土體的結(jié)構(gòu)性對邊坡突變失穩(wěn)影響研究綜述

汪儒鴻，周海清，吳潤澤,2，梁華友

(1.后勤工程學(xué)院 軍事土木工程系, 重慶 401311； 2.巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶市重點實驗室, 重慶 401311)

土體的結(jié)構(gòu)性對邊坡突變失穩(wěn)影響研究綜述

汪儒鴻1，周海清1，吳潤澤1,2，梁華友1

(1.后勤工程學(xué)院 軍事土木工程系, 重慶 401311； 2.巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶市重點實驗室, 重慶 401311)

結(jié)構(gòu)性土具有膠結(jié)、大孔隙的特點，以該土質(zhì)為主的邊坡在變形與破壞過程中表現(xiàn)出與一般素土邊坡明顯不同的特性。目前，有關(guān)結(jié)構(gòu)性土巖土本構(gòu)關(guān)系的研究在國內(nèi)外尚處發(fā)展階段，用于理論分析及具體工程指導(dǎo)的巖土模型均不成熟，更未達(dá)成共識，造成了結(jié)構(gòu)性土坡穩(wěn)定性的研究無法深入開展，存在較大局限性。針對這一問題，對國內(nèi)外有關(guān)結(jié)構(gòu)性土坡穩(wěn)定性的研究進(jìn)行了總結(jié)，對其中以黃土、花崗巖殘積土等代表性結(jié)構(gòu)性土為研究對象的室內(nèi)外邊坡試驗、理論公式推導(dǎo)等進(jìn)行了重點分析。歸納了以數(shù)值模擬為主的結(jié)構(gòu)性土坡研究存在的應(yīng)用局限性較大、邊坡失穩(wěn)特征反映不完整等問題，并提出引入突變理論來分析該類邊坡失穩(wěn)問題的方法，為結(jié)構(gòu)性土坡穩(wěn)定性研究的發(fā)展方向及研究重點提出了相關(guān)建議。

結(jié)構(gòu)性土；邊坡穩(wěn)定性；花崗巖殘積土；本構(gòu)模型

我國是一個地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較為頻繁的國家，據(jù)國家地質(zhì)環(huán)境信息網(wǎng)統(tǒng)計，僅2013年全國就發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害15 403起，其中滑坡、崩塌、泥石流共14 703起，占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的95.4%，共造成669人死亡或失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失102億元。另據(jù)我國地質(zhì)災(zāi)害的特點與規(guī)律的統(tǒng)計，我國的滑坡與泥石流災(zāi)害70%以上與松散堆積體邊坡的變形破壞直接或間接有關(guān)，政府和社會為治理這些地質(zhì)災(zāi)害投入了大量的工程經(jīng)費(fèi)。松散堆積體邊坡也稱為堆積層邊坡(Accumulated Layer Slope)，是指由第四系松散堆積體形成的邊坡。其坡體介質(zhì)除殘積、坡積、洪積、沖積、崩積等成因的砂礫石、礫石土或碎石土外,還包括工程開挖、堆填的各類土方。因此這類邊坡黏粒含量高低不一，坡體結(jié)構(gòu)也復(fù)雜多樣，其變形破壞的類型也多種多樣。在松散堆積體邊坡的破壞型式中，以花崗巖殘積土邊坡為代表的結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡破壞作用特別巨大，它發(fā)生和進(jìn)行得非常迅速，破壞前沒有明顯的變形跡象，缺乏災(zāi)變預(yù)兆，因此結(jié)構(gòu)性土的研究也一直是巖土領(lǐng)域研究中的重、難點。由于結(jié)構(gòu)性土特殊的強(qiáng)度變化特性[1-2]，其涉及到的具體工程往往不適合用傳統(tǒng)的分析方法加以分析。尤其是在邊坡工程中，由結(jié)構(gòu)性土組成的邊坡在變形與破壞過程中表現(xiàn)出與一般素土邊坡明顯不同的特性。結(jié)合近年來該土質(zhì)滑坡的實例來看，部分結(jié)構(gòu)性土坡存在失穩(wěn)破壞突然，災(zāi)前預(yù)兆不明顯及變形解體嚴(yán)重等特點。如圖1所示，為2010年9月1日發(fā)生在云南省保山市隆陽區(qū)瓦馬鄉(xiāng)河?xùn)|村的一起土質(zhì)滑坡，該起災(zāi)害發(fā)生突然，災(zāi)前沒有明顯的變形跡象，因此坡下的村民沒有引起警覺?；聠雍笙禄焖伲怏w嚴(yán)重，破壞力巨大，最終導(dǎo)致了48人的死亡和失蹤。

