工程開挖引起的黃土邊坡變形破壞機理分析

王衍匯，倪萬魁，李征征，石博溢，戴磊，袁志輝

(長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安　710054)

工程開挖引起的黃土邊坡變形破壞機理分析

王衍匯，倪萬魁，李征征，石博溢，戴磊，袁志輝

(長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安710054)

近年來，由于黃土高原地區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展，受地形限制的影響，很多工程建設(shè)無法避開已有的黃土滑坡，使得在邊坡開挖過程中產(chǎn)生各種變形破壞跡象，危害十分嚴(yán)重。筆者以富縣洛陽鄉(xiāng)某挖方邊坡為例。根據(jù)其地質(zhì)環(huán)境、滑坡概況以及人類活動等情況，利用工程地質(zhì)分析法定性闡述了在邊坡開挖過程中的破壞機理，并將整個變形破壞過程分為3個階段：坡腳卸載差異變形階段、壓致拉裂面貫通階段、“V”型裂縫穩(wěn)定階段；其次，結(jié)合有限元數(shù)值模擬量化描述了邊坡的變形破壞特征；最后，基于邊坡應(yīng)力分布情況，推算出蠕滑段發(fā)育的最大深度距剪出口約93m，同實際情況較為吻合。

黃土邊坡；人工開挖；蠕滑；壓制拉裂；“V”型裂縫

我國是一個滑坡災(zāi)害較為頻發(fā)的國家，據(jù)不完全統(tǒng)計，自20世紀(jì)80年代以來,幾乎平均每年都有一次重大滑坡災(zāi)害事故發(fā)生(黃潤秋，2007)。近年來，由于黃土高原地區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展，受地形限制的影響，很多工程建設(shè)中不得不開挖黃土滑坡進行場地建設(shè)，使得邊坡在開挖過程中產(chǎn)生各種變形破壞跡象，從而引發(fā)了大量的黃土滑坡，對人的生命和財產(chǎn)帶來十分嚴(yán)重的危害(徐張建等，2007)。

理論和實踐證明，滑坡的變形破壞機理很大程度上決定了其最終破壞的方式與特征(張茂省等，2011；BROMHEAD E N，et al.，2006)，而黃土滑坡普遍都具有復(fù)雜的變形演化機制及破壞過程，大致可分為以下4類：“牽引”錯落機制、剪切滑動機制、崩滑-液化機制、蠕滑-平移機制(徐張建等，2007)。因此，正確的把握黃土滑坡的變形破壞機理是認(rèn)識滑坡特性、評價滑坡穩(wěn)定性、預(yù)測滑坡演化趨勢、指導(dǎo)滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)合理選取、預(yù)防和整治滑坡的關(guān)鍵(張帆宇等，2009；GIANFRANCO Urciuoli，et al.，2007)。

筆者以陜北富縣洛陽鄉(xiāng)某挖方邊坡為例，根據(jù)其工程地質(zhì)條件、工程概況以及人類活動，用工程地質(zhì)分析法定性的闡述了該邊坡在開挖過程中的啟動機制及破壞機理，結(jié)合數(shù)值模擬定量模擬了該邊坡的變形或破壞特征，并與監(jiān)測數(shù)據(jù)做以對比，全面系統(tǒng)的分析了該邊坡的成因、失穩(wěn)過程和破壞機理。

1　邊坡工程環(huán)境和基本特征

1.1工程地質(zhì)條件

筆者所研究的挖方邊坡地處陜北黃土高原丘陵溝壑地帶，區(qū)域大地構(gòu)造位置屬中朝準(zhǔn)地臺陜甘寧臺坳陜北臺凹，新構(gòu)造運動在本區(qū)中新生代地層中變化不明顯，褶皺斷裂構(gòu)造不發(fā)育，屬新構(gòu)造運動相對穩(wěn)定區(qū)，整體表現(xiàn)為間歇性緩慢抬升。場區(qū)內(nèi)地震頻度低，強度小，地震災(zāi)害輕，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造屬相對穩(wěn)定區(qū)。

