一种非均质土层边坡临界滑移面的测定方法与流程

本发明涉及边坡稳定性评价与分析领域，具体涉及一种非均质土层边坡临界滑移面的测定方法。

背景技术：

滑坡灾害威胁着人类的生命安全，对正常的社会和生产运转造成了严重的影响与危害。然而由于受到边坡几何形状、土体参数，以及地质条件等差异性影响，使目前的边坡稳定性监测预警方法仍无法完全满足工程建设需求，其中最突出的问题就是边坡稳定性评价定量判据及滑坡滑移面的确定问题。因此，如何科学、准确地对边坡稳定性进行超前分析与判定，是边坡稳定性评价与滑坡灾害防治领域中亟待解决的课题之一。

边坡稳定性评价与预测方法中，工程应用最为广泛的主流方法为极限平衡法和位移时序预测法。其中，极限平衡法是以刚体极限平衡理论为基础，将滑坡坡体进行简化，将滑坡坡体视为刚体并假设滑移面为圆弧形滑移面，分析其沿滑移面的力学平衡状态，进而分析和确定边坡的稳定性。然而该方法是一种静态评价模型，其并不能考虑时间因素的影响即忽略了滑坡体与时间因素相关的动态时序关系，应用于随时间变化下滑坡的动态稳定性的分析评价与监测预警往往会出现预测失真，仅比较适用于滑坡静态稳定性分析与评价。而且该模型回避了坡体变形协调和相应的本构关系，此外，该模型需首先确定坡体地下水条件和边坡的物理力学性质指标及边界条件。因此该模型苛刻的建模条件与局限性极大地限制了该方法在滑坡预测预报中的应用。此外，该方法假设边坡滑移面为圆弧滑移面也存在一定的局限性，对于实际工程而言，大多数土坡并非均质各向同性，不同成因形成不同性质的土层，使土坡在物质成分上具有各向异性，且具有物理力学性质及水理性质的差异。因此，对于非均质土层边坡，其地质条件复杂性与应力分布的不均匀性，边坡通常并不是沿单一均匀的圆弧滑移面破坏，滑面形状实际上往往呈非圆弧任意形状，这种情况下极限平衡法仍将滑面简化为圆弧滑移面，很难真实反映边坡稳定性状态，由此导致错误的评价结果。

与极限平衡法相比，位移时序预测法以边坡位移监测为基础、以位移参数及其变化作为边坡稳定与否和稳定程度的预测参数与评价准则，并已在我国重大工程边坡稳定性监测与滑坡防治领域得到了广泛的应用且发挥了重要作用。然而位移时序预测法的判识标准与依据是以滑坡位移(位移速率、加速率)与其随时间关系建立的，其位移时序曲线仅能反映边坡随时间发展的变形规律，而不能对滑坡位移变化的力学动因及失稳机理进行解释，因此该参数及其变化程度不能与滑坡演化规律和稳定性状态一一对应。此外，该类方法主要通过监测钻孔深部位移的变化，根据位移的突变随时监测边坡滑移面的出现，然而位移的突变并不一定预示坡体一定出现塑性区，因动力的突变也可引发其位移的突变，所以单纯依靠位移参数确定边坡滑移面存在一定的或然性和不确定性。

针对上述传统边坡稳定性评价与滑移面确定方法的局限与不足，本发明旨在寻求一种突破传统技术的新方法，即根据非均质土层边坡应力应变的监测信息，综合研究和确定一种精确测定非均质土层边坡临界滑移面的方法。

技术实现要素：

本发明为解决传统非均质土层边坡稳定性评价及滑移面确定方法的局限与不足，提出一种基于应力应变监测数据测定非均质土层边坡临界滑移面的方法，该方法对边坡稳定性的判定及其滑移面的确定具有极强的实用性。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种非均质土层边坡临界滑移面的测定方法，包括以下步骤：

步骤一：勘探并测定非均质土层边坡基本物理力学参数，所述基本物理力学参数包括粘聚力c、内摩擦角和重度γ；

步骤二：确定非均质土层边坡潜在危险滑移面范围及监测区域；

步骤三：布置边坡应力、应变监测装置，设定多个监测点；

步骤四：各监测点处应力与应变的监测及数据记录；

步骤五：确定边坡内部各监测点应变响应率参数；

(1)定义各监测点的应变响应率yij为其相邻时间间隔应变变化量δεij与应力变化量δσij的比值，通过各监测点的应变响应率的变化趋势来判断边坡不同监测点所在区域的稳定状况：

式中：δσij为监测点gi,j的应力变化量；δεij为监测点gi,j的应变变化量；

根据边坡内部各监测点应变响应率yij的变化判断监测点的稳定程度，即：当监测点应变响应率较小且在一定值附近波动时，监测点所在区域相对稳定，当监测点的应变响应率突然增加，说明该监测点所在区域很有可能发生局部失稳破坏；

