譚福林，胡新麗，張玉明，何春燦，章 涵

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院， 武漢 430074

0 引言

滑坡地質(zhì)災(zāi)害危害嚴(yán)重，因此其一直都引起世界各國(guó)學(xué)者的關(guān)注，多年來(lái)研究人員對(duì)于滑坡的研究從未間斷。滑坡的分類(lèi)在認(rèn)識(shí)滑坡形成機(jī)理和治理過(guò)程中具有非常重要的意義[1]，滑坡的破壞類(lèi)型多種多樣，一般按滑坡的受力狀態(tài)可分為牽引式滑坡和推移式滑坡[2]，以及具有兩者特點(diǎn)的復(fù)合式滑坡。其中：牽引式滑坡由于前緣受庫(kù)水位沖刷或人工開(kāi)挖形成由前至后的變形破壞[3-10]；推移式滑坡由于后緣常年加載及降雨作用影響導(dǎo)致由后至前的變形破壞[11-17]；復(fù)合式滑坡由于前緣關(guān)鍵阻滑段缺失以及后緣加載效應(yīng)致使形成由前后至中間的變形破壞[18-21]。因此，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)滑坡的變形破壞模式、確定滑坡的變形破壞類(lèi)型在工程中尤為重要，是不同類(lèi)型滑坡定性、定量分析及防護(hù)治理的前提。

很多學(xué)者對(duì)滑坡進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究發(fā)現(xiàn)，邊坡變形破壞是一個(gè)漸變的過(guò)程：Quinn等[22]和Dey等[23]分別采用斷裂力學(xué)原理和大變形有限元建模方法對(duì)敏感性黏土邊坡漸進(jìn)式破壞過(guò)程進(jìn)行了分析；王庚蓀等[24]和劉忠玉等[25]提出了一個(gè)具有應(yīng)變軟化性質(zhì)的土質(zhì)邊坡漸進(jìn)破壞力學(xué)模型，分析了邊坡穩(wěn)定性變化情況；劉開(kāi)富等[26]依據(jù)大變形的分岔理論采用D-P屈服準(zhǔn)則研究了邊坡剪切帶位置及擴(kuò)展情況，并進(jìn)行了變形漸進(jìn)破壞穩(wěn)定性分析；唐芬等[27]進(jìn)行了土坡漸進(jìn)破壞的雙安全系數(shù)的討論；劉愛(ài)華等[28]首次提出了平面漸進(jìn)破壞模型，并給出了該模型的穩(wěn)定性計(jì)算方法；余飛等[29]采用了基于接觸單元模型的數(shù)值模擬方法，探討了順層巖質(zhì)高斜坡漸進(jìn)變形失穩(wěn)機(jī)制；朱雷等[30]提出了基于滑帶強(qiáng)度參數(shù)動(dòng)態(tài)演化的滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，研究了滑坡力學(xué)參數(shù)與穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程；盧應(yīng)發(fā)等[31-32]在對(duì)滑坡漸進(jìn)變形分析的基礎(chǔ)上，提出了幾種新的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算方法；凌道盛等[33]基于黏聚區(qū)域模型及強(qiáng)化有限單元法，提出了一種剪切帶漸進(jìn)擴(kuò)展過(guò)程模擬的有限元分析方法，模擬了剪切帶的應(yīng)變軟化特性；何忠明等[34]基于應(yīng)變軟化模型采用FLAC3D軟件研究了軟巖邊坡開(kāi)挖過(guò)程中及支護(hù)后的穩(wěn)定性變化規(guī)律；薛海斌等[35]通過(guò)研究驗(yàn)證了基于矢量和法和基于等效強(qiáng)度參數(shù)的極限平衡法，分析了應(yīng)變軟化邊坡穩(wěn)定性的合理性與可靠性。綜上，在滑坡漸進(jìn)破壞過(guò)程中，滑帶的性質(zhì)對(duì)滑坡的穩(wěn)定性具有控制作用，并將對(duì)抗滑工程設(shè)計(jì)產(chǎn)生很大影響。