場區(qū)在地貌單元上處于黃土梁前緣溝壑區(qū)斜坡地帶。自然綜合坡度約25°～30°，頂部較平緩，兩邊坡面沖溝發(fā)育，局部地段沖溝下切較深，有明顯坍塌現(xiàn)象。目前邊坡受地層和風(fēng)化控制，自然形成多級黃土陡坎。陡坎高度約6～8m，陡坎上下平臺寬約2～5m。場內(nèi)地層自上而下依次出露有第四紀(jì)全新世耕植土及洪積的黃土狀土；第四紀(jì)晚更新世風(fēng)積黃土、殘積古土壤；第四紀(jì)中更世風(fēng)積黃土、殘積古土壤，下三疊統(tǒng)瓦窯堡組砂巖及砂、泥頁巖互層體。其中，黃土狀土層位不穩(wěn)定，厚度變化大，分布不連續(xù)，常分布于坡體近坡腳位置，呈披覆狀；黃土、古土壤呈披覆狀分布于整個坡體，層位、層厚變化大；基巖層構(gòu)成上覆松散層的基座，層位穩(wěn)定，產(chǎn)狀近水平。

1.2滑坡概況

場區(qū)內(nèi)存在一古滑坡(圖1)，滑坡位于洛河右岸，洛陽鄉(xiāng)以南約10km。坡體近東西走向，地形起伏大。滑體位于黃土梁與斜坡之間的斜坡地帶，底面標(biāo)高912～1 055m，相對高差143m。洛河滑坡在平面上呈近似“簸箕狀”，兩側(cè)以沖溝為界，后陡前緩，周緣可明顯看到錯動帶?；w縱向長480m，橫向?qū)?80m，滑體后部較厚(約26m)，前緣較薄(約4m)，平均厚度約11m，滑體后緣滑面主要在Q2黃土中，中部主滑段與前緣抗滑段主要分布在粉質(zhì)黏土與砂、泥巖結(jié)合面處。滑體后緣陡壁較清晰，高20～50m，坡角50°～75°，前緣到溝邊，從前緣看滑體圈椅狀形態(tài)清晰可見。目前滑體已被沖溝切割破碎，坡體植被較發(fā)育，地表呈緩斜坡狀，自然坡度約25°～35°。滑體體積較大，主要由第四系黃土和粉質(zhì)黏土組成，下三疊統(tǒng)瓦窯堡組砂巖及泥、頁巖互層體在滑體前緣溝口內(nèi)裸露，基巖風(fēng)化差異明顯，風(fēng)化程度為強—中等。根據(jù)勘察成果及現(xiàn)場調(diào)查訪問，該滑坡多年來未見明顯滑動跡象，屬古滑坡，現(xiàn)已基本穩(wěn)定。

1.3人類活動

為了滿足場區(qū)布設(shè)的總體要求，需在滑體中部沿坡體地形修建一條近南北向的場區(qū)道路，該道路將滑體分割成東、西兩部分，同時在洛河古滑坡后緣附近(圖1)進行了大規(guī)模的人工開挖和削坡活動，形成高70m的挖方高邊坡(圖2)，坡體采用1∶1.0、1∶0.75、1∶0.5三種坡率放坡，其中挖方段土質(zhì)邊坡按照1∶0.5～1∶0.75放坡，基巖邊坡放坡率為1∶0.5，各級邊坡間設(shè)置2～3m平臺。場區(qū)內(nèi)強烈的人類工程活動破壞了地質(zhì)環(huán)境以及古滑坡原有的平衡，使新建挖方高邊坡的穩(wěn)定性大幅度下降，坡體的變形破壞現(xiàn)象嚴(yán)重。為適時監(jiān)控坡體在開挖過程中變形特征及演化規(guī)律，在坡體開挖前，在坡頂設(shè)置地表變形觀測點2個(BX1、BX2)，坡體開挖后，增設(shè)地表變形觀測點1個(BX3)以及深部位移觀測點1個(CX1)。

