（岩土工程专业论文）边坡滑动面的瞬态面波搜索方法及其稳定性数值分析.pdf

摘要 论文题目：边坡滑动面的瞬态面波搜索方法 及其稳定性数值分析 专业：岩土工程 硕士生：陈明晓 指导老师：周翠英教授 摘要 本文以我省西部沿海高速公路某滑坡为研究对象，通过国内外较先进的瞬 态面波勘察的物探技术较全面地获得该滑坡的滑动面分布情况，结合有限元强 度折减法，分析滑坡的稳定性，得出其等效塑性区及其安全系数，与瞬态面波 勘察技术所搜索到的滑动面进行分析对比，为复杂边坡的稳定性分析提供一种 更可靠的数值分析方法。具体包括：( 1 ) 研究瞬态面波勘察技术在滑坡滑动面 搜索上的有效性，首先介绍了该技术的基本原理，根据面波波速在不同地层中 传播时，其频散曲线与岩土层物理力学性质的相关性，划分岩土层；当滑坡体 存在性质软弱的滑动带( 面) 时，其面波呈低速带，利用滑动带( 面) 与上下 地层的频散曲线的差异性，确定该滑动面的位置；( 2 ) 结合弹塑性有限元强度 折减法对边坡进行稳定性分析研究，首先介绍了弹塑性有限元强度折减法的基 本理论，分析了屈服准则和流动法则的选用、网格的划分、边界范围的确定对 计算结果的影响：运用m a r c 有限元程序进行网格划分和数值的计算；( 3 ) 选择 滑坡的主控断面进行各种条件下的弹塑性有限元分析：当无降雨影响时，选用 天然状态试验数据作为计算参数：当降雨的入渗深度为1 0 一1 5 m 或入渗至强风化 层时，在入渗带选用饱和状态试验数据，其余地带选用天然状态试验数据作为 计算参数；计算过程中选用了莫尔一库仑等面积圆准则，将不断折减的岩土体抗 剪强度值代入计算过程中，当分析结果出现一定幅值的等效塑性应变从坡脚到 坡顶上下贯通时，认为边坡发生了破坏，此时出现的等效塑性变形区作为边坡 摘要 的滑动带，相应的折减系数作为其安全系数；( 4 ) 最后，将瞬态面波滑动面搜 索技术与弹塑性有限元方法相结合，分别对k 2 6 + 6 0 0 滑坡的主控断面进行滑动 面搜索，二者所显示的滑动面数量和位置基本一致；据此，确定滑坡的滑动面， 针对上述不同的降雨入渗条件计算滑坡的稳定性，结果显示：当不考虑降雨入 渗时，滑坡的稳定性系数为1 8 4 ，边坡处于稳定性状态；当考虑降雨入渗条件 时，其稳定性系数为o 9 8 ，说明滑坡处于破坏状念。这一分析与实际滑坡所处 的状态完全一致；说明将瞬态面波搜索技术与弹塑性有限元方法相结合进行滑 动面确定，并进行稳定性分析的方法是合理有效的。 a b s n u 四 r e s e a i ho n1 h n s i e n ts u r f h c ew a v e s e a r c h i i 增 m e t h o do fs l i d i n gs u r f a c e 锄dn u m e c a ls t a b i i i t y a n a l y s i so fas l o p e m 哪o r ：g e o t e c l - n i c a le n g j 眦e “j l g s t u d e n t ：m l n g x m oc h e n s u p e r v i s o r ：p m c u i y j 鸣z h a b s t r a c t d e l e f i l i i n a t i o no fs l i d i n gs i i f f a c ef o fah n d s l i d ei sal 【e yp r o b l e m i nt j i i sp a p c bb yt a 妨l ga t y p i c a ll 柚d s l i d ei nt h ew e s tc o a s t 丘c e w a yg u a n g d 强gp r o v i n c ea sa ne x a m l ) l e ，t h ea d v a n c e d l r a l l s i e n ts u r f h c ew a v es v e yn 他t b o d ( t s w s m ) a n di t st c c h | l i q u 姻s 埘n gf o rs l i d i gs u r f a c e i sd j s c u 鹞e d b yc o m b i n i n gt h e 码w p mn 辩c h o d 哇l han u m 盱i c a l a n a l y s i sm e m o dc a l l e d s 岫蟛hr e d 【l l c t i o n 眦t h o do fn l l i l ee l e 腓n l ( f e m ) ，t l l ce q u i v a l c mp l a s t i cz o n ea n ds a f c i yf a c i o r i so b t a i m d a ti h es a m ed i m ，an d w 啪yi oi m p l d v ci l i em i i a b i l i t yo fn u m e r i lm c t h o df o ri h e c 0 唧l e x i t ys 1 0 p