基于深部位移曲線形態(tài)的邊坡變形特征分析

潘惠芳

(廈門信息集團(tuán)建設(shè)開發(fā)有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

邊坡動態(tài)監(jiān)測的目的是監(jiān)控邊坡坡體的安全與穩(wěn)定，為防護(hù)設(shè)計(jì)提供實(shí)際變形依據(jù)；若邊坡坡體的變形持續(xù)發(fā)展，當(dāng)累積變形量值累積到坡體發(fā)生災(zāi)變的臨界值，或位移不收斂、持續(xù)增加時(shí)，便出現(xiàn)滑動、滑塌、溜塌、崩塌、潰屈、傾倒等工程地質(zhì)災(zāi)害，而坡體的變形隨時(shí)間變化反映到位移監(jiān)測曲線上，呈現(xiàn)出多種特征形態(tài)，對應(yīng)不同的潛在變形破壞趨勢[1]。通過FLAC程序數(shù)值模擬計(jì)算，可以分析順層滑動、切層滑動、順層潰屈、傾倒變形、崩塌變形及其破壞特征，實(shí)際工程所得到的監(jiān)測曲線形態(tài)也與其相似，反映出相應(yīng)的變形特征規(guī)律。因此，基于深部位移曲線形態(tài)的邊坡變形特征分析，可以為邊坡變形定性、變形規(guī)模、工程針對性治理方案及安全預(yù)警提供可靠依據(jù)。

1 邊坡變形監(jiān)測曲線一般形態(tài)特征

一般邊坡深部位移監(jiān)測，可以明確邊坡變形位置、性質(zhì)，因此，根據(jù)監(jiān)測手段判別滑動面的位置與性狀，是動態(tài)監(jiān)測評估坡體穩(wěn)定性最主要的內(nèi)容之一。變形滑動面位置與形狀的判識的正確與否，直接影響著滑坡推力的計(jì)算和防治工程的效果[2]。通過邊坡變形監(jiān)測曲線形態(tài)分析，不僅可以準(zhǔn)確得到邊坡滑動面的位置，還可以得到邊坡在不同時(shí)間、不同深度的位移變形特征，對于深層、多層和性質(zhì)復(fù)雜的邊坡滑坡的性狀都可以進(jìn)行把控。動態(tài)監(jiān)測方法比其他方法優(yōu)越之處，還體現(xiàn)在可以測出滑坡位移量的大小，滑動方向，以及歷時(shí)動態(tài)變化過程。

結(jié)合鉆孔地質(zhì)剖面，可以將某斷面上不同監(jiān)測點(diǎn)的測斜曲線進(jìn)行合理連接，繪制出滑動面形狀，根據(jù)坡體地質(zhì)結(jié)構(gòu)，反演坡體滑動機(jī)理與成因，坡體發(fā)生滑動變形起因于軟弱夾層、結(jié)構(gòu)面、巖土界面的存在。坡體變形，通常體現(xiàn)為兩個(gè)面之間的相對錯(cuò)動，此時(shí)坡體巖土介質(zhì)將受到剪力作用，是一種剪切變形，標(biāo)志著存在潛在滑動破壞的危險(xiǎn)[3]。

對于這種坡體深部滑動型變形模式，從成因上又可以再細(xì)分為兩類[4]：一種是圖1中A型的變形模式，曲線變形形態(tài)體現(xiàn)為，坡體是由深部存在的軟弱面首先發(fā)生蠕動變形，繼而帶動上部巖土發(fā)生蠕動變形，曲線體現(xiàn)為滑動面處變形位移值最大，滑面以上變形量值呈現(xiàn)小量值下降趨勢。另外一種如圖1中B型，坡體深部也存在滑動面，但滑動面上巖土整體發(fā)生蠕動，是一種上部巖土蠕動帶動下部變形的體現(xiàn)。這兩種都是深部滑動型變形模式，A型體現(xiàn)滑動面的變形特性，B型體現(xiàn)了滑面上部巖土的變形特性。

(a)A型滑動變形破壞(b) B型滑動變形破壞圖1 邊坡滑動變形破壞深部位移監(jiān)測特征曲線

大量監(jiān)測結(jié)果顯示，一般老(古)滑坡病害體、或者滑動面明顯的坡體，易產(chǎn)生第一種類型；工程開挖卸荷等因素造成的新生滑坡對應(yīng)于后者。這兩種坡體深部變形，前者在達(dá)到破壞時(shí)具有突發(fā)性，后者常會出現(xiàn)淺部的小坍塌，變形不斷惡化的現(xiàn)象。