在現(xiàn)有工程的滑坡推力計(jì)算過(guò)程中，為了讓計(jì)算得以簡(jiǎn)化，滑帶的強(qiáng)度參數(shù)都是統(tǒng)一取值，這與大部分滑坡實(shí)際不相符。本文通過(guò)不同類(lèi)型滑坡漸進(jìn)破壞過(guò)程的研究，基于滑帶參數(shù)弱化特征進(jìn)行不同類(lèi)型滑坡推力的計(jì)算，提出了滑帶參數(shù)的合理取值方法，以期為進(jìn)行合理的防治工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 滑坡變形破壞模式

1.1 牽引式滑坡變形破壞模式

牽引式滑坡的坡腳是重要的阻滑段，經(jīng)過(guò)人工開(kāi)挖或者河流沖刷，加上持續(xù)降雨作用，斜坡前緣臨空高度增加，產(chǎn)生剪應(yīng)力集中效應(yīng)，導(dǎo)致滑坡前緣首先變形；滑坡前緣變形將對(duì)其后部坡體產(chǎn)生牽引效應(yīng)，使得關(guān)鍵阻滑段缺失，支撐削弱甚至臨空，進(jìn)而使中后部坡體產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，潛在滑動(dòng)面變形而產(chǎn)生應(yīng)力損傷，導(dǎo)致后部滑體變形；隨著變形逐步向后向上發(fā)展，形成受前緣阻滑段漸變式牽引變形控制、中后段逐步變形破壞的鏈?zhǔn)絺鬟f過(guò)程，表現(xiàn)為后退式漸進(jìn)破壞模式(圖1)。

圖1 牽引式滑坡破壞模式圖Fig.1 Deformation and failure model of retrogressive landslide

1.2 推移式滑坡變形破壞模式

推移式滑坡由于后緣常年加載，后緣張開(kāi)裂縫發(fā)育，后緣滑體荷載不斷積累，觸發(fā)了滑坡的變形，引起后部失穩(wěn)始滑；滑坡后緣滑動(dòng)帶向下擴(kuò)展，隨著塑性區(qū)的擴(kuò)大，應(yīng)力集中范圍向前部擴(kuò)大，并逐漸向前緣積累，局部產(chǎn)生鼓脹裂縫。變形具有由后至前傳遞的特征，而前緣較平緩的滑坡區(qū)域有效地阻擋了后緣所傳遞的變形量；但當(dāng)前緣滑體所提供的抗滑力不足以維持后緣所施加的下滑力時(shí)，滑動(dòng)面由上至下逐漸貫通，從而導(dǎo)致滑坡整體失穩(wěn)破壞，表現(xiàn)為前進(jìn)式漸進(jìn)破壞模式(圖2)。

圖2 推移式滑坡破壞模式圖Fig.2 Deformation and failure model of load-caused landslide

1.3 復(fù)合式滑坡變形破壞模式

復(fù)合式滑坡同時(shí)具有牽引式滑坡和推移式滑坡的特點(diǎn)，變形始于前緣和后緣坡體，引起后部失穩(wěn)始滑而推動(dòng)中部滑動(dòng)，以及前部關(guān)鍵阻滑段缺失而牽引中部滑動(dòng)；這樣將導(dǎo)致塑性區(qū)由上下逐漸向中間貫通，隨著塑性區(qū)的擴(kuò)大，當(dāng)整個(gè)滑動(dòng)面空間貫通時(shí)，滑坡就開(kāi)始整體滑移，表現(xiàn)為由上下至中間復(fù)合式漸進(jìn)破壞模式(圖3)。

圖3 復(fù)合式滑坡破壞模式圖Fig.3 Deformation and failure model of combined landslide

2 滑坡漸進(jìn)破壞過(guò)程

2.1 巖土體基本力學(xué)性質(zhì)