1.滑坡周界；2.地質(zhì)剖面及編號；3.裂縫；4.滑動方向；5.地質(zhì)界線；6.等高線及高程點；7.第四系滑坡堆積物；8.馬蘭黃土；9.泥砂巖圖1　邊坡工程區(qū)域工程地質(zhì)平面圖Fig.1　The engineering geological planar graph of slope engineering

圖2?、?Ⅰ′工程地質(zhì)剖面圖Fig.2　The engineering geological profile of Ⅰ-Ⅰ′

2　邊坡變形破壞機理分析

2.1工程地質(zhì)分析

天然斜坡或人工邊坡形成過程中，巖(土)體內(nèi)部原有的應(yīng)力狀態(tài)將隨著過程的進行而發(fā)生變化，引起應(yīng)力的重分布和應(yīng)力集中等效應(yīng)。斜坡巖體為適應(yīng)這種新的應(yīng)力狀態(tài)，將發(fā)生不同形式和不同規(guī)模的變形與破壞(王念秦等，2005)，為此，應(yīng)以地質(zhì)分析方法為基礎(chǔ)進行力學(xué)分析(許領(lǐng)等，2008；雷祥義，1994)。筆者用工程地質(zhì)歷史成因分析法分析了陜北富縣洛陽鄉(xiāng)某挖方邊坡在人工開挖削坡過程中從差異卸荷回彈引發(fā)坡體前緣蠕滑到壓致拉裂面貫通，隨后邊坡在新的環(huán)境中形成穩(wěn)定的“V”型裂縫的變形破壞過程(圖3)。

圖3　挖方邊坡破壞機制簡圖Fig.3　A diagram of excavation slope failure mechanism

(1)坡腳卸載差異變形階段。邊坡開挖使坡體兩面臨空，坡體前端形成開挖卸荷面，坡頂頂部恰巧位于老滑坡后壁右翼處。由于坡體本身上部土體(黃土、粉質(zhì)黏土)的滲透性較好，而下部砂質(zhì)泥巖的滲透性很差，屬于不透水巖層，從而構(gòu)成了雙層異質(zhì)斜坡結(jié)構(gòu)(朱立峰等，2013)，接觸面的低洼部位匯集了大量的地下水，使土巖接觸面一帶的土體長期處于軟塑狀態(tài)，從而形成了平緩的軟弱面(圖4)。在人工開挖過程中，在下部砂質(zhì)泥巖和上部粉質(zhì)黏土的彈性模量差異巨大的影響下，加之軟弱面的存在，在坡腳土巖接觸面上下產(chǎn)生了差異回彈(王家鼎，1992)，前緣坡體沿平緩的軟弱結(jié)構(gòu)面向臨空方向產(chǎn)生了緩慢的蠕滑變形。BX2、BX3和CX1三點的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示自開挖完成后7個月內(nèi)，坡體發(fā)生了明顯的水平向位移，最大位移變形值可達21.31mm/d，而BX1點監(jiān)測數(shù)據(jù)卻罕有變化，間接說明了蠕滑的臨界影響范圍在BX1監(jiān)測點和BX2監(jiān)測點之間。

圖4　軟塑狀態(tài)的軟弱面圖Fig.4　The weak surface in soft-plastic state

(2)壓致拉裂面貫通階段。隨著蠕滑變形的發(fā)展，在前緣蠕滑段的錯列點附近，由拉應(yīng)力集中生成與蠕滑面近似垂直的張拉裂縫，這些裂縫密集而收斂，呈直線型，且具有張扭性，張開的裂縫寬度最大可達10cm，隨著滑移的擴大，陡傾的張拉裂縫沿黃土中的垂直裂隙向上擴展，方向大體平行于坡面(與最大主應(yīng)力方向趨于一致)，最終與地表貫通(圖5)，貫通的近直線型拉裂面(產(chǎn)狀為85°∠62°)貫穿了整個邊坡的土體，并伴隨發(fā)育了多組細小的牽引張裂縫，在此期間，BX2、BX3和CX1三點的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示坡體的水平位移有穩(wěn)定的增長，而垂直向位移較小。

