云盤頭滑坡變形破壞機制研究

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550000； 2.貴州理工學(xué)院 交通工程學(xué)院，貴陽 550003； 3.四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司，成都 610000)

1 研究背景

緩傾順層巖質(zhì)邊坡是指巖層傾角<15°的順向?qū)訝顜r質(zhì)邊坡[1]，此類邊坡在早期常被人們認(rèn)為穩(wěn)定性較好，不易發(fā)生滑坡。但實際發(fā)生邊坡失穩(wěn)工程的研究表明，該類邊坡主要發(fā)育于四川紅層地區(qū)、三峽庫區(qū)、貴州西部及西北部地區(qū)，且具有隱蔽性強、識別難度大、形成機理復(fù)雜等特點[2]，因此研究其破壞類型、機制以及模式具有現(xiàn)實意義。

地質(zhì)體失穩(wěn)破壞物理模擬是研究斜坡巖體變形破壞過程的一個重要手段，眾多學(xué)者通過物理模擬方法對斜坡的變形破壞過程及形成機制進行了研究。我國物理模擬試驗應(yīng)用于巖土體研究始于20世紀(jì)70年代，黃潤秋等[3]利用物理模擬的方法對反傾向巖質(zhì)邊坡的變形破壞機制進行研究，得出其力學(xué)模式為彎曲-拉裂-剪斷式。蔡國軍等[4]、董云等[5]、石豫川等[6]分別采用底摩擦試驗對地質(zhì)體的變形破壞過程進行研究，分析得出地質(zhì)體的變形機制。馮文凱等[7]、易志堅等[8]將物理模擬試驗與數(shù)值分析方法結(jié)合，定量與定性地分析邊坡的變形破壞過程及變形機制。

本文通過資料收集和現(xiàn)場調(diào)研，基于對云盤頭滑坡地形地質(zhì)條件、巖體結(jié)構(gòu)、軟弱夾層及人類工程活動等的分析，采用底摩擦試驗及數(shù)值模擬方法深入研究云盤頭滑坡的變形破壞模式，重現(xiàn)邊坡的變形破壞過程并分析其變形破壞機制。

圖1 云盤頭滑坡地形地貌Fig.1 Landform of Yunpantou landslide

圖2 云盤頭滑坡工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Engineering geological profile of Yunpantou landslide

2 滑坡基本概況

云盤頭滑坡位于貴州省六盤水盤縣境內(nèi)的雞場坪鄉(xiāng)本歹村，該滑坡是焦化廠廠區(qū)場平工程中在東北側(cè)形成的挖方邊坡，滑坡整體形態(tài)近似階梯狀(圖1)。云盤頭滑坡自然邊坡坡度13°～15°，坡體結(jié)構(gòu)主要為傾向坡外的順層層理，坡內(nèi)發(fā)育有4層軟弱夾層，無大型區(qū)域斷裂(圖2)?；掠扇B系關(guān)嶺組地層構(gòu)成，主要為薄層至厚層的灰?guī)r，局部夾有泥質(zhì)灰?guī)r和薄層