一種基于正交應變比的土層邊坡穩定性測定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及邊坡穩定性評價與滑坡地質災害監測預警技術領域，具體涉及一種基 于巖土體正交應變比參數的土層邊坡穩定性評價方法。
【背景技術】
[0002] 我國是世界上滑坡災害最嚴重的國家之一，其滑坡災害具有分布范圍廣、發生頻 率高的特點，長期以來對我國工農業生產以及人民生命財產造成巨大損失，有的甚至是毀 滅性的災難。隨著近年來社會經濟的迅速發展，越來越多大型工程進行修建，致使滑坡災害 的發生規模與頻率呈現逐漸增強的趨勢，已成為對人類社會安全有極大威脅與影響的地質 環境災害之一。由于受到邊坡幾何形狀、土體參數，以及地質條件差異等綜合因素的影響， 邊坡穩定性評價與監測預警及其防治技術至今沒有很好的滿足工程建設的安全與減災防 災的要求，其中最突出的問題就是邊坡穩定性的位移監測定量判據及滑坡滑移面的確定問 題。因此，如何科學、準確地對邊坡穩定性進行超前分析與判定，是邊坡穩定性評價與滑坡 災害防治領域中亟待解決的課題之一。
[0003] 目前在邊坡工程穩定性評價領域，運用最為廣泛和實用的方法是極限平衡法、有 限元數值分析法與位移時序法等。其中極限平衡法如Fe 1 lenui S (費倫紐斯)法、Terzaghi 法、Bishop法、Janbu法等，均是以剛體極限平衡理論為基礎，將滑坡坡體進行簡化，將滑坡 坡體視為剛體并假設滑移面為圓弧形滑移面，分析其沿滑移面的力學平衡狀態，進而分析 和確定邊坡的穩定性。由于此類方法不考慮材料的應力應變關系，因而無法考慮變形與穩 定的關系，且該類方法對滑坡邊界條件及坡體物理力學參數的要求極為苛刻，建立力學評 價模型為不含時間因素的靜態評價模型，因此也無法評價邊坡穩定性隨時間的變化規律。 此外，該方法假設邊坡滑移面為圓弧滑移面也存在一定的局限性，因為對于非均質土層邊 坡，其地質條件復雜性與應力分布的不均勻性，邊坡通常并不是沿單一均勻的圓弧滑移面 破壞，滑面形狀實際上往往呈非圓弧任意形狀，這種情況下極限平衡法仍將滑面簡化為圓 弧滑移面，很難真實反映邊坡穩定性狀態，由此導致錯誤的評價結果。以有限元為代表的數 值計算方法，在邊坡穩定性分析中也發揮著十分重要的作用，這類方法考慮了邊坡巖土體 本身的變形對邊坡穩定性的影響，而且能給出邊坡巖土體中應力應變分布情況及分析邊坡 破壞的發生及發展過程等。然而這類方法很難給出一個明確的穩定性安全系數，很難給出 一個明確的滑移面，此外該類方法計算復雜，不易被技術人員掌握，因此在一定程度上也限 制了其在工程中的應用。與極限平衡法與有限元法相比，位移時序預測方法以邊坡位移監 測為基礎、以位移參數及其變化作為邊坡穩定與否和穩定程度的預測參數與評價準則。其 位移監測以其精度高、易實施，且反映邊坡穩定性狀態綜合直觀等優點，所以該類方法在某 種程度上克服了極限平衡法與有限元法的不足與局限，并已在我國重大工程邊坡穩定性監 測與滑坡防治領域得到了廣泛的應用且發揮了重要作用。然而該方法所采用的位移預測參 數是一個極易受外界因素干擾而出現振蕩及多期加速階梯狀振蕩變化的監測評價參數，且 這種位移加速階梯狀振蕩變化并不一定能代表邊坡的穩定性降低或滑坡的整體失穩，此外 該類方法的位移預測參數沒有統一失穩判據，其臨界失穩位移值隨邊坡的規模、巖土體類 型等因素變化而不同，因而無法依據其臨界失穩判據對滑坡災害的發生時間做出準確判別 與預測。此外，該類方法主要通過監測鉆孔深部位移的變化，根據位移的突變隨時監測邊坡 滑移面的出現，然而位移的突變并不一定預示坡體一定出現塑性區，因動力（如降雨、庫水 位)的突變也可引發其位移的突變，所以單純依靠位移參數確定邊坡滑移面存在一定的或 然性和不確定性。

【發明內容】