圖1云南省保山市一處花崗巖殘積土滑坡

類似的滑坡并不鮮見，如2011年廣西全州縣洛江村發(fā)生的滑坡，2013年1月11日云南省鎮(zhèn)雄縣發(fā)生的滑坡等，都具有突發(fā)、快速、解體嚴(yán)重的特點，以上這些滑坡集中于云南、廣西等地，該區(qū)域廣泛分布的這類花崗巖殘積土，就屬于一種結(jié)構(gòu)性比較強(qiáng)的土體[3-4]。除此以外，我國西北地區(qū)廣泛分布的黃土屬于一種典型的結(jié)構(gòu)性土[5-7]，以黃土邊坡為主的自然災(zāi)害研究在整個結(jié)構(gòu)性土邊坡研究中也是一個重要的組成部分。因此，研究土體的結(jié)構(gòu)性對邊坡失穩(wěn)的影響，對這類自然災(zāi)害的監(jiān)測與防治有著重要的意義。

1 土體的結(jié)構(gòu)性對邊坡失穩(wěn)影響的研究現(xiàn)狀

目前有關(guān)土體的結(jié)構(gòu)性對邊坡失穩(wěn)影響的研究以針對花崗巖殘積土邊坡和黃土邊坡的研究為主。林威[8]通過對花崗巖殘積土微觀結(jié)構(gòu)及工程特性的研究，得出土體結(jié)構(gòu)性的存在增強(qiáng)了土體抵抗外荷載破壞的能力，但一旦結(jié)構(gòu)受到破壞邊坡穩(wěn)定性就會急劇下降的結(jié)論。劉邦安[9]通過對人工制備結(jié)構(gòu)性土進(jìn)行室內(nèi)邊坡實驗發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)性土邊坡的靜力破壞具有均勻變形不明顯，表現(xiàn)出一定脆性破壞的特征。阮林龍等[10]通過對廈門周邊地區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)性土坡的失穩(wěn)破壞具有災(zāi)前預(yù)兆不明顯，突發(fā)性強(qiáng)，發(fā)生時運(yùn)動速度較快的特征。同時，文獻(xiàn)[11-13]對黃土邊坡穩(wěn)定性的研究同樣反映出結(jié)構(gòu)性的存在使得黃土邊坡在失穩(wěn)過程中表現(xiàn)出突發(fā)性的特點，給該類邊坡災(zāi)害的合理預(yù)防帶來了較大困難。因此，不少學(xué)者嘗試著從結(jié)構(gòu)性土的強(qiáng)度特性出發(fā)，對這類特殊土邊坡的穩(wěn)定性加以分析。比如陳昌祿等[14]將結(jié)構(gòu)性參數(shù)引入到黃土邊坡的穩(wěn)定分析中，對傳統(tǒng)莫爾-庫侖公式進(jìn)行了修正。再通過數(shù)值模擬，結(jié)合強(qiáng)度折減法來求解結(jié)構(gòu)性土邊坡的安全系數(shù)，在一定程度上反映了人工開挖條件下黃土結(jié)構(gòu)性對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。李榮建等[15-16]以此為基礎(chǔ)，先后考慮了初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)以及黃土的抗拉性對邊坡穩(wěn)定性的影響，對陳昌祿提出的公式進(jìn)行了修正，進(jìn)一步發(fā)展了這種引入結(jié)構(gòu)性參數(shù)的穩(wěn)定分析方法。此外，周家伍等[17]人的研究也基本遵循了這一模式，在提出新穎本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，借助有限元強(qiáng)度折減法來對結(jié)構(gòu)性邊坡的穩(wěn)定性加以研究。總的來說，以文獻(xiàn)[14-17]為主的研究在一定程度上解釋了結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的部分特征，并從其特殊本構(gòu)關(guān)系入手對傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行了修正，是目前對結(jié)構(gòu)性土坡穩(wěn)定性研究成果的集中體現(xiàn)。但是，通過引入結(jié)構(gòu)性參數(shù)來輔助分析結(jié)構(gòu)性土邊坡穩(wěn)定性并求解邊坡安全系數(shù)的方法并不完善，有較多方面需要加以改進(jìn)。