e ss 扭b i h t ya 眦l y s i si sp r o v i d e d d e 诅i l s 呲d e s c r i b e da s 枷州n g ：( 1 ) t h eb a s i c p 越n d p l e sa b o u t 扛a 地i e ms 曲c ew a v ep r p c c h n gm e t h o da n dt e c h n o l o g ya 陀j n t m d l l c e d 、毫l o d t i e so fs f a c ew a v ea f ed e 丘咒n tw h e nn 嵋yt r a i li h f o u g hd i 矗e r c ms t r a c a 。a c c o r d i n gt o t h e 坤l a 旺v i t yb e t w e e n 仇q u e n c yd i s p c r s i 曲c l l r v e s p r e n i j n gt h e 仃a 璐l i tv e l o c i t y ) a n d p h y s c a la di 脯c h a n i 鞠lp f o p e r t e s0 fm c k sa n ds o i l s ，d e f 盯e mg t f a t ac a nb ed v j d e d g e n e m l l y ， s l i d i n gs i i r f a c e0 fal a n 出l i d ei saw e a kz o n e ，w h e ni h es l l r 如c ew a v ep a s s 髂t h m u g ht b i sw k z e ，t h ev c l o d t yo ft h ew a v ei sv c r yl o w ；i h u s ，a c c o r d i n gt oi h cd c f e 化i 髓o fw a v ev e l o c i t i e s b e t w e c ni h cw kz 呻ea n dt b eu p p e ra n dl a w e rs 虹a i a ，m es u d i n gs u r f h c e nb ed e t e r 枷m 出 t l i i sf e s e a r c hs 砧w st h ee 插c c t i v e 鹏鼹o f “a 璐i e n ts f a c ew a v cs v e yt e c h n o l 9 9 y 啪r c h i n gf o r s l n gs u m c eo f l a n d s l i d e s ( 2 ) 1 1 l eb a s i ct 1 1 e o r yo fs t 嘲g t h 他d l l c t i o n 眦i h o do fd a s l i ca n d p l a s 雠f e m i sd i s c 惦d i n t h i sp a r t 1 1 l c 硼鹏n 0 fs 咪h c i o 琏辄c ha s l c c “明0 fy i d d 口i t e f i o na n d 丑o wt h e o f e 越，d i v 斌o no fn 髓w o i k a n dd e t e f m i 蕊t i o no fb l n d a r yc o n d i t i o 璐t 0t h c m c a i c u j a t e df e s l l l t si sa m l y z e d t h en u m e f i c a lc a l c u l a t i 叩i s i e d0 u tb ym a r cf e mp r o c e s s ( 3 ) s e l e 枷n gk 2 6 + 6 0 0l a n d s l i d ea s at y p i c a l0 n ei n 也ew e s tc o a s i 雠e w a y ，g t l a n g d o n gp r o v i d c e ， i h ee l a s t i ca n dp l a s t i cf e m a n a l y s i si sc o n d u c t e db yt a “n ga 咖i i ls e c l i o n0 ft h el 柚d s l i d ei nt w o c a s e s c a s ei ：w h e ni th a sn 0m i n f a l li n 妇u e n c e ，t h ec a l c u l a t i o ni sp r o c e s s c db yu s i n g 缸 p a r a m e t e r si nn a t u r a ls t a t e ；c a s ei i ：w h e nt h ed e p t h0 fr a i n f a ni n f l u e n c er e a c hi o1 0 - 1 5 m o rt h e w a t e ri i l f i l t r a t