[0004] 針對上述傳統土層邊坡穩定性評價方法的局限與不足，本發明研究和確定了基于 正交應變比參數的邊坡穩定性評價方法，該方法在用極限平衡法確定邊坡最危險滑移面的 基礎上，采用多點應變計或分布式應變計傳感器組成監測網格監測邊坡坡體內水平橫向與 垂直豎向應變，以此為基礎確定正交應變比參數，并根據正交應變比參數的變化規律可確 定邊坡的塑性區范圍。同時，依據損傷變量原理確定邊坡損傷變量及其穩定性判據，進而對 邊坡穩定性進行評價，以達到對邊坡進行科學、有效、及時預警及治理的目的。
[0005] 本發明的基于正交應變比的土層邊坡穩定性測定方法，是通過下述方案實現的， 包括如下步驟：
[0006]步驟一:邊坡最危險滑移面的確定；
[0007 ]步驟二:邊坡正交應變監測網格的布置；
[0008] 步驟三:各監測網格結點處垂直與水平應變的監測與數據記錄；
[0009] 步驟四：邊坡監測網格正交應變比參數的確定；
[0010] 步驟五:邊坡正交應變比穩定性判據與滑移塑性區的測定；
[0011] 步驟六:邊坡坡體損傷變量及損傷變量臨界值的確定；
[0012] 步驟七:邊坡整體穩定性分析與評價；
[0013] 步驟八:邊坡整體滑移面的確定。
[0014] 進一步地，各步驟的具體方法如下：
[0015]步驟一:邊坡最危險滑移面的確定
[0016] 對待評價邊坡進行初步勘察與測繪，確定邊坡分布范圍與幾何尺寸特征，根據 Fellenuis法，假定其邊坡滑移面形狀為圓弧滑移面，確定出邊坡內部可能發生滑移的多個 潛在滑移面及相應滑移面的穩定性系數Fs;對比各確定的穩定性系數Fs，并取其最小值作為 邊坡的整體穩定性系數，其相應的圓弧線即為最危險滑移面。（所述的Fellenuis法及穩定 性系數Fs的確定均是本領域公知常識及常規技術手段。）
[0017] 對均質粘性土坡：當內摩擦角φ_>〇時，其最危險滑移面通過坡腳；當φ=〇時，其最危 險滑移面通過或不通過坡腳，這取決于土坡坡腳和坡底下臥硬土層埋藏深度(見原理1)。
[0018] 步驟二:邊坡正交應變監測網格的布置
[0019] (1)在邊坡主滑區確定一代表性坡體橫斷面，并以此確定最危險滑移面與邊坡頂 面交點；
[0020] (2)沿該邊坡橫斷面從坡頂至坡腳以間距0.5m-lm布置m根沿水平方向均勻分布的 多點應變計或分布式應變計;其中m>l;
[0021] (3)在邊坡頂與最危險滑移面的邊坡頂面交點之間，沿上述坡體橫斷面1.5d_2d橫 向距離的另一橫斷面以間距〇.5m-lm垂直布置η根豎向均勻分布的多點應變計或分布式應 變計，所述d為水平方向所選用的應變計的埋設孔徑直徑;在最危險滑移面的邊坡頂面交點 外側以間距lm-3m垂直布置1~3根豎向多點應變計或分布式應變計，以此構成mX [n+(l~ 3)]的的正交多點應變計或分布式應變計監測網，并保證水平應變計與豎向應變計之間互 不干擾;其中η>1;
[0022] (4)在應變計與邊坡坡體接觸表面埋設傳感器裝置與數據采集系統，且保證埋設 的傳感器不改變邊坡自身穩定狀態，從而形成水平與垂直方向交叉分布的應變監測網格。
[0023] 步驟三:各監測網格結點處垂直與水平應變的監測與數據記錄
[0024] 將第i行與第j列應變計交點處的結點命名為結點Ji-j，其中i = l、2、. ..m，j = l、 2、. . .n，并以k天為時間間隔同步同周期分別對監測網格各結點Jy的邊坡垂直與水平應變 進行實時監測，應變計的監測數據通過數據采集系統讀出，并根據監測數據采集系統分別 記錄下不同時刻監測網格各結點處水平應變值ε χ與垂直應變值并將整理好的數據詳 細錄入Excel表格，進行數據記錄。其中1。
[0025] 步驟四：邊坡監測網格正交應變比參數的確定
[0026] 將某一時刻邊坡監測結點處垂直應變與水平應變的比值