2 結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究存在的不足

2.1 以結(jié)構(gòu)性參數(shù)分布范圍作為邊坡失穩(wěn)判據(jù)不夠準(zhǔn)確

在結(jié)構(gòu)性土微觀本構(gòu)關(guān)系研究方面，文獻(xiàn)[18-19]基于應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)研究了結(jié)構(gòu)性土的強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)性之間的關(guān)系，認(rèn)為土的強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)性呈正相關(guān)關(guān)系，強(qiáng)度分量中黏聚力隨結(jié)構(gòu)性參數(shù)呈雙曲線變化，而摩擦角基本不變。在此基礎(chǔ)上，陳昌祿等[14]將應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)與土強(qiáng)度之間的關(guān)系引入到一個開挖的結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中，認(rèn)為由于結(jié)構(gòu)性參數(shù)的衰減伴隨著土體抗剪強(qiáng)度的下降，可以將結(jié)構(gòu)性參數(shù)的分布范圍作為邊坡的失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)，即將結(jié)構(gòu)性參數(shù)分布圖中觀察到的參數(shù)較大衰減區(qū)域視為滑面區(qū)域，這種方法的合理性還有待商榷，原因如下：

(1) 引入結(jié)構(gòu)性參數(shù)來修正結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡安全系數(shù)的求解方法是建立在人工開挖邊坡的基礎(chǔ)之上的。文獻(xiàn)[14-17]考慮到的研究對象都是均質(zhì)、單一和不考慮土體含水率變化的結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡。在這種條件下，人工開挖對結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響主要來自開挖過程中坡角處的應(yīng)力集中和對整個邊坡的應(yīng)力擾動，此時邊坡的失穩(wěn)過程屬于漸進(jìn)破壞[20-22]，在漸進(jìn)破壞過程中距離滑面越遠(yuǎn)的土體結(jié)構(gòu)性參數(shù)下降的越小，距離滑面越近的土體結(jié)構(gòu)性參數(shù)下降越快。此時將土體結(jié)構(gòu)性參數(shù)的分布規(guī)律作為含水率不變條件下的結(jié)構(gòu)性土邊坡的人工開挖失穩(wěn)判據(jù)是可行的。但一旦考慮到真實條件下邊坡土體含水率的變化，這種失穩(wěn)判別方法就不夠準(zhǔn)確。相關(guān)文獻(xiàn)[23-25]指出：土體含水率的上升會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性土微觀土顆粒之間的膠結(jié)物流失，導(dǎo)致其黏聚力下降。降雨入滲會使得邊坡土體發(fā)生軟化，同樣造成邊坡結(jié)構(gòu)性參數(shù)的急劇下降。當(dāng)邊坡存在大量張拉裂隙或者軟弱結(jié)構(gòu)面的情況下，降雨入滲就會直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡發(fā)生崩塌或者沖刷破壞，此時邊坡的失穩(wěn)是無法用單一滑面的滑移失穩(wěn)衡量的。諸如花崗巖殘積土邊坡、黃土邊坡等結(jié)構(gòu)性土坡都具有失穩(wěn)突然、災(zāi)前位移較小、變形解體嚴(yán)重的破壞特點，這顯然不能用單一滑面的滑移破壞來解釋。因此，將結(jié)構(gòu)性參數(shù)的分布范圍作為判定邊坡失穩(wěn)的標(biāo)準(zhǔn)不夠準(zhǔn)確。

(2) 有關(guān)結(jié)構(gòu)性土本構(gòu)關(guān)系的研究[26-28]證實：結(jié)構(gòu)性土結(jié)構(gòu)的破壞并不會使得土體完全喪失抗剪強(qiáng)度，土體結(jié)構(gòu)的破壞主要造成黏聚力的下降，而對摩阻力的影響不大。根據(jù)沈珠江等[29-30]人提出的二元介質(zhì)模型，結(jié)構(gòu)性土結(jié)構(gòu)破壞的過程是一個由膠結(jié)力向摩阻力轉(zhuǎn)化的過程，在土體的結(jié)構(gòu)完全被破壞的情況下，由土顆粒摩擦產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度依然存在，最后類似于黏聚力較小的砂土。因此，結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡在外界荷載較小或者自身坡度較小的情況下，即使土體的結(jié)構(gòu)完全破壞，或者說結(jié)構(gòu)性參數(shù)完全衰減，也不一定導(dǎo)致滑坡的產(chǎn)生。此時用結(jié)構(gòu)性參數(shù)的分布范圍來作為邊坡失穩(wěn)破壞的依據(jù)顯然是不準(zhǔn)確的。