滑坡力的傳遞與巖土體的力學(xué)特性緊密相關(guān)[31]?；碌难莼?guī)律遵循量變到質(zhì)變的過(guò)程，也即滑坡漸進(jìn)破壞的過(guò)程[36]。漸進(jìn)性破壞一般源于巖土材料的應(yīng)變軟化效應(yīng)，因此，本文對(duì)滑帶的研究都是基于材料應(yīng)變軟化這一特性展開(kāi)。對(duì)于具有應(yīng)變軟化屬性的滑帶，其力學(xué)強(qiáng)度基本都經(jīng)歷峰前應(yīng)力階段、軟化階段和殘余應(yīng)力階段(圖4)。大量試驗(yàn)表明，對(duì)于應(yīng)變軟化的巖土體，當(dāng)巖土體承受的剪切力達(dá)到最大剪切強(qiáng)度后，隨著巖土體連續(xù)的變形而發(fā)生剪切破壞，巖土體的抗剪強(qiáng)度便降到殘余強(qiáng)度。

τ為巖土體剪應(yīng)力；τmax為巖土體最大剪應(yīng)力；u為巖土體剪切位移。圖4 滑帶本構(gòu)曲線(xiàn)Fig.4 Constitutive curves of sliding zone

2.2 不同類(lèi)型滑坡漸進(jìn)演化過(guò)程

滑坡的演化規(guī)律遵循量變到質(zhì)變的規(guī)律，滑坡漸進(jìn)破壞的實(shí)質(zhì)是滑帶的力學(xué)參數(shù)弱化的過(guò)程[34]?；聺u進(jìn)破壞過(guò)程主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：在空間上，滑帶參數(shù)弱化是逐步產(chǎn)生發(fā)展的，不同部位滑帶的力學(xué)參數(shù)存在差異性；在時(shí)間上，滑帶力學(xué)參數(shù)隨著滑坡演化發(fā)展而呈現(xiàn)不同的速率弱化。

斜坡破壞是坡體累積變形發(fā)展的最終狀態(tài)[37]。根據(jù)滑帶力學(xué)參數(shù)弱化過(guò)程，可以從宏觀上刻畫(huà)滑帶在空間上存在的峰前應(yīng)力、臨界應(yīng)力、殘余應(yīng)力3種狀態(tài)。滑坡在整個(gè)演化過(guò)程中，在二維平面內(nèi)一般只有一點(diǎn)處于峰值應(yīng)力狀態(tài)[31]。為了更清晰地解析滑坡漸進(jìn)破壞過(guò)程，對(duì)3種類(lèi)型滑坡漸進(jìn)式演化過(guò)程進(jìn)行分析。

1)牽引式滑坡：在整個(gè)漸進(jìn)演化過(guò)程中，當(dāng)某條塊下滑力等于抗滑力時(shí)，該滑坡條塊一般處于臨界狀態(tài)；處于該條塊之前的條塊為殘余應(yīng)力狀態(tài)條塊即發(fā)生剪切破壞，處于該條塊之后的條塊處于峰前應(yīng)力狀態(tài)條塊即未發(fā)生剪切破壞。臨界狀態(tài)位置隨著漸進(jìn)破壞過(guò)程而逐漸向上移動(dòng)(圖5)。

圖5 牽引式滑坡漸進(jìn)演化過(guò)程圖Fig.5 Progressive failure process of retrogressive landslide

2)推移式滑坡：在整個(gè)漸進(jìn)演化過(guò)程中，當(dāng)某條塊下滑力等于抗滑力時(shí)，該滑坡條塊一般處于臨界狀態(tài)；處于該條塊之前的條塊為峰前應(yīng)力狀態(tài)條塊即未發(fā)生剪切破壞，處于該條塊之后的條塊處于殘余應(yīng)力狀態(tài)條塊即發(fā)生剪切破壞。臨界狀態(tài)位置隨著漸進(jìn)破壞過(guò)程而逐漸向下移動(dòng)(圖6)。