et os t r o n 弭yw e a t h e r e df o c k s1 3 y e lt l l ec a l c u l a t i o ni sc o n d u c t e db ys e l e c i i n gi t s p a r a m e t e r si ns a t u r a t e ds t a t ci ns e e p a g ez o n e t h em o 量l r k u l u nc r i t e r i o ni ss e l e c t e di nt h e c o m ”t a t i o mg i v i n gi l l i t i a ls h e a r i l 唱s t r c n 舀ho fr o c l ( so rs o i l st l l a ti sc o 地t a n i l yr e d u c e di nt h e 呷u i a t i o np c e s s t a k i n gt h ec o 璐t a n yf e d u ds l l e a r i i l gs t r e n g t hi n i ot h ec o m p u t a t i o n o c e s s ，w l l e nt h ee q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i n 邝nt h f o u g l if f o mt 1 1 cf 0 0 it ol h et o po fas 1 0 p e ，t l l e s l o p e b er e g 盯d c da sf a 司l 玎qt h l l s ，m ee q l l i v a l c n lp i a s t i cd e f 叫m a t i o nz o 鹏i sc 0 璐i d e r c da s 【b cs l i d i n gz o n e ，c 0 憾p o n d i n g l y t h er e d u c e dc o e f f i d e mi s n s i d 盯e da st b es a f e t yf a d o ro ft h e s 1 0 p c ( 4 ) i n t h ce n d0 f t h ep a p e t h et s w s m 腓i h o da n de i a s t i ca n dp l a s t i c 疆m m i h o d i s 叩p l i e dl oi h ek 2 6 + 6 0 0l a n d s l i d es 印a f a t e l y ，t h ca 啪u m 柚dl o c a t i o ft h es l i d i n gs 曲c ci s a l i s tc o i n d d 蛐t b yc o m b i n i n gt h e 髑w s mm e t b o d 埘t l ie l a s t i ca l l dp l a s t i cf e mm e t h o d ，t l l e s l i d i n gs u 血c eo fk 2 6 + 6 0 0l a n d s l i d ei sd e i e 珊j d c 曲s 池f i 屹d i 丘删旧mi n 丘l i m t i o nc o n d i l i 硼s t h a ta r ed i s c i 】s s e da b o v e ，【h es i 曲i l i i yo fl h el a n d s h d ei sc a r r i e d 叫t t k 嘲u h ss l l 删t h a “n 髓辩 i ，t h cs 协b i u l yf a c i 叫0 f t h es l o p ci s1 8 4 ，r e p f e s e n 招t h cl a n 出l i d ei si l ls 协b i es l 毫咄i nc a 辩l l ，t l l e s t 曲n i i yf a c t o r0 ft h es l o 辨i s0 鲐，r 印他辩n l st l l el 柚d s h d ci s i i li n 咖b l eg t a l e 1 1 i ea n a l y z e d 佗刚l sa f ec o i c i d e d 、e uw i i bt h ea d u a ls t a l eo fi h el a n d s l i d e ；i ti ss h w mt l l a tt l l eo o m b i m t i 彻 0 f 髑w s mi m t h o dw i i h 耀mm e i h o d1 0d e t e r i i i i t h es l i d i n gs u 嘞c e dg i v et h es 诅b i l i t y a m l y s i si sf e a s o m b l ea n de 伍e c t i v e k e y w o r d s ：s b p e s ；s i 柚l n gs 叫h 吣e ；t 瑚璐i e 毗w 盯e 豫囊盹h i n gm e 岫d 幽m t y ；n u m e r l i a 衄时s i s 第l 章研究背景 1 1 研究意义 第1 章研究背景 滑坡足一种重要的地质灾害，其发生对人类的生命财产将带来巨人威胁， 产牛不可估量的损失。