2.2 現(xiàn)有理論成果無法解釋全部失穩(wěn)破壞特征

引入結(jié)構(gòu)性參數(shù)在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡的土體強(qiáng)度隨著邊坡的失穩(wěn)破壞過程動態(tài)變化。在土體強(qiáng)度衰減過快的前提下，能夠定性的對結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡所具有失穩(wěn)突然、運(yùn)動快速等失穩(wěn)特點做出解釋，但仍然無法解釋如下問題：

(1) 降雨條件下，邊坡是否還遵循單一滑面的滑移破壞模式，以及單一均質(zhì)的結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡與內(nèi)部存在較多裂隙或軟弱結(jié)構(gòu)面的結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞時的區(qū)別；結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡的安全系數(shù)隨局部或整體土體含水率及孔隙水壓力的上升是如何變化的；對實際結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡來說，是否還存在著一個安全含水率或界限降雨強(qiáng)度。

(2) 失穩(wěn)過程中，邊坡主體部分是否能保持基本完整，會不會在滑動崩塌的過程中伴隨著較大程度的變形解體。如果存在，那么這種變形解體與結(jié)構(gòu)性土的特殊本構(gòu)關(guān)系又有何聯(lián)系。

綜上，當(dāng)前結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的研究無法解釋大多數(shù)情況下結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡所表現(xiàn)出來的全部失穩(wěn)破壞特征，亦同樣無法指導(dǎo)實際的邊坡工程。總的來說，不考慮降雨入滲條件等綜合外在條件的邊坡穩(wěn)定性研究對結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡來說是不全面的。

2.3 現(xiàn)有分析模型應(yīng)用局限性較大

現(xiàn)有以結(jié)構(gòu)性參數(shù)為主的分析方法適用面很窄。目前來看，僅適用于在數(shù)值分析中通過強(qiáng)度折減[31-33]來求解結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡的安全系數(shù)。傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定分析方法例如極限平衡法、滑移線場法、極限分析法等都無法通過引入結(jié)構(gòu)性參數(shù)來進(jìn)行修正。這是因為結(jié)構(gòu)性參數(shù)的引入從根本上來說是為了動態(tài)反映邊坡土體的強(qiáng)度變化，這與只考慮初始應(yīng)力場的傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定分析方法是相互矛盾的。另外，傳統(tǒng)方法如瑞典法[34-35]、畢肖普法[36]都有一定的應(yīng)用前提條件，比如：

(1) 假設(shè)邊坡滑面的位置已知；

(2) 不考慮劃分段土體內(nèi)部的應(yīng)變，將其視作為剛形體。

顯然這與大多數(shù)結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡的破壞特征并不相符。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計，結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞的主要原因在于內(nèi)部裂隙發(fā)育，或存在較多軟弱結(jié)構(gòu)面，在持續(xù)的降雨、地表水下滲的影響下就會發(fā)生崩塌，許多甚至還伴隨著較大程度的解體。這些現(xiàn)象顯然是傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定分析方法無法解釋，也無法計算的。即使是引入結(jié)構(gòu)性參數(shù)，也并不能從根本上解決傳統(tǒng)分析方法不適用于這類特殊土質(zhì)邊坡的問題核心。因此，如何對現(xiàn)有分析模型加以改進(jìn)，使其應(yīng)用范圍更廣，實際價值更大將是今后結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究中的一大重點。

3 展 望

綜上，目前結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的研究存在如下問題：(1) 將結(jié)構(gòu)性參數(shù)分布規(guī)律作為邊坡失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)不夠準(zhǔn)確；(2) 邊坡失穩(wěn)影響條件考慮不夠充分；(3) 現(xiàn)有理論成果無法解釋結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡的全部失穩(wěn)破壞特征；(4) 現(xiàn)有分析模型應(yīng)用局限性較大。而隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，邊(滑)坡治理工程將會越來越多，針對結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡的研究必然成為一大發(fā)展趨勢。筆者認(rèn)為，在今后的結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究中，應(yīng)突出以下重點：