步骤六：确定边坡内部监测点应变响应率稳定性判据；

(1)确定各监测点应变响应率参数平均值和序列标准差

为分析和检测边坡内部监测点的应变响应率参数在监测时间内是否出现突变或发生趋势性升高变化，依据数理统计原理，确定各监测点在不同监测时刻k(k＝1,2,3...n)的应变响应率的平均值和序列标准差

(2)确定各监测点应变响应率参数稳定性判据准则：

将应变响应率参数时间序列均值与1倍均方差之和作为边坡滑移塑性区形成与演化程度的评价判据，依此建立边坡内部各监测点稳定性演化与滑移塑性区判据：

步骤七：测定非均质土层边坡滑移塑性区；

步骤八：确定非均质土层边坡临界滑移面：

根据不同时刻各监测点应变响应率的变化规律确定出边坡塑性滑移区范围，进而依据每根全光纤综合测管内监测点的应变响应率突变点的极大值确定出边坡临界滑移面的位置。

进一步的，所述步骤二中，将非均质土层边坡假设为均质土层边坡，其整体岩土体物理力学参数分别取非均质土层边坡的各层岩土体实际物理力学参数，并分别确定各岩土力学参数条件下均质土层边坡的最危险滑移面，将其最大圆弧和最小圆弧围成的区域范围作为监测区域。

进一步的，所述步骤三中，布置边坡应力、应变监测装置具体采用以下方式：

沿边坡从坡底到坡顶每隔一定距离垂直埋入一根全光纤综合测管，全光纤综合测管包括内管和外管，内管可沿外管自由抽出，沿测管轴向布设多个监测点，每个监测点处紧贴内管外壁设置有应变片，内管内侧设置应力计，外管通过混凝土凝固于地孔；全光纤综合测管埋入坡体后，应力应变监测点覆盖步骤二中最大圆弧和最小圆弧围成的监测区域。

进一步的，所述步骤七中，根据步骤六边坡内部各监测点稳定性判据准则，对边坡滑移塑性区及其发展情况进行判定：

(1)当监测点处值为一定值，或以某一定值上下波动，即时，则判定边坡该范围内的坡体无潜在滑移塑性区出现；

(2)当监测点处值发生突变，即时，则判定边坡该范围内的坡体已形成初步滑移塑性区，且随着应变响应率参数的不断增大，其初步滑移塑性区将不断扩展与增大；

通过分析不同监测时刻的边坡内部各监测点应变响应率参数的变化规律，可进一步地判断坡体滑移塑性区的发展趋势。

进一步的，所述步骤八具体通过以下方式实现：实时监测每根全光纤综合测管内各监测点的应力、应变数据；

当非均质土层边坡内部应力发生重分布，边坡内部某些部位监测点的应变响应率将发生突变并逐渐增大；当全光纤综合测管内某些监测点稳定性发生突变时，确定该测管内监测点应变响应率极值点所在位置；

根据应变响应率极值点的确定方法，分别确定每根全光纤综合测管内应变响应率极值点；将各根全光纤综合测管出现应变响应率极值点对应的结点从上至下依次用平滑曲线进行连线，所得到的曲线便为边坡临界滑移面。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案将非均质土层边坡假设为均质土层边坡，基于实际物理力学参数确定各岩土力学参数条件下均质土层边坡的最危险滑移面，将其最大圆弧和最小圆弧围成的区域范围作为监测区域；根据不同时刻各监测点应变响应率的变化规律确定出边坡塑性滑移区范围，进而依据每根全光纤综合测管内监测点的应变响应率突变点的极大值确定出边坡临界滑移面的位置，实现对非均质土层边坡进行科学、有效、及时预警及治理的目的，预测精度高，具有更高的实际应用及推广价值。

附图说明

图1为本发明实施例所述测定方法流程图；

图2为本发明实施例所述最危险滑移面示意图；

图3为本发明实施例三轴应力作用下岩土体的本构曲线示意图；

图4为本发明实施例非均质土层边坡光纤监测系统示意图；

图5为本发明实施例监测点应力应变监测装置布置示意图；

图6为本发明实施例滑移面位置示意图；

其中，1、填充混凝土；2、光纤连接杆；3、光纤光栅应力计；4、光纤光栅应变片。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

本实施例提出的非均质土层边坡临界滑移面的测定方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一：勘探并测定非均质土层边坡基本物理力学参数；