(3)“V”型裂縫穩(wěn)定階段。坡體變形進入累進性破壞階段，坡體繼續(xù)緩慢的沿平緩的軟弱面向臨空方向蠕滑，但平緩而長的滑面不利于滑動，同時滑體在開挖后的長期蠕滑過程中發(fā)生了應(yīng)力重分布，已基本穩(wěn)定并形成了自平衡體，加之滑面由于蠕滑造成擠壓，增大了摩擦力，在臨空面處形成一個穩(wěn)定的抗滑體，BX3監(jiān)測點的數(shù)據(jù)顯示該部位的坡體基本沒有水平、豎直向位移。

圖5　貫通的直線型拉裂面圖Fig.5　The transfix linear tensile surface

滑體在重力作用下仍有蠕滑變形向臨空面運動的趨勢，而由于抗滑體的阻擋，陡傾的貫通拉裂面成為剪應(yīng)力集中帶，進而陡緩轉(zhuǎn)角處的坡體逐次被剪斷、壓碎，連通地表面形成楔形滑體，即出現(xiàn)邊坡表面的 “V”型裂縫，在重力及抗滑力的共同作用下，楔形滑體以底部的陡緩轉(zhuǎn)角點為轉(zhuǎn)動點發(fā)生轉(zhuǎn)動，并在“剪出口”附近微微隆起(圖6)，由BX2監(jiān)測點陡降的豎向位移即可證實該變形的發(fā)生，最大的豎向位移達到2 228mm。邊坡開挖20個月后，4個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，抗滑體基本不再發(fā)生變化，此時邊坡達到了新的平衡，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6　坡體表面“V”型裂縫圖Fig.6　The “V” type crack on the slope surface

2.2定量數(shù)值模擬分析

在對富縣洛陽鄉(xiāng)某挖方邊坡在開挖作用下引發(fā)邊坡變形破壞的工程地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，為了進一步闡述該挖方邊坡的變形破壞機理，利用geo-studio軟件中sigma/W模塊模擬了坡體在人工開挖過程中的變形起動機制及演化規(guī)律(王衍匯等，2014)。計算參數(shù)是利用室內(nèi)試驗、反演及陜北地區(qū)滑坡的經(jīng)驗綜合確定(表1)。

表1挖方邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

Tab.1Geotechnical physical and mechanical

parameters of excavated slope

土層γ(kN/m3)EMPaμcKPaφ(°)滑坡堆積物18.0300.251817馬蘭黃土17.5600.402818離石黃土17.8750.403222古土壤18.3800.404026粉質(zhì)黏土19.3830.303525軟弱結(jié)構(gòu)面20.3230.259.59砂質(zhì)泥巖25.0200000.25628030

由模擬結(jié)果可見，坡體開挖后開挖卸荷面附近的土體向臨空方向發(fā)生了明顯的位移(圖7)，同時開挖面的軟弱層面及開挖平臺坡腳處產(chǎn)生了很大的剪應(yīng)變集中現(xiàn)象(圖8)。說明人工開挖后，邊坡土體發(fā)生了應(yīng)力重分布現(xiàn)象，坡內(nèi)的最大主應(yīng)力方向在靠近坡面附近大體與坡面平行，且最小主應(yīng)力方向愈接近坡面愈趨近于零(圖9)，此時坡體極易發(fā)生蠕滑現(xiàn)象(陳春麗等，2014)。

軟弱面一帶的土體由于長期積水處于軟塑狀態(tài)，黏聚力基本為零，僅僅具有殘余的摩擦強度，此時可根據(jù)下式對變形起動條件作一判斷(張倬元等，2009)。

(1)