2 邊坡典型位移變形曲線的形態(tài)特征分析

邊坡地質(zhì)條件、坡體結(jié)構(gòu)類型不同時(shí)，坡體歷時(shí)變形發(fā)展至災(zāi)變時(shí)的變形破壞類型也不同，反映到位移監(jiān)測變形曲線上的曲線形態(tài)特征也不同。因此，以坡體變形破壞類型為出發(fā)點(diǎn)，分析與歸納不同變形破壞狀態(tài)下坡體的監(jiān)測曲線形態(tài)特征，可以為大量的路塹邊坡深孔監(jiān)測曲線的判識提供理論依據(jù)與指導(dǎo)作用。工程實(shí)踐證明，邊坡變形受坡體結(jié)構(gòu)控制，其變形破壞形式有順層滑動、切層滑動、順層潰屈、傾倒變形、崩塌變形等多種類型。為了詳細(xì)系統(tǒng)地分析不同變形破壞類型對應(yīng)的監(jiān)測曲線形態(tài)，采用彈塑性有限元結(jié)合有限差分分析程序FLAC進(jìn)行數(shù)值分析。

通過在邊坡坡頂與坡中位置處分別布置一條垂直監(jiān)測線，考察坡體發(fā)生開挖過程中發(fā)生變形時(shí)的水平位移變形情況，及平位移監(jiān)測動態(tài)變形曲線的形態(tài)[4-5]，來分析不同類型邊坡變形特征曲線。

2.1 切層滑動變形位移曲線分析

當(dāng)坡體的結(jié)構(gòu)面以水平方向?yàn)橹鲗?dǎo)方向時(shí)，坡體的變形體現(xiàn)為切層滑動變形。通過FLAC數(shù)值分析，坡體最大剪切屈服帶呈現(xiàn)為圓弧或似圓弧狀，如圖2(a)所示，其變形破壞呈現(xiàn)出切斷效應(yīng)，坡體上部巖層發(fā)生下錯(cuò)位移，下部逐漸趨近剪斷形態(tài)，最大變形區(qū)在坡體臨近坡腳處，如圖2(b)所示，變形破壞在坡腳的剪出口常依附于水平結(jié)構(gòu)面出露。

(a)最大剪切屈服帶(b)變形破壞圖圖2 切層滑動變形的最大剪切屈服帶、變形破壞圖

(a)坡頂位移監(jiān)測曲線(b)坡中位移監(jiān)測曲線圖3 切層滑動變形坡頂、坡中位移監(jiān)測曲線

考察坡體發(fā)生切層滑動變形時(shí)的水平位移變形情況，水平位移監(jiān)測曲線形態(tài)如圖3所示，呈現(xiàn)出切層滑動變形的變形規(guī)律：通過坡體中部的監(jiān)測變形曲線，體現(xiàn)出在坡腳高程位置的剪出突變特點(diǎn)，即對應(yīng)于坡體發(fā)生切層滑動時(shí)在此處發(fā)生最大變形的本質(zhì)，通過坡頂部的監(jiān)測變形曲線，在上部呈現(xiàn)出U形開口狀態(tài)，在坡腳處有變形回彈趨勢，下部臨坡腳高程位置有一顯著突變點(diǎn)對應(yīng)坡體在坡腳發(fā)生滑移剪出的本質(zhì)。

2.2 順層滑動變形位移曲線分析

當(dāng)邊坡的變形破壞受順層結(jié)構(gòu)面控制時(shí)，其坡體變形破壞常呈現(xiàn)出順層剪切滑移破壞，通過FLAC進(jìn)行數(shù)值分析，坡體的最大剪切屈服帶呈現(xiàn)出與控制結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀相同方向的分布狀態(tài)如圖4(a)，其變形破壞呈現(xiàn)出顯著的層間滑動效應(yīng)如圖4(b)，最大變形區(qū)域位于坡體中上部，下錯(cuò)位移較結(jié)構(gòu)面水平時(shí)更大，變形破壞在坡腳處的剪出呈現(xiàn)多個(gè)突變形態(tài)。

(a)最大剪切屈服帶(b)變形破壞圖

在邊坡通過坡頂與坡中位置處分別布置一條垂直監(jiān)測線，考察坡體發(fā)生順層剪切滑移變形時(shí)的水平位移變形情況，水平位移監(jiān)測曲線形態(tài)如圖5所示。呈現(xiàn)出順層剪切滑動變形規(guī)律：通過坡體中部的監(jiān)測變形曲線，體現(xiàn)出在坡腳高程位置的多個(gè)剪出突變特點(diǎn)，突變程度小于坡體變形破壞受結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀水平時(shí)的狀態(tài)，在坡腳處無明顯變形回彈趨勢，通過坡頂部的監(jiān)測變形曲線在上部呈現(xiàn)出U形開口狀態(tài)。

(a)坡頂位移監(jiān)測曲線(b)坡中位移監(jiān)測曲線圖5 順層滑動變形坡頂、坡中位移監(jiān)測曲線

2.3 順層潰屈變形位移曲線分析

當(dāng)邊坡較陡，且控制坡體變形的結(jié)構(gòu)面傾角產(chǎn)狀與坡面傾角產(chǎn)狀相近時(shí)，邊坡易產(chǎn)生順層潰屈變形破壞。通過FLAC進(jìn)行數(shù)值分析，坡體的最大剪切屈服帶呈現(xiàn)出與坡面及結(jié)構(gòu)面傾角方向的條帶分布，坡體變形在中上部以下錯(cuò)變形為主，在坡腳位置高程處發(fā)生潰屈變形，變形劇烈區(qū)為坡體潰屈變形部位，其變形破壞形態(tài)呈現(xiàn)出顯著的上部滑移致使下部壓裂潰屈效應(yīng)，坡體變形在坡腳呈現(xiàn)為潰屈鼓脹特征如圖6所示。