步骤二：非均质土层边坡潜在危险滑移面范围及监测区域确定；

步骤三：边坡应力、应变监测装置的布置；

步骤四：全光纤综合测管内各监测点处应力与应变的监测及数据记录；

步骤五：计算边坡内部各监测点应变响应率参数；

步骤六：确定边坡内部监测点应变响应率稳定性判据；

步骤七：测定非均质土层边坡滑移塑性区；

步骤八：确定非均质土层边坡临界滑移面。

具体的，下面结合具体案例对本发明方法进行详细的介绍：

步骤一：非均质土层边坡基本物理力学参数的勘探与测定

根据《边坡工程勘察规范》ys5230—1996及《土工试验规程》sl237—1999对待测定的非均质土层边坡进行系统的勘探与物探、试验及调查测绘，确定边坡分布范围与几何尺寸特征，运用岩土原位试验或室内土工试验综合测定非均质土层边坡坡体各土层岩土体物理力学参数粘聚力c、内摩擦角重度γ。

表1非均质土层边坡坡体各土层岩土体物理力学参数

步骤二：非均质土层边坡潜在危险滑移面范围及监测区域的确定

将非均质土层边坡假设为均质土层边坡，其整体岩土体物理力学参数分别取非均质土层边坡的各层岩土体实际物理力学参数，进而根据fellenuis法(原理1)，假定其边坡滑移面形状为圆弧滑移面，对于任一岩土体物理力学参数条件下的均质土层边坡，均可确定出其边坡内部可能发生滑移的多个潜在滑移面及相应滑移面的稳定性系数fs；对比各确定的稳定性系数fs，并取其最小值作为边坡的整体稳定性系数，其相应的圆弧线即为最危险滑移面，重复上述步骤，确定出不同岩土体物理力学参数条件下的均质土层边坡滑移面对应的最危险滑移面。对于实际的非均质土层边坡而言，其潜在滑移面位置应在上述确定的多个最危险滑移面中最大圆弧和最小圆弧围成的区域范围内。因此，本实施例选取最大圆弧和最小圆弧围成的区域作为边坡应力应变的监测区域，具体如图4所示。

步骤三：边坡应力、应变监测装置的选取及布置

(1)非均质土层边坡的应力应变监测选用含有光纤光栅应变片及光纤光栅应力计的全光纤综合测管，光纤光栅应变片及光纤光栅应力计分别用于测量边坡内部变形及应力变化。如图5所示，全光纤综合测管由内外两根管构成，外管(φ75)为pvc管，内管(φ50)为pp-r管。本实施例共设置8根测管，在每根测管上每隔2m设置一个监测点，每个监测点处应变片紧贴内管外壁，应力计置于内管内侧，从坡底到坡顶每隔一定距离垂直埋入一根全光纤综合测管，外管通过混凝土凝固于地孔，起保护作用，内管可自由抽出。全光纤综合测管埋入坡体后，应力应变监测点需能覆盖步骤二中最大圆弧和最小圆弧围成的监测区域。

(2)在全光纤综合测管与边坡坡体接触表面埋设传感器装置与数据采集系统，且保证埋设的传感器与数据采集系统不改变边坡自身稳定状态。

步骤四：全光纤综合测管内各监测点处应力与应变的监测及数据记录

将第i根全光纤综合测管内第j个监测点命名为监测点gi,j，其中i＝1、2、···m，j＝1、2、···n，并以δt为时间间隔(比如5天)同步对每根全光纤综合测管内各监测点gi,j处的应力与应变进行实时监测，应力与应变的监测数据通过数据采集系统读出，并根据监测数据采集系统分别记录下不同时刻每根全光纤综合测管内各监测点gij处应力值σij与应变值εij，将整理好的数据详细录入excel表格，如表2所示：

表2各监测结点处应力与应变监测数据

步骤五：边坡内部各监测点应变响应率参数的确定

根据原理2，边坡是一个应力应变状态不断变化的非线性系统，其岩土体的变形可以视为广义荷载作用下的响应，因此，可将各监测点的应变变化视为其应力变化的响应。定义各监测点的应变响应率为其相邻时间间隔应变变化量δεij与应力变化量δσij的比值(式1)，通过各监测点的应变响应率的变化趋势来判断边坡不同监测点所在区域的稳定状况。

式中：δσij为监测点gi,j的应力变化量；δεij为监测点gi,j的应变变化量。

根据边坡内部各监测点应变响应率yij的变化判断监测点的稳定程度，用式(1)确定各监测结点不同时间间隔的应变响应率yij，如表3。即：当监测点应变响应率较小且在一定值附近波动时，说明监测点所在区域相对稳定，当监测点的应变响应率突然增加，说明该监测点所在区域很有可能发生局部失稳破坏。

表3各监测结点处不同时间间隔的应变响应率yij

步骤六：边坡内部监测点应变响应率稳定性判据的确定

(1)各监测点应变响应率参数平均值yij^k和序列标准差σij^k的确定：

为分析和检测边坡内部监测点的应变响应率参数在监测时间内是否出现突变或发生趋势性升高变化，依据数理统计原理，确定各监测点的应变响应率yij在不同监测时刻k(k＝1,2,3...n)的平均值和序列标准差