3)復(fù)合式滑坡：復(fù)合式滑坡漸進(jìn)破壞過(guò)程較為復(fù)雜，一般情況下，臨界狀態(tài)位置有2個(gè)，前部的臨界條塊定義為第一臨界狀態(tài)條塊，后部的臨界條塊定義為第二臨界狀態(tài)條塊。第一臨界狀態(tài)條塊前部和第二臨界狀態(tài)條塊后部的條塊處于殘余應(yīng)力狀態(tài)條塊即發(fā)生剪切破壞；第一臨界狀態(tài)條塊和第二臨界狀態(tài)條塊之間的條塊處于峰值應(yīng)力狀態(tài)條塊即未發(fā)生剪切破壞。臨界狀態(tài)位置隨著漸進(jìn)破壞過(guò)程而逐漸由前后向中間移動(dòng)(圖7)。

圖6 推移式滑坡漸進(jìn)演化過(guò)程圖Fig.6 Progressive failure process of load-caused landslide

圖7 復(fù)合式滑坡漸進(jìn)演化過(guò)程圖Fig.7 Progressive failure process of combined landslide

2.3 臨界狀態(tài)位置確定

基于滑帶參數(shù)弱化特征，并且在臨界狀態(tài)下滿(mǎn)足摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則條件，假設(shè)滑坡的第m條塊為臨界狀態(tài)條塊，判別條件如下：假設(shè)第m條塊為臨界狀態(tài)條塊，則其抗滑力等于下滑力。這里對(duì)不同類(lèi)型的滑坡分別進(jìn)行判別。

1)牽引式滑坡

牽引式滑坡是后退式漸進(jìn)破壞過(guò)程，其臨界狀態(tài)條塊是逐漸向后遞進(jìn)的；因此，第m條塊之上的1～(m-1)條塊處于峰前應(yīng)力狀態(tài)而未發(fā)生剪切破壞， 即穩(wěn)定條塊(即第m-1條塊的剩余下滑力Em-1= 0)，則第m條塊為臨界狀態(tài)條塊的判別標(biāo)準(zhǔn)為

(1)

2)推移式滑坡

推移式滑坡是前進(jìn)式漸進(jìn)破壞，其臨界狀態(tài)條塊是逐漸向前遞進(jìn)的，m條塊之上的1～(m-1)條塊處于殘余應(yīng)力狀態(tài)而發(fā)生了剪切破壞，即為不穩(wěn)定條塊(Em-1>0)；因此m條塊受力要考慮上部條塊的推力作用，則第m條塊為臨界狀態(tài)條塊的判別標(biāo)準(zhǔn)為

(2)

3)復(fù)合式滑坡

復(fù)合式滑坡是復(fù)合式漸進(jìn)破壞過(guò)程，在漸進(jìn)演化過(guò)程中存在兩處臨界狀態(tài)條塊，兩處的臨界狀態(tài)條塊判別標(biāo)準(zhǔn)為：第一臨界狀態(tài)條塊按牽引式滑坡的確定方法確定；第二臨界狀態(tài)條塊按推移式滑坡的確定方法確定。

3 不同類(lèi)型滑坡推力計(jì)算

3.1 不同類(lèi)型滑坡推力計(jì)算公式建立

在不平衡推力法的基礎(chǔ)上，考慮不同類(lèi)型滑坡的漸進(jìn)破壞過(guò)程，現(xiàn)在滑坡在演化過(guò)程的某一時(shí)刻進(jìn)行條分，并作如下假設(shè)：假設(shè)滑坡的總條塊數(shù)為n，對(duì)于牽引式滑坡，滑坡從下至上發(fā)生剪切破壞，假設(shè)第m條塊為臨界狀態(tài)條塊；對(duì)于推移式滑坡，滑坡從上至下發(fā)生剪切破壞，假設(shè)第k條塊為臨界狀態(tài)條塊；對(duì)于復(fù)合式滑坡，滑坡從上下至中間發(fā)生剪切破壞，第m條塊為第一臨界狀態(tài)條塊，第k條塊為第二臨界狀態(tài)條塊。由于滑帶參數(shù)對(duì)滑坡穩(wěn)定性起著控制作用，而滑坡設(shè)計(jì)推力的準(zhǔn)確計(jì)算又是實(shí)現(xiàn)有效治理的前提；因此，基于上述不同類(lèi)型滑坡的漸進(jìn)破壞過(guò)程分析，在確定工程治理安全等級(jí)相同的前提下，本文提出隨著漸進(jìn)破壞過(guò)程的滑帶參數(shù)選擇方法，即滑帶發(fā)生剪切段取殘余強(qiáng)度，未發(fā)生剪切段取峰值強(qiáng)度。

