利用剩余下滑力反算岩土体的抗剪强度指标

利用剩余下滑力反算岩土体的抗剪强度指标

蔡朝霞

深圳市岩土综合勘察设计有限公司    广东深圳    518172

摘要：在滑坡的稳定性评估中，岩土体的抗剪强度指标内摩擦角φ和粘聚力c至关重要。本文探讨了采用理正岩土软件，利用剩余下滑力近于0反算内摩擦角φ和粘聚力c。通过反算法，基于滑坡体的几何形状、地下水条件、土的力学性质等因素，综合考虑试验和经验取值，可以推算出已发生滑坡的岩土体抗剪强度指标。该研究对地质灾害危险性评估中的滑坡稳定性计算具有重要参考意义。

关键词：滑坡；剩余下滑力；反算；内摩擦角；粘聚力

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1、引言

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地质灾害是指在自然或者人为因素作用下形成的，对人类生命财产、环境造成破坏和损失的地质作用（现象）[1]。滑坡是斜坡上的土体或者岩体，受河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或者软弱带，整体地或者分散地顺坡向下滑动的自然现象[1]。滑坡的发生是某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度所致，往往具有突然性和不可预测性，给人们的生产和生活带来极大的不便和损失。

在滑坡的地质灾害危险性评估中，需要采用滑坡体的抗剪强度指标对滑坡的稳定性进行评价，以便采取相应的防治措施。

2、内摩擦角φ和粘聚力c

岩土体的抗剪强度指标主要包括内摩擦角φ和粘聚力c。内摩擦角是反映土或岩石内部各颗粒之间内摩擦力大小的参数，是土或岩石抗剪强度指标之一。内摩擦角的大小决定了土或岩石抵抗剪切破坏的能力，内摩擦角越大，土或岩石的强度就越高，越不容易发生滑坡等地质灾害。粘聚力是土体内部的初始聚合力，类似于胶水的粘力，可以把松散的土颗粒粘合成一个整体。粘聚力的大小也会影响土体的稳定性，粘聚力越大，土体的整体性越好，越不容易发生滑坡等地质灾害。因此，计算内摩擦角和粘聚力有助于评估土或岩石的稳定性，预测滑坡等地质灾害的可能性。

目前确定内摩擦角φ和粘聚力c的方法主要有实验方法和理论分析方法。实验方法包括直接剪切试验，单轴压缩试验，三轴压缩试验等；理论分析方法常采用摩尔-库仑理论和数值模拟方法等。

对于滑坡的稳定性分析评价，参数的选择往往比计算方法的选择更为重要，岩土体抗剪强度细微的变化会导致下滑力巨大的改变[2]。因此，对于已发生滑坡的地质灾害危险性评估，一般以室内试验为基础，同时采用反算法等多种方法进行综合分析，以合理确定抗剪强度指标。

3、反算法

当已知滑坡体的几何形状、自重、地下水条件等因素时，可以计算滑坡体所受的下滑力和抗滑力。而剩余下滑力就是指滑坡体在下滑过程中，下滑力（由重力沿滑动面的分力产生的）与抗滑力（由滑动面上的摩擦力、粘聚力等产生的）之间的差值。当剩余下滑力大于0时，滑坡体将继续滑动；当剩余下滑力小于或等于0时，滑坡体将停止滑动或达到稳定状态。当然，对于一个停积的滑坡是没有剩余下滑力的。除此之外，滑坡产生的剩余下滑力大小与滑坡的安全系数有关[3]。

根据《广东省地质灾害危险性评估实施细则》（2023年修订版）第三十三条，一级评估应采用半定量以上评价指标，量化指标见表1[4]。目前工程上多采用极限平衡法计算滑坡稳定性和计算滑坡推力，其中的稳定系数为抗滑力与下滑力之间的比值，用于量化滑坡体的稳定性程度[3]。

表1 滑坡评估要素表

对于正处在滑动状态或已发生滑动的边坡，由于地质条件和岩土性质的差别很大，不同滑坡体的粘聚力c、内摩擦角φ差别较大。取样试验因取样代表性、试验方法等问题也会导致数值分散，故至今国内外均是参考试验值并结合经验值，用反算法求主滑段粘聚力ct、内摩擦角φt值。具体方法如下：