如：我省深汕高速公路由于降雨所产生的滑坡，其滑塌 的土石方量1 0 0 0 0 立方米，造成交通中断一年余，造成不可估量的损失等“1 。 据不完全统计，九五期问由于滑坡等地质灾害造成的直接经济损失达2 0 0 亿 元年。其稳定性预测与分析水平不仅可以提高对工程的安全保障作用，同时， 也是促进经济可持续发展战略的根本保证之一，是全世界普遍关注的问题。卜 世纪8 0 年代联合国制定了国际| 1 年减灾计划；2 0 0 1 年发表的中国基础科学发 展报告巾已将灾害力学、灾害机理与防治方法列为国家力学、资源环境科学与 工程科学的“十五”优先发展领域。此外，滑坡也是一种重要的公共安全事 件，人们虽极为重视，但每年因滑坡灾害事件造成的公共设施的破坏仍十分严 重，损失巨大。尤其在经济发达地区或城市中，其发生可对社会经济的稳定性 造成巨大影响，且对人们的心里造成恐慌。图卜1 是香港中环某繁华地段一处 i | f 体，在暴雨过后发生的滑坡，可以看出：该滑坡造成山前公路的中断，并严 重危及山体周围和山脚下居民的安全，对 城市的稳定和繁荣造成严重的影响。究其 原因是在滑坡的稳定性分析方法上尚需 要进一步加强分析方法的合理可靠性。鉴 于此，如何将先进的勘查手段与科学的数 值分析方法相结合开展勘查设计工作，以 分析边坡的稳定性，确定加固设计的参 数、软弱面或滑动面分布与位簧等，不仅 图1 1 香港中环某繁华地段滑坡图片 具有重要的理论意义，而且具有重要的实 际应用价值。 中山大学硕士学位论文边坡滑动面的瞬态面渡搜索方法及其稳定性数值分析 1 2 国内外研究现状与存在问题 1 2 1 国内外研究现状 ( 一) 面波技术应用研究现状 面波即瑞利波。随着计算机和电子技术以及物探仪器、瑞利波软件的不断 发展，瑞利波在工程建设中发挥着越来越重要的作用。近几年，国内外有不少 机构和人员在研究横波波速与岩士的物理力学性质的相关性嘲，日本土质学会旧 及国内中国科学院工程力学所作了一些横波波速与标准贯入击数之间的关系， 并获得了两者之间的关系式。在工程应用过程中，通常把瑞利波波速转换成横 波波速，从而求取其相关性“1 ，目前没有直接利用瑞利波波速求取岩土物理力 学参数的有关资料。 我国首创多道瞬态面波法在工程勘察中得到广泛应用，同时也获取不同岩 性较准确的瑞利波波速，为研究面波勘察积累了宝贵资料。利用岩土层的瑞利 波波速来进行岩土层次的划分。1 、确定边坡的软弱面、滑坡的滑动面、软弱层 的物理力学参数，从理论角度是可行。目前，利用瑞利波波速定性求取岩性的 物理力学参数的试验获得较大进展。但是。利用瑞利波波速与岩土层的物理力 学参数的相关性，有效地确定边( 滑) 坡的软弱面，进而进行边( 滑) 坡的稳 定性分析的研究尚处于探索阶段。 ( 二) 边坡稳定性分析方法研究现状 归纳起来，边坡稳定分析方法主要是经典的刚体极限平衡分析法【6 ( k e p c 钍e r s o n ，1 9 1 6 ；w f e l l c n i u s ， 1 9 2 7 ；久w b i s h o p ， 1 9 5 5 ： n j a n 虬， 1 9 5 4 ，1 9 7 2 ；m o n g e 璐t c mp r i n c c ，1 9 6 5 ；s p e l l c 盯，1 9 6 7 ； s a n m ，1 9 7 3 ；王复 来，1 9 7 7 ；陈祖煜，1 9 8 3 ) 和极限分析法【伯】( 崔政权，李宁等，1 9 9 9 ，2 0 0 0 ) 和数值分析方法等三大类。 刚体极限平衡法先假定岩土体的破坏是在假定滑动面的基础上进行的，滑 动面上土体服从破坏条件，假设滑动面已知，其形状可以是平面、圆弧面、对 数螺旋面或其它不规则曲面，通过考虑由滑动面形成的隔离体的静力平衡，确 定沿这一滑面发生滑动时的破坏荷载。有的方法考虑隔离体的整体平衡，有的 2 第l 章研究背景 方法把隔离体分成若干竖向的土条，并对条间力作一些简化，然后考虑每一土 条的的静力平衡，这样可以系统地求出一系列滑面发生滑动时的破坏荷载。最 小的破坏荷载就是要求的极限荷载，与之对应的滑动面就是最危险的滑动面。 这种方法就是所谓的条分法，在极限平衡分析法之中较有代表性，包括不考虑 或部分考虑条块问的作用力的瑞典( f c l l e n i o u s ) 法( 1 9 3 6 年) 、简化毕肖普 ( b i s h o p ) 【9 】法，墓中瑞典法是边坡稳定分析领域最早出现的一种方法。该法假 定滑裂面为圆弧形，在计算安全系数时，简单地将条块重量向滑面法向分解来 求得法向力。1 9 5 5 年，b 诲h o p 在瑞典法基础上提出了一种简化方法，这方法 仍保留了滑裂面的形状为圆弧形和通过力矩平衡条件求解这些特点，但是在确 定土条底部法向力时，考虑了条间作用力在法线方向的贡献。