因此，依次得到在重力作用下考慮漸進(jìn)破壞過(guò)程的牽引式滑坡、推移式滑坡及復(fù)合式滑坡推力計(jì)算公式分別為：

(3)

(4)

(5)

3.2 不同類(lèi)型滑坡推力變化規(guī)律

為了反映不同類(lèi)型滑坡的漸進(jìn)演化過(guò)程，現(xiàn)以任一個(gè)滑坡為例(圖8)，對(duì)比分析分別產(chǎn)生3種變形破壞模式時(shí)滑坡推力變化情況。假設(shè)滑坡推力計(jì)算參數(shù)：滑體容重為21 kN/m3，滑帶2種強(qiáng)度參數(shù)的取值可參照文獻(xiàn)[38-41]，本文取滑帶的峰值強(qiáng)度參數(shù)為黏聚力cpeak=25 kPa、內(nèi)摩擦角φpeak=18°，滑帶的殘余強(qiáng)度參數(shù)為黏聚力cresid=22.5 kPa、內(nèi)摩擦角φresid=15°，設(shè)計(jì)安全系數(shù)取1.2，滑體條塊數(shù)為14。

1,2,3…14為滑塊條數(shù)。圖8 滑坡推力計(jì)算模型Fig.8 Thrust calculation model of landslide

依據(jù)3種類(lèi)型滑坡的漸進(jìn)破壞演化過(guò)程，結(jié)合前面所述方法對(duì)其推力進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)過(guò)程分別為：1)滑坡產(chǎn)生牽引式漸進(jìn)破壞時(shí)，2個(gè)條塊依次從前至后發(fā)生剪切破壞，計(jì)算得到漸進(jìn)破壞過(guò)程的滑坡設(shè)計(jì)推力曲線(xiàn)見(jiàn)圖9a；2) 對(duì)于產(chǎn)生推移式漸進(jìn)破壞的滑坡， 2個(gè)條塊依次從后向前發(fā)生剪切破壞，計(jì)算得到漸進(jìn)破壞過(guò)程的滑坡設(shè)計(jì)推力曲線(xiàn)見(jiàn)圖9b；3) 對(duì)于產(chǎn)生復(fù)合式漸進(jìn)破壞的滑坡，從前后向中間條塊依次發(fā)生剪切破壞，計(jì)算得到漸進(jìn)破壞過(guò)程的滑坡設(shè)計(jì)推力曲線(xiàn)見(jiàn)圖9c。

從不同類(lèi)型滑坡設(shè)計(jì)推力曲線(xiàn)可以看出：

1) 滑坡整體按照峰值強(qiáng)度進(jìn)行推力計(jì)算與滑坡整體按照殘余強(qiáng)度進(jìn)行推力計(jì)算得到的設(shè)計(jì)推力相差很大，在考慮滑坡漸進(jìn)式破壞過(guò)程計(jì)算的推力一般在前兩者之間；說(shuō)明針對(duì)具有應(yīng)變軟化的滑坡，如果按照峰值強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的話(huà)將產(chǎn)生安全隱患，達(dá)不到治理的目的，如果滑坡未發(fā)生整體破壞而仍按照殘余強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的話(huà)將采用較強(qiáng)的加固措施，造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。

2)對(duì)于牽引式滑坡，在由前向后漸進(jìn)破壞的過(guò)程中，滑坡推力從前部至后部由峰值強(qiáng)度計(jì)算推力值逐漸增大至殘余強(qiáng)度計(jì)算推力值；對(duì)于推移式滑坡，在由后向前漸進(jìn)破壞過(guò)程中，滑坡推力從后部至前部由峰值強(qiáng)度計(jì)算推力值逐漸增大至殘余強(qiáng)度計(jì)算推力值；對(duì)于復(fù)合式滑坡，在由前后向中間漸進(jìn)破壞過(guò)程中，滑坡推力從前后部至中部由峰值強(qiáng)度計(jì)算推力值逐漸增大至殘余強(qiáng)度計(jì)算推力值。這說(shuō)明隨著漸進(jìn)破壞過(guò)程不同，不同類(lèi)型滑坡的推力在不斷發(fā)生不同形式的變化。