以点g1,1为例，在50天时，在55天时，其他层位监测结点同理。

(2)各监测点应变响应率参数稳定性判据准则的确定:

将应变响应率参数时间序列均值与1倍均方差之和作为边坡滑移塑性区形成与演化程度的评价判据，依此可建立边坡内部各监测点稳定性演化与滑移塑性区判据：

步骤七：非均质土层边坡滑移塑性区的测定

根据步骤六边坡内部各监测点稳定性判据准则，对边坡滑移塑性区及其发展情况进行判定：

(1)当监测点处值(以点g1,1为例，在50天时监测点处)为一定值，或以某一定值上下波动，即时，则判定边坡该范围内的坡体无潜在滑移塑性区出现；

(2)当监测点处值(以点g1,1为例，在55天时监测点处)发生突变，即时，则判定边坡该范围内的坡体已形成初步滑移塑性区，且随着应变响应率参数的不断增大，其初步滑移塑性区将不断扩展与增大。

通过分析不同监测时刻的边坡内部各监测点应变响应率参数的变化规律，可进一步地判断坡体滑移塑性区的发展趋势。

步骤八：非均质土层边坡临界滑移面的确定

实时监测每根全光纤综合测管内各监测点的应力、应变数据，当非均质土层边坡内部应力发生重分布，边坡内部某些部位监测点的应变响应率将发生突变并逐渐增大。当全光纤综合测管内某些监测点稳定性发生突变时，确定该测管内监测点应变响应率极值点所在位置。根据上述应变响应率极值点的确定方法，分别确定每根测管内应变响应率极值点；将各根测管出现应变响应率极值点对应的结点从上至下依次用平滑曲线进行连线，所得到的曲线便为边坡临界滑移面(根据光纤钻孔和边坡临界滑动面交点的确定方法，分别确定每根光纤钻孔和边坡临界滑动面的交点，连接各根光纤钻孔的交点，所得到的曲线即为该非均质土层边坡的临界滑动面位置)，如图6所示。

本发明方法的基本原理与依据如下：

原理1：

根据现有技术中费伦纽斯法的大量计算结果发现，内摩擦角的简单土坡的最危险滑移面为通过坡脚的圆弧，其圆心位于图2中ao与bo两线的交点，图2中β1、β2坡角或坡度的关系见表2。

表2β1、β2的确定

对的土坡，最危险滑弧圆心位置如图3所示:

①首先按法确定o点

②后作e点，e点的位置距坡脚b点水平距离4.5h(h为坡高)，距坡顶a点垂直距离2h，位置关系如图3所示，最危险滑动圆弧圆心位置即在eo连线的延长线上。

③在eo的延长线上取圆心o1、o2、o3……等，分别算出相应的fs1、fs2、fs3……等，通过o1、o2、o3……等分别以垂直oe的不同大小线段代表fs1、fs2、fs3……值，连其端点，则曲线上最小的fs值对应的om点即是最危险滑弧圆心。通过最危险滑弧圆心位置即可确定出潜在滑移面的位置。

原理2：

滑坡灾变形成的物理实质是在外动力作用下滑动面附近的介质逐步受到损伤，从而导致位移变形和大规模的突然失稳。根据弹塑性理论和岩土力学基本原理，在三轴应力条件下，一般岩土体材料的应力应变关系及其破坏规律如图3所示。从图3可以看出，材料在oa阶段为压缩变形阶段，虽然其应力σ与应变ε呈非线性关系，但在该阶段加载和卸载对材料的结构和性质并不产生不可逆的变化。ab和bc分别为弹性变形阶段和近弹性变形阶段，在此阶段内，应力σ与应变ε成线性关系，其加载卸载后变形能完全恢复，即变形可逆，此阶段内应变变化δε与应力变化δσ的比值λ为定值。从c点开始，随着材料进入塑性变形阶段，应力σ与应变ε成非线性关系，此时的应变变化δε与应力变化δσ的比值λ已不再是一个定值，而且随着应力δσ的增大和材料塑性损伤的不断发展，其相应应变响应的变化量δε也呈现非线性增大，因此其应变变化δε与应力变化δσ的比值λ将出现非线性增大；当材料达到峰值强度d后，即在材料完全破坏时，其应变变化δε与应力变化δσ的比值将出现突变，即无穷大。上述岩土材料的基本变形与破坏规律表明，在非线性系统失稳前可以通过材料的应变变化δε与应力变化δσ的比值作为非线性系统稳定性状态与趋近失稳的定量表征。因此，本专利将岩土体材料的应变变化δε与相应应力变化δσ的比值定义为应变响应率y，即：

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。