但是自然界中发 生滑坡的滑裂面有相当大一部分并非圆弧形，对于任意形状的滑裂面，瑞典法 和毕肖普法不再适用，此时，一些学者试图通过力平衡而不是力矩平衡条件来 求解安全系数。这样，出现了适用于非圆弧滑裂面的陆军工程师团法、罗厄法 和简化j a n b u 法【1 0 】( 1 9 5 4 ，1 9 7 3 ) 以及国内学者提出的“传递系数法”。上述这 些方法都是在2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代初建立起来的简化方法，其重要特点是 试图提供较简单的计算步骤，使工程技术人员通过手算来得到安全系数，但随 着计算机和数值分析技术的发展，为了弥补上述条分法对多余未知量所作假定 的任意性，m o r g e 璐t 咖一p f i d l l l ( 1 9 6 5 ) 、s p e i i c c r f l 2 1 ( 1 9 6 7 ) 等学者提出了二i = 条侧向面不应发生剪切和拉伸破坏的合理性要求。发展了m o e g e n s t e m p r 妇 法、s p e n c c f 法，此后c h e n 和m o r g e n s t e m ( 1 9 8 3 ) 提出了改进的m o f g e 舾t e m p r i c e 法1 13 。，1 9 9 1 年rp a s 鼢l a c q u a ，gd a k r c i 提出了同时满足了力和力矩的平衡了 峪m 方法i ”j 。 极限平衡法可以满足力和力矩平衡、莫尔一库仑屈服准则和应力边界条 件，但并未考虑土体本身的应力应变关系。实际上分析边坡稳定性时当岩土体 应力小于屈服应力时，岩土体象刚体一样不变形，但一旦岩土体应力达到屈服 应力时，即使应力不变，岩土体也会象理想塑性体那样产生无限制的塑性变形 塑性流动，岩土体局部或全部进入塑性状态，土坡失稳，作用于土坡的荷 载( 包括自重) 就等于极限荷载，此时。可以运用塑性力学中的塑性极限分析 求得边坡的临界高度或安全系数，这种方法就是极限分析法。极限分析法克服 了极限平衡法的一些不足，能够在一定程度上考虑土体的应力应变本构关系。 3 中山大学硕士学位论文 边坡滑动面的瞬态面波搜索方法及其稳定性数值分析 近2 0 年来，应用极限分析法求解边坡稳定问题成为一个十分活跃的领域，由 s 1 0 柚等学者提出的有限单元法上、下限解【1 5 】以及d o n a l d 和陈祖煜提出的斜条 法上限解f 1 6 】是两个较为成熟并具有实用意义的方法。但极限分析方法也只能给 出假定滑移面上的应力场及速度场，但同样不能考虑边坡的坡体变形及其变形 对稳定性的影响。而实践经证明，稳定和变形有着相当密切的关系，一个边坡 在发生整体稳定破坏之前，往往伴随着较大的垂直沉降和侧向变形。 随着计算机的发展，以有限元为代表的数值计算方法在分析边坡的稳定性 上越来越发挥了重要的作用( z i e n k i e w i c zoc ，h u m p e s o nc 【1 7 1 ，k w i srw ， 1 9 7 5 ；u g a ika ，1 9 8 9 ；m a t s u it ， s a nkc f 1 8 】，1 9 9 2 ；宋二祥，1 9 9 7 【1 9 】； 连镇营等，2 0 0 1 f 2 0 】) 包括：有限元法( f e m ) ；边界单元法( b e m ) ；离散单元 法( d e m ) ：有限差分法( f 【 m ) ；快速拉格朗日法( f l a c ) ：块体介质不连续 变形分析法( d d a ) ；数值流行元方法( n m m ) 等。有限单元法( 胁i t ee l e m e m m e t h o d l 是所有数值分析方法中较早应用于边坡稳定分析的方法( 1 9 6 7 ，1 9 7 5 ) 。 可分为小变形强度折减法和大变形分析两大类，求解线弹性、弹塑性、粘弹塑 性、粘塑性等问题。对于一般岩质边坡和硬质土边坡可用小变形理论求解，绘 制边坡岩土体的应力、应变分布和塑性区分布图，分析加固的部位和范围等。 对于软粘土类软土边坡，应采用大变形有限元理论进行分析。非线形大变形问 题有限差分( f l c ) 法是一种显式有限差分程序( 美国h a s c a 咨询集团， 1 9 8 6 ) 。后经过不断的改进( w i l l ( 妯s ，1 9 “) ，迄今为止，f l a c 程序已适于各 向同性和横观各向同性材料线弹性模型、m o h r _ c o u l d n l b 和d 邝c k c r p r a g e r 模型、应变软化和双屈服模型以及修正的c a m c h y 模型的计算问题掣2 ，利 用其图形可视化技术绘制边坡的等效塑性剪应变分布图。该方法既考虑到了岩 土体材料的非线性，也考虑到了边坡的几何非线性，适用于模拟岩土类非线性 材料的几何大变形问题。目前，其2 一df l a c 程序和模块已开发实现。在我 国的三峡大坝永久船闸高边坡与闸室岩体变形与稳定分析中已进行过3 一d 眦应用分析。 1 2 2 存在问题 ( 1 ) 边坡稳定性研究中无论是刚体极限平衡方法、还是极限分析法，抑 或数值分析方法，其根本在于滑动面的确定和岩土体物理力学性质参数的选取 4 第l 章研究背景 上。