稳定性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对待评价结构面控制边坡进行滑坡调查；

2)对待评价边坡的潜在滑体进行受力分析；选择边坡走向单位长度的坡体进行研究，以结构面和张裂隙交点为原点，沿结构面及结构面法向建立坐标系；结构面控制边坡潜在滑体位移计算起始点由式(1)计算得到；

式中，W为潜在滑体自重，N；β为结构面倾角，°；k为剪切刚度，Pa/m；L为结构面长度，m；

3)计算潜在滑体的自重，建立如式(2)所示的降雨后潜在滑体抗滑力计算模型；

式中，F_R＇为降雨后的结构面抗滑力，N；k＇为降雨后的结构面剪切刚度，Pa/m；L为结构面长度，m；u为潜在滑体位移距离，m；u₁为塑性流动阶段起始位移，m；u₀潜在滑体运动过程的计算起点位移，m；

降雨后潜在滑体的自重如式(3)所示；

式中，W′为饱和状态下的潜在滑体自重，N；γ′为潜在滑体的饱和重度，N/m³；h为张裂隙深度，m；α为待评价结构面控制边坡坡面倾角，°；

4)构建如式(4)所示的结构面控制边坡潜在滑体位移方程；

式中，

m′为饱和状态下的潜在滑体质量，kg；t为时间，s；t₁为开始发生塑性剪切变形的起始时刻，s；W′为饱和状态下的潜在滑体自重，N；β为结构面倾角，°；

5)通过式(4)计算位移的收敛性，对待评价结构面控制边坡进行稳定性评价。

2.根据权利要求1所述的基于降雨诱发变形的结构面控制边坡稳定性评价方法，其特征在于：步骤1)中所述滑坡调查包括确定滑坡区域范围，采集并汇总滑坡变形特征数据和水文及地质工程条件数据。

3.根据权利要求2所述的基于降雨诱发变形的结构面控制边坡稳定性评价方法，其特征在于：所述水文及地质工程条件包括地质地貌数据、岩土物理与力学性能数据、地应力数据、气象水文数据，以及边坡影响范围内的施工作业数据。

4.根据权利要求2所述的基于降雨诱发变形的结构面控制边坡稳定性评价方法，其特征在于：步骤5)之后，还具有通过将现场实测位移值与理论计算结果进行对比，确定边坡所处的稳定性状态及变形阶段，并选择合适的时机和方式进行边坡的加固处理的相关步骤。

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