式中：α1為σ1與軟弱面的夾角；φi為軟弱面的殘余摩擦角；n為蠕滑判據(jù)。

圖7　開挖引起的坡體位移圖Fig.7　The slope position caused by excavation

圖8　開挖引起的剪應(yīng)變重分布圖Fig.8　Shear strain redistribution caused by excavation

圖9　開挖后坡體最大主應(yīng)力分布圖Fig.9　The maximum principal stress distribution of slope after excavation

表2　軟弱面應(yīng)力分布與蠕滑判據(jù)表

將表2內(nèi)容繪制成圖10，由圖9、圖10可以直觀的看到，隨著水平距離的減小(從開挖卸荷面沿著軟弱面向坡體內(nèi)的方向)σ1/σ3不斷降低，蠕滑判據(jù)n卻不斷增大，在B點附近(水平距離93m處)兩者達到平衡，之后σ1/σ3逐漸趨于穩(wěn)定，而蠕滑判據(jù)n陡然劇增，由式(1)可知，自水平距離93m處至卸荷面這段距離的軟弱結(jié)構(gòu)面中σ1/σ3>n，將會發(fā)生蠕滑現(xiàn)象，這與實際情況不謀而合。

圖10　蠕滑判據(jù)n與σ1/σ3的關(guān)系曲線圖Fig.10　Creep criterion n and relation curve of σ1/σ3

3　結(jié)論

(1)富縣洛陽鄉(xiāng)某挖方邊坡的變形破壞是由于大規(guī)模的人工開挖和削坡活動誘發(fā)的古滑坡后緣附近的土巖接觸面滑坡。

(2)根據(jù)工程地質(zhì)分析法及監(jiān)測數(shù)據(jù)將邊坡自開挖以來的整個變形破壞過程分為3個階段：坡腳卸載差異變形階段、壓致拉裂面貫通階段、“V”型裂縫穩(wěn)定階段，并分別闡述了各個階段的破壞機理。

(3)sigma/W模塊的應(yīng)力應(yīng)變分析在客觀上量化的描述了坡體在開挖后，卸荷面附近土體明顯的水平向位移以及開挖平臺坡腳處剪應(yīng)變集中等現(xiàn)象。

(4)基于有限元分析計算出的邊坡應(yīng)力分布情況，推算的蠕滑段發(fā)育的最大深度距剪出口約93m，同實際情況較為吻合。

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Study on the Deformation and Failure Mechanism of Loess Slope Caused by Engineering Excavation

WANG Yanhui, NI Wankui, LI Zhengzheng, SHI Boyi, DAI Lei, YUAN Zhihui

(College of Geology Engineering and Geomatics, Chang′an University, Xi'an 710054, Shaanxi,China)

Recently, with the rapid economic development in the loess plateau, many engineering construction have to excavate in loess slope or landslide for side construction under the influence of the terrain, which has caused all kinds of deformation and failure in the process of slope excavation, and then bring serious harm. In this paper, we take a cut slope in Luoyang village, Fuxian as an example. Firstly, the slope failure mechanism in the process of slope excavation has been discussed by using qualitative analysis of engineering geology, and the deformation and failure process has been divided into three stages: the stage of differential deformation due to the toe of slope unloading, the stage of pressure cracking surface transfixion, and the stage of “V” type fracture stability. Secondly,the slope deformation and destruction characteristics have been described through combining with the finite element numerical simulation quantitatively. Finally, the maximum depth of creep portion has been calculated, which is about 93m from the shear opening and is consistent with the actual situation.

loess slope; manual excavation； creep; compressing-tension crack; “V” type fracture

2015-06-29；

2015-07-17

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2012KTDZD03-03)

王衍匯(1991-)，男，山東淄博人，碩士研究生，主要從事巖土體穩(wěn)定性研究。E-mail:164195902@qq.com

P642.22

A

1009-6248(2015)04-0210-08