尽管目前通过各种分析方法可大致确定滑动面的形状如：弧形、对数螺旋 线型或者是不规则平面型，但这均与实际滑动面存在误差，这一误差使得滑动 面的合理确定成为最值得关注的问题，如何利用先进的勘查或实验技术搜索滑 动面是目前研究中值得探讨的问题； ( 2 ) 数值计算方法在滑坡稳定性分析上具有独特的优势，但是实际问题 的复杂性使得该类方法的计算精度和可靠性遇到困难，目前更多的靠研究者的 经验对计算参数等因素进行有效选取加以克服。如何将较先进的现场测试技术 与数值计算有机结合，以验证和改进数值分析结果的合理可靠性成为另一值得 探讨的问题。 1 3 本文的研究思路与内容 本文以我省西部沿海高速公路某滑坡为研究对象，通过国内外较先进的瞬 态面波勘察的物探技术较全面地获得该滑坡的滑动面分布情况，结合弹塑性有 限元分析方法，分析滑坡的稳定性，得出其等效塑性区及其安全系数，与瞬态 面波勘察技术所搜索到的滑动面进行分析对比，从而为瞬态面波技术与数值分 析方法的结合及其在滑坡研究中的应用提供一条途径，并应用于实际工程中的 滑坡稳定性分析中。研究内容包括6 部分，第一部分是绪论，主要是研究背景 阐述和研究思路简介；第二部分是所研究滑坡的概况及其工程地质条件，主要 是描述该滑坡的特征及所处区域的地形地貌、区域构造、地层岩性及水文地质 条件；第三部分为基于瞬态面波勘察技术搜索滑移面的方法，主要介绍了瑞利 面波法的基本原理、瑞利面波在不同介质中的传播特征及其频散陷线的差异以 及如何利用瑞利面波进行地层的划分及对滑坡进行滑动面的搜索；第四部分主 要简要介绍了岩土的强度屈服准则、强度折减法的理论基础以及安全系数的影 响因素。第五部分利用弹塑性有限元折减强度法对滑坡进行不同工况的分析， 得出各种工况条件下的等效塑性分布区，并与第三部分利用瞬态面波勘察技术 搜索到的滑动面对比分析；第六部分为结论及建议。 中ij l 大学硕士学位论文边坡滑动面的瞬态面被搜索方法发其稳定性数值玲析 第2 章滑坡概况及其工程地质条件m m ， 2 1 滑坡概况 西部沿海高速公路某滑坡位于中山金 鼎至珠海斗门段k 2 5 + 5 5 0 到k 2 5 + 6 5 0 处， 其中心里程为k 2 5 + 6 0 0 ，滑坡体 = = 约1 3 0 m ， 滑坡壁高度约3 0 1 2 0 c m ，后缘宽约5 0 m ， 前缘宽约1 6 0 m ，面积约1 4 0 0 0 m 2 ，滑坡的后 缘周界发育两条较明显的圆弧形的滑床， 相距约5 m ，滑坡前缘发育大量垂直滑动方 向的张鼓裂隙，滑坡的边界清晰，呈圈椅 状，滑动迹象明显( 图2 1 ) 。 2 。2 工程地质条件 2 2 1 地形地貌 图2 1 滑坡平晒图 该滑坡地貌属丘陵区，山丘最大高程达3 0 0 m ，滑坡坡脚处高程为3 m ，坡顶 处高程约6 5 m ，为山前坡积裙，地表植被发育，分布大量的滚石，最大滚石的 商径达4 m ，基本卜布满滑坡的表面。 2 2 2 区域地质构造 该场区位于西江断裂带上，与场区关系密切的主要区域地质构造为两条较 大的断裂，一条为西江断裂，基本上与滑坡所处的山脊垂直，滑坡位于西江断 裂的东侧；一条为3 f 沙断裂，基本上与滑坡所处的山脊平行，滑坡位于该断裂 的东南侧，滑坡位置正处在两断裂带的夹持部位，见图2 2 。 6 第2 章滑坡概况及其工程地质条件 1 、西江断裂：它基本f ： 与西江于流的方向一致，大 部分隐伏在第四系覆盖层之 下，北起四会，南至磨刀门， 全长约1 5 0 k m ，走向 3 2 5 。一3 4 0 。，总倾向n e ， 倾角么4 5 。一7 0 。，与路线最 近的证据为神湾附近有断层 角砾岩及岩石硅化迹象。地 貌上西江的东、西两侧截然 不同，西侧为基岩山地，少 坪附近沿江有多处断层三角 面，东侧则是三角洲平原。 西江河谷在思贤近9 0 。的南 折，马口峡西江河床底部高程一4 2 1 m 这些表明西江的断裂谷性质。 图2 2 场区区域地质构造 甘竹滩为一4 6 5 m ，西江干流河形顺直 2 、五桂山、黄杨山区南麓的平沙断裂：西 起崖门三虎，过平沙农场，东北至玉律，走向 为3 5 。一4 0 。，倾向n w ，倾角么5 0 。一6 0 。 在黄杨山南麓的平沙、乾雾一带多处钻孔发现 北东走向的断层破碎带( 据。东省地质局水文 工程地质二队) 。此段的第四系厚度自西南向东 北渐深，连成一条平原基底的凹陷带。三乡盆 地北侧的断层崖地貌比较清楚，并有雍陌温泉 出露，水温8 3 8 7 。c ，向东北处延伸至下栅， 退潮时海滩上也有热泉涌出。 2 3 地层岩性 通过在滑坡体上7 个钻孔的地质柱状图资 图2 3 钻孔柱状图 料，浚滑坡地层岩性主要由侏罗系火山角砾岩基底及第四系洪坡积层组成，见 7 中山大学硕士学位论文边坡滑动面的瞬态面波搜索方法及其稳定性数值分析 图2 3b 8 钻孔柱状图。 基底岩体破碎，主要发育三组裂隙，一组走向3 3 0 。，总倾向n e 6 0 。，倾 角么6 0 。，纵向切割滑坡体的岩体；另一组走向为4 0 。，倾向n w 4 0 。，倾角么 5 5 。，横向切割滑坡体的岩体。两组裂隙基本上分别与西江断裂带及平沙断裂 带的产状一致，再一组裂隙基本与坡面平行，产状的走向为8 0 。