(1) 重視分析方法的改進(jìn)。以引入結(jié)構(gòu)性參數(shù)為主的分析方法應(yīng)用范圍有限，無法大面積推廣使用。在描述結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡所具有的“突發(fā)”“快速”等破壞特征時，不妨引入突變理論的相關(guān)概念。突變的英文是 Catastrophe，是指突如其來的大災(zāi)難，與經(jīng)典的牛頓理論中連續(xù)的、漸變的、平滑的運(yùn)動變化過程不同，突變理論強(qiáng)調(diào)變化過程的突然間斷或突然轉(zhuǎn)換，例如火山噴發(fā)、地震、海嘯、滑坡等自然現(xiàn)象。由于突變理論主要的研究對象是非線性系統(tǒng)的演化問題，闡述了非線性系統(tǒng)從連續(xù)漸變狀態(tài)走向系統(tǒng)性質(zhì)的突變的途徑，解答了突變現(xiàn)象在什么條件下發(fā)生、有多少種突變類型等非線性理論問題[37-39]，因此比較適合結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的研究，是一個嶄新的思路。表1給出了3種初等突變模型，而日常應(yīng)用最多的只有一種，即尖點突變模型。目前已經(jīng)有學(xué)者將尖點突變模型應(yīng)用到邊坡穩(wěn)定性的分析之中[40-42]，因此同樣有助于分析結(jié)構(gòu)性土坡的突變失穩(wěn)問題。

表1 初等突變模型

(2) 重視降雨入滲對結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響。相關(guān)研究證實：與傳統(tǒng)素土邊坡相比，結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性更加依賴邊坡的實際土體含水率及孔隙水壓力的情況。實際工程中，只有在考慮到人工開挖、降雨入滲等主要外在條件的綜合影響下，所求得的邊坡安全系數(shù)才是有意義的。

(3) 理論成果需要與實際治理相結(jié)合。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知：目前結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡的研究還停留在對其邊坡穩(wěn)定性的初始研究階段，尚無針對這一特殊土質(zhì)邊坡的專門支擋設(shè)計研究，更不清楚其與具體支擋結(jié)構(gòu)物的相互作用規(guī)律。從長遠(yuǎn)來看，這一部分的研究成果對今后結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡的合理支擋措施選取相當(dāng)重要，應(yīng)當(dāng)引起重視。

4 結(jié) 語

對土體的結(jié)構(gòu)性邊坡失穩(wěn)影響的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述并對結(jié)構(gòu)性土坡失穩(wěn)問題的研究方向及可行研究手段進(jìn)行了展望。受土體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度影響的邊坡突變失穩(wěn)現(xiàn)象很常見但缺乏研究者的關(guān)注，系統(tǒng)化的研究成果很少，在該類邊坡失穩(wěn)災(zāi)害的監(jiān)測及防治方面需要研究的問題還很多。

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ReviewontheEffectsofSoilStructureonSlopeFailureandInstability

WANG Ruhong1，ZHOU Haiqing1，WU Runze1，2，LIANG huayou1

(1.DepartmentofArchitecturalEngineering，LogisticalEngineeringUniversityofPLA，Chongqing401311,China;2.KeyLaboratoryofGeomechanicsandGeologicalEnvironmentProtectionofChongqingMunicipality，Chongqing401311,China)

The structural soil has the characteristics of cementing and macropore, therefore the slope is obviously different from the general soil slope in the process of deformation and failure. At present the research on the constitutive relation of structural soils is still at the stage of development at home and abroad. The geotechnical model for theoretical analysis and concrete engineering guidance is not mature, and there is no consensus, which leads to the stability of structural soil of the study cannot be carried out in depth, there are more limitations. Focusing on this problem, this research summarized the stability of structural soil slope at home and abroad, such as the indoor and outdoor slope test methods, the theoretical formula derivation of the representative soils such as loess and granite residual soil are studied. This paper summarizes the problems such as the large application of structural slope and the incomplete characteristics of slope instability, and proposed the method of introducing catastrophe theory to analyze the slope instability problem. The development direction and research focus of structural slope stability research are also discussed.

structuralsoil;slopestability;graniteresidualsoil;constitutivemodel

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.013

2017-07-20

2017-08-16

國家自然科學(xué)基金項目(41072243，41272356)

汪儒鴻(1994—)，男，湖北恩施人，碩士研究生，研究方向為防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程。 E-mail：13167943342@163.com

周海清(1971—) ，男，重慶人，博士，教授，主要從事邊坡穩(wěn)定性及防災(zāi)減災(zāi)等方面研究。E-mail:976922172@qq.com

TU411

A

1672—1144(2017)06—0064—05