3)假如在某一位置設(shè)置抗滑樁工程，對(duì)于不同類(lèi)型的滑坡，在同一位置考慮漸進(jìn)破壞過(guò)程計(jì)算得到的設(shè)計(jì)推力也不同，從圖9中可以看出不同類(lèi)型滑坡漸進(jìn)破壞到第5狀態(tài)時(shí)，牽引式滑坡、推移式滑坡和復(fù)合式滑坡的推力大小分別為4 100，4 980和3 150 kN/m(圖9)；因此，準(zhǔn)確把握滑坡的漸進(jìn)破壞類(lèi)型在防治工程設(shè)計(jì)當(dāng)中也至關(guān)重要，是滑坡的有效治理關(guān)鍵。

4) 文中的假設(shè)，只是理想狀態(tài)，更重要的是想說(shuō)明不同類(lèi)型滑坡漸進(jìn)破壞過(guò)程及在這個(gè)過(guò)程中推力變化規(guī)律是不同的問(wèn)題。

1.滑坡整體取峰值強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，2-7.滑坡漸進(jìn)破壞過(guò)程計(jì)算結(jié)果，8.滑坡整體取殘余強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。圖9 3種類(lèi)型滑坡推力計(jì)算對(duì)比圖Fig.9 Thrust contrast curve of three types of landslides

4 結(jié)論

1)對(duì)比分析了牽引式滑坡、推移式滑坡和復(fù)合式滑坡3種類(lèi)型滑坡的變形破壞模式，分別呈現(xiàn)后退式漸進(jìn)破壞模式、前進(jìn)式漸進(jìn)破壞模式和復(fù)合式漸進(jìn)破壞模式。

2)基于巖土體應(yīng)變軟化性質(zhì)，闡述滑帶性質(zhì)時(shí)空上逐漸軟化并呈現(xiàn)峰前應(yīng)力狀態(tài)、臨界應(yīng)力狀態(tài)和殘余應(yīng)力狀態(tài)；從3種類(lèi)型滑坡的角度揭示滑坡的漸進(jìn)演化過(guò)程，即牽引式滑坡的臨界狀態(tài)位置隨著漸進(jìn)破壞過(guò)程而逐漸向上移動(dòng)、推移式滑坡的臨界狀態(tài)位置隨著漸進(jìn)破壞過(guò)程而逐漸向下移動(dòng)、復(fù)合式滑坡的臨界狀態(tài)位置隨著漸進(jìn)破壞過(guò)程由上下逐漸向中間移動(dòng)，并提出不同類(lèi)型滑坡臨界狀態(tài)位置的確定方法。

3)考慮滑坡的漸進(jìn)破壞過(guò)程，提出了不同類(lèi)型滑坡的漸進(jìn)破壞過(guò)程推力計(jì)算公式及計(jì)算過(guò)程中滑帶強(qiáng)度參數(shù)選取方法，并通過(guò)實(shí)例計(jì)算不同漸進(jìn)演化過(guò)程滑坡的推力變化規(guī)律。如果滑坡設(shè)計(jì)推力按照峰值強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，治理后將出現(xiàn)安全隱患；如果滑坡設(shè)計(jì)推力按照殘余強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，將造成不必要的工程浪費(fèi)。進(jìn)一步說(shuō)明考慮漸進(jìn)破壞過(guò)程進(jìn)行推力計(jì)算既能夠從滑坡抗滑本質(zhì)出發(fā)，合理利用自身抗滑作用，又能夠滿(mǎn)足滑坡漸進(jìn)破壞過(guò)程中的安全要求，具有明確的理論科學(xué)依據(jù)。

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