，倾向s e 2 0 。， 倾角么3 0 。，为基底的原生节理。基底风化较剧烈，全风化、强风化分布巨厚， 上部覆盖层以第四系坡积层为主。各岩土层的岩性特征分述如下： 1 、第四系亚粘土：红褐色，稍湿，硬塑，本层分布大量的碎石，使该层 的孔隙比较大、结构疏松，厚度普遍为2 5 6 o m 。 2 、全风化火山角砾岩：呈黄褐色、灰绿色亚粘土，稍湿，硬可塑一硬塑状， 分布厚度约1 2 8 2 2 8 m ，由上而下逐渐接近强风化，含较多微风化夹层。 3 、强风化火山角砾岩：呈黄绿色，半岩半土状，含大量弱风化碎块，且 呈由上而下交多，分布深度约1 8 7 2 6 4 m 。 4 、滑带土：滑坡体主要发育两个滑带，分别处于亚粘土与全风化过渡带、 全风化与强风化过渡带范围，第一层滑带的深度范围为8 5 1 0 8 m ，厚度为 0 2 一o 5 m ，滑带的物质较疏松，含大量的碎石及弱风化岩块；第二层滑带的深 度范围为2 2 卜2 3 8 m 、厚度约0 2 一o 6 ，滑带结构疏松、有滑动痕迹，花斑条 带定向错动。 2 4 水文地质条件 本区地下水赋存类型为基岩裂隙水及松散层孔隙水。基岩裂隙水分布于丘 陵区，地下水位随地形及季节有较大变化，一般埋深较大，但局部坡脚有泉水 出露，涌水量普遍较大。坡残积层为潜水，涌水量中等。 2 5 滑坡成因分析 调查分析表明，该滑坡的发生于1 9 9 5 年8 月，是在坡脚公路及公路路侧 的排水渠完工后，经过8 月份的连续暴雨之后发生滑动的。因此，分析其原因 主要有如下几点： 1 、该匮属南亚热带海洋性季风气候，温暖潮湿，雨量充沛，年均降水量 1 7 0 0 一2 2 3 1 唧，雨季为每年的4 9 月，降水量占年降水量的4 9 8 8 8 2 。年内 8 第2 章滑坡概况及其工程地质条件 暴雨较集中的时间为5 9 月，因此，强降雨的影响是此区发生滑坡的重要因素。 2 、该滑坡由于是由亚粘土夹微风化火山角砾岩岩块的坡积层及裂隙发育 密集的岩体组成，岩体风化剧烈，风化不均，组成滑坡体的各层岩土体结构松 散。基底由于受两条区域构造带的影响，裂隙发育，其倾角接近垂直，为地表 水的入渗提供了良好的通道，强降雨后雨水的入渗往往赋集于各分层界面上， 使分层过渡带的抗剪强度显著降低。 3 、由于岩体的原生节理与坡面近似平行，是发生滑坡的天然软弱面。 4 、是由于在坡脚开挖公路及排水渠，形成了临空面，从而进一步诱发了滑 坡的产生。 9 中山大学硕士学位论文边坡滑动面的瞬态面波搜索方法及其稳定性数值分析 第3 章基于瞬态面波勘察技术的滑动面搜索方法 3 1 瞬态面波法的基本原理1 2 4 伽 瞬态面波沿地面表层传播，表层的厚度约为一个波长，因此，同一波长的 瞬态面波的传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况不同波长的瞬态面 波的传播特性反映着不同深度的地质情况。在地面上沿波的传播方向以一定的 道间距缸设置n + 1 个检波器，应可以检测到瞬态面波在缸长度范围内的传 播过程，设瞬态面波的频率为，f ，相邻检波器记录的瞬态面波的时间差为缸或 相位差为毋，则相邻道缸长度内瞬态面波的传播速度为： 圪一缸厶f 或一碱缸妒 ( 3 1 ) 测量范围缸内平均波速为： 。害堕或k 。考噍生 ( 3 2 ) 善出；善哦 在同一地段测量出一系列频率的值，应可以得到一条一，曲线，即所 谓的频散曲线，或转换为一k 曲线，a 露为波长： 厶= ， ( 3 3 ) 一，曲线或咋一九曲线的变化规律与地下地质条件存在着内在联系，通 过对频散曲线进行反演解释，可得到地下某一尝试范围内的地质构造情况和不 同尝试的瞬态面波传播速度值。另一方面，值的大小与介质的物理特性有 关，据此可对岩土的物理性质做出评价。 图3 1 是瞬态瞬态面波勘探原理示意图，通过锤击、落重乃至炸药震源，在 地面上产生一瞬时冲击力，产生一定频率范围的瞬态面波，不同频率的瞬态面 波叠加在一起，以脉冲的形式向前传播，所记录的信号经过振幅谱分析和相位 第3 章基于瞬态面波勘察技术的滑动面搜索方法 谱分析，把不同频率的瞬态面波分离出来，从而得到一条v r f 曲线或v 卜h 曲 线。 | 频散曲线一求t 或+ l l 一_ _ i 信号采集_信号分析 r 丁 一一 r 为 。、 检波器 j l ， 、_l一震源 图3 1 瞬态面波法原理示意图 3 。2 瞬态面波的传播及频散曲线瞄蝴l 3 2 1 均匀半空间介质中的瞬态面波 均匀半空间介质虽然是一种理想化的模型，但通过对理想化模型中瞬态面 波的研究可以解决如下两个问题：一是说明瞬态面波在介质的自由表层中要存 在波动就会有瞬态面波的存在，并对瞬态面波的传播机制和特性有一详细的了 解；二是说明在均匀介质中，瞬态面波的传播速度与频率无关，即没有频散性。 这种均匀均匀的无频散性是瞬态面波勘探的物理前提条件之一，因为地质勘探 的目的就是探明地下不均匀地质体的赋存状态。所以，具备了这一前提才使得 利用瞬态面波进行勘探的理论依据更充分。 如图3 2 是一个半无限弹性空间，空间内充满着弹性常数为a 、“和密 度为p 的介质，令坐标x o y 平面与自由面重合，z 轴垂直于自由面向下，为简 便起见，现讨论平面波的情况，波沿x 轴方向传播，与y 轴无关，即x o y 平面 的二维问题。