(a)最大剪切屈服帶(b)變形破壞圖

考察坡體發(fā)生順層潰屈變形時(shí)的水平位移變形情況，水平位移監(jiān)測曲線形態(tài)如圖7所示。呈現(xiàn)出順層潰屈變形的規(guī)律特性：通過坡體中部的監(jiān)測變形曲線體現(xiàn)出在坡腳高程位置顯著的潰屈成因的突變形態(tài)，監(jiān)測曲線在坡腳位置高程處無明顯變形回彈趨勢，通過坡頂部的監(jiān)測變形曲線在上部呈現(xiàn)出V形大開口狀態(tài)。

(a)坡頂位移監(jiān)測曲線(b)坡中位移監(jiān)測曲線圖7 潰屈變形時(shí)坡頂、坡中位移監(jiān)測曲線

2.4 傾倒變形位移曲線分析

當(dāng)邊坡坡體由陡傾的層狀巖層組成時(shí)，在施工開挖作用下易發(fā)生坡體傾倒變形破壞。通過FLAC進(jìn)行數(shù)值分析，邊坡最大剪切屈服帶為彎曲狀，在坡腳位置為水平剪出狀；考察坡體的變形破壞如圖8(a)，坡體上部發(fā)生顯著松弛變形，呈現(xiàn)出向邊坡臨空面緩慢彎曲變形特征，最大變形區(qū)域位于坡體中上部，變形呈現(xiàn)出顯著的向邊坡臨空面松弛彎曲效應(yīng)，如圖8(b)。

(a)最大剪切屈服帶(b)變形破壞圖

考察坡體發(fā)生傾倒變形破壞時(shí)的水平位移變形情況，水平位移監(jiān)測曲線形態(tài)如圖9所示，呈現(xiàn)出傾倒變形的規(guī)律特性：通過坡中的位移監(jiān)測曲線沒有明顯的突變特征，向上呈現(xiàn)出漸變擴(kuò)展形態(tài)。從該監(jiān)測曲線可以看到，整體呈現(xiàn)重疊迂回開口狀，曲線上變形突變點(diǎn)從下至上程度加大。考察通過坡頂?shù)奈灰票O(jiān)測曲線，可以把握坡體水平位移變形的整體形態(tài)。

(a)坡頂位移監(jiān)測曲線(b)坡中位移監(jiān)測曲線圖9 傾倒變形時(shí)坡頂、坡中位移監(jiān)測曲線

2.5 崩塌位移變形曲線分析

對于風(fēng)化破碎的高陡邊坡，其坡體常由一組或者多組結(jié)構(gòu)面組成，坡體由于開挖施工，后部巖體失去支撐時(shí)易發(fā)生崩塌變形破壞現(xiàn)象。通過FLAC進(jìn)行數(shù)值分析，坡體的最大剪切屈服帶呈現(xiàn)平直狀斜切，坡體上部如圖10(a)，剪出位置一般高于坡腳一定位置處；考察坡體的變形破壞，如圖10(b)，從圖10中可以看到，在坡體頂部，巖體呈現(xiàn)出彎曲松弛狀，變形劇烈區(qū)位于坡頂部位，坡腳位置處變形不明顯，變形破壞主要發(fā)生在坡體的中上部分。坡體的變形破壞呈現(xiàn)出顯著的崩落與剪切下錯(cuò)效應(yīng)。

考察坡體發(fā)生崩塌變形破壞時(shí)的水平位移變形情況，水平位移監(jiān)測曲線形態(tài)如圖11所示。呈現(xiàn)出崩塌變形的規(guī)律特性：通過坡體中部與坡體頂部的位移監(jiān)測曲線形態(tài)相似，沒有位移突變點(diǎn)，曲線呈現(xiàn)出V形大開口狀。

3 結(jié)語

(1)通過對邊坡發(fā)生各種不同變形破壞的數(shù)值計(jì)算分析，得到了坡體發(fā)生不同類型變形破壞時(shí)的坡體最大剪切屈服帶特征、變形破壞特征以及水平位移監(jiān)測曲線的形態(tài)變化特征規(guī)律，如表1所示。

表1 邊坡變形破壞監(jiān)測曲線特征形態(tài)表

(2)基于數(shù)值計(jì)算分析手段，反演分析了邊坡變形破壞的監(jiān)測曲線類型，得到了不同變形破壞的典型監(jiān)測曲線特征規(guī)律，并與現(xiàn)場監(jiān)測相互映證，為邊坡設(shè)計(jì)、安全施工治理提供依據(jù)。

(3)以上結(jié)論可以為大量的實(shí)測深孔測斜數(shù)據(jù)的分析提供理論依據(jù)，為邊坡的安全監(jiān)測、預(yù)警技術(shù)提供參考借鑒。