（1）计算剖面恢复滑动前地形，做条分模型；

（2）选取饱和、残余剪或重塑剪的粘聚力c值作为主滑面的ct值；反算主滑面的内摩擦角φt值；

（3）在理正岩土滑坡稳定性计算模块中，利用计算剩余下滑力功能，对滑坡体各条块赋值；

（4）假定滑坡滑动时安全系数小于1.0，一般视情况取0.95~0.99，用不同的φ值（采用两分法）试算剩余下滑力，当所计算的剩余下滑力近于或等于0时，所赋φ值即为φt值。

4、工程实例

本文通过一个实例，采用理正岩土软件对已经发生滑坡的粘聚力c、内摩擦角φ值进行反算，作为滑坡地质灾害危险性评估的参考指标。

4.1 计算原理[5]

理正岩土边坡稳定分析软件中所采用的滑坡推力计算有两种方法：扩大下滑力方法（简称KT模型一也叫显式）及降低抗剪强度方法（简称R/K模型-也叫隐式）。

KT模型及R/K模型，安全系数K=1.0时，两者计算结果相同。KT模型相对比较简单，方便手工计算，有些规范、规程推荐应用。R/K模型，符合强度计算理论但由于传递系数中也含有K值，需要迭代计算，计算比较麻烦，不适于手工计算。在计算中，若第i滑面无孔隙水压力，则取ui=0即可；若某个土条计算的剩余下滑力小于0，该土条剩余下滑力取为0。在剩余下滑力计算中，除自重荷载外，还有外荷载、地震作用、渗透水作用以及抗滑锚杆作用，此次算例中未涉及。

滑坡上的土条从上到下编号（见图1），剩余下滑力的计算简图见图2，采用传递系数法分析其稳定性。

剩余下滑力计算的基本假定如下：①每个土条为刚体，不挤压，不脱开；②每个土条的剩余下滑力方向平行于条柱底滑面；③每个土条底滑面为一平面，该平面为条柱底面中心点的切平面；④ 每个土条间只有一个剩余下滑力。

图1 滑坡土条划分示意图

图2 剩余下滑力计算简图

图中，Wi一第i土条的自重重力（kN）；

αi一第i土条滑面与水平面的夹角（°），从水平面到滑面逆时针为正；

αi-1一第i-1土条滑面与水平面的夹角（°）；

Ni一第i土条滑面的法向力（kN）；

Ti一第i土条滑面的抗滑力（kN）；

Ei一第i土条的剩余下滑力的反作用力（kN）；

Ei-1一第i-1土条的剩余下滑力（kN）；

bi一第i土条的土条宽度（m）。

4.2 算例

根据野外钻探揭露，已发生滑坡的主滑断面如图3所示，其几何参数见表2。

图3 滑坡体的主滑断面

表2 断面的几何参数表

在理正岩土软件中输入指定的安全系数和粘聚力c，根据剩余下滑力近于0，计算出的内摩擦角φ见表3。

表3 剩余下滑力近于0的粘聚力c、内摩擦角φ

根据表3可知，当粘聚力c一定时，根据剩余下滑力近于0计算出来的内摩擦角φ随着安全系数的增加而增加。在地质灾害危险性评估中，一般根据经验对粘聚力c进行取值（可根据实际情况分段取值），反算出相应的内摩擦角φ，以此来评估滑坡的稳定性。

5、结语

采用剩余下滑力近于0来反算滑坡体的粘聚力c和内摩擦角φ，是地质灾害危险性评估中经常采用的一种方法。此方法结合了力学平衡分析和试算过程，通过反算得到内摩擦角和粘聚力的值。

需要注意的是，这种方法的结果可能受到多种因素的影响，如滑坡体的几何形状、地下水条件、土的力学性质等。因此，在实际应用中需要综合考虑各种因素，并进行合理的假设和判断。

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参考文献

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[1]地质灾害调查与评价（第2版）［M］.马锁柱，李玲玲.郑州：黄河水利出版社，2018.

[2]刘动，陈晓平.滑带土残余强度的室内试验与参数反分析［J］.华南理工大学学报(自然科学版)，2014，42(2):81-87．

[3]李同录，赵成，付昱凯.滑坡稳定性及推力计算中的几个概念解析［C］.广州：中国地质学会工程地质专业委员会2006年学术年会暨“城市地质环境与工程”学术研讨会，2006.

[4]广东省地质灾害危险性评估实施细则（2023年修订版）［S］.广州：广东省地质灾害防治协会，2021.

[5]理正岩土使用手册（抗滑桩部分）［M］.北京：北京理正软件股份有限公司，2010.

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