在上述空间内，通过对波动方程的求解，除了能得到以圪速度传 播的p 波和嵋速度传播的s 波的解以外，我们还能得到一个以速度v 传播的波， 1 l 键 中山大学硕士学位论文边坡滑动面的瞬态面波搜索方法及其稳定性数值分析 该波沿x 方向传播。波的振幅在自由界面x o y 平面上为最大，并随着离开自由 表面的距离的增大而呈指数形式衰减，这种形式的波动传播，其能量实际上只 限制在一个表面薄层内，称为面波，根据其击发的条件不同，分为瞬态面波及 稳态面波。一般用峪来表示。 ， 图3 - 2 半空i 可均匀介质 瞬态面波的传播有如下特点： ( 1 ) 引起瞬态面波传播的质点的振动轨迹为一逆时针方向转动的椭圆，因 而瞬态面波的传播路径为一逆进椭圆。瞬态面波的垂直振幅和水平振幅随着介 质深度的增加而迅速衰减，其主要能量大部分集中在一个波长的范围内，因而， 一般认为瞬态面波的穿透深度约为一个波长。 ( 2 ) 瞬态面波的衰减。在地面进行竖向激振时，一般来说产生三种类型的 波，即纵波、横波、面波，前两种波也称为体波。体波的波前面为半球形面， 其面积正比于半径r 的平方( r 为震源到波前面的距离) 。而瞬态面波的波前面 约为一高度为l 的圆柱体，其波前面面积与r 成正比，这就是说，体波的振幅 1 反比于波传播的距离。衰减与1 r 成正比，瞬态面波的能量衰减与1 ，：成正比， l 用关系式可表示为：体波振幅* 1 ，瞬态面波振幅* 1 ，rz 。因此瞬态面波的 衰减要比体波慢得多。 ( 3 ) 均匀介质中无频散性。在均匀介质条件下，瞬态面波的速度与振动 频率f ( 即与钆) 无关，即在均匀介质条件下。瞬态面波传播速度没有频散性。 ( 4 ) 非均匀介质中的频散特性。如图3 3 所示，在均匀介质中瞬态面波无 频散特性，而在非均匀介质中具有频散特性，这一特性是瞬态面波勘察的物理 第3 章基于瞬态面波勘察技术的滑动面搜索方法 0 0 01 5 0 02 n 0 s d 03 。 1 、 加层舟质 均匀舟质 九p i m k 如s ) 1 可乳可f 蕊可弧可可啊了_ h jk 以p f 7 图3 3 加层介质与均匀介质的对比图3 4 两层半空间介质 基础。 3 2 2 层状介质中的瞬态面波 均匀半空间介质是一种理想化的模型，也是最早证明瞬态面波存在的一种 假设，它为研究瞬态面波的某些传播牲和具有的某些特性提供了简便的方法。 但不论是研究地球的内 v r 撕 s ) 部结构或用于第四系地j i 川 层工程勘察，所遇到的实 _ = 二i l 、 际问题几乎都是分层构 | 、 造。对瞬态面波在地质勘 。 、 l = 。 探和工程勘察中的应用， 1 ，一 感兴趣的主要是瞬态面 、 j 波在层状介质中传播时 ，!。 一一，? 一j ，施 的频散特征。 二4 川二“4 。i 如图3 4 所示，设x 模型参数：匕- 咖s 、咋t2 5 0 m ，s 、p 一1 船，m 3 、日。跏、 轴位于两层界面上，z 轴 向下，瞬态面波沿x 轴正 方向传播。在这种条件 k 2 4 0 m s 、咋5 m ，、万- 1 9 9 删 图3 5 两层半空间介质中瞬态面波频散曲线 中山大学硕士学位论文 边坡滑动面的瞬态面波搜索方法及其稳定性数值分析 下，可以得到瞬态面波传播方程，从而得到瞬态面波的频散曲线如图3 5 。作与 图3 _ 4 中同样的直角坐标系，可以得到三层及四层介质中的瞬态面波的频散曲 线如图3 6 和图3 7 所示。 v r 岍 s 、 s 0 j 卫，i ， 邑 0 j n u 4 0 0 fi h z 模型参数：k 。5 7 7 m s 、咋l 。1 0 0 0 坍“、岛。2 4 9 诩，、k ：3 4 0 埘，j 、 咋2 - 6 0 0 m ，$ 、n 2 眙，硎3 、i j r 2 - h 、 k ，一8 6 6 擤，、 咋 - 1 5 0 0 埔脂、岛一2 岵，删3 图3 - 6 三层瞬态面波频散曲线 劬j ) l i 5 l q 气n l 1 罨疑，_ 32 是。 、1 |h3l 帅 产一= 5 。j ，j i 、7 | f 曩翌一 、。逡 、 ；那。一一，王& 模型参数。4 6 2 m 脂、诈。8 珊，、n 。2 4 占，埘3 、i 。1 j ，i 、k 2 。5 7 7 用5 、 咋2 - 1 咖朋j 、n - 2 4 9 ，删3 、h 2 2 腓、 k 3 - 8 嗵辨j 、 咋3 - l 枷辨s 、岛- 2 略，c i ，1 3 、略- 1 1 5 4 啊，j 、咋。- 2 0 删，j 、 - 2 船，3 图3 7 四层瞬态面波频散曲线 第3 章基于瞬态面波勘察技术的滑动面搜索方法 3 2 3 瞬态面波频散曲线的变化规律 1 、频散曲线一，的变化规律与层波速的关系 如图3 8 是两层介质条件下的瞬态面波频散曲线，各层的参数见图，从图 中可以看出，当频率较高时( f 3 5 h z ) ，频散曲线为直线段，且一。( 为 第一层介质中瞬态面波的传播速度) ，随着频率的升高，频散曲线以= ，为 渐近线，当频率较低时( f 1 0 h z ) ，频散曲线以t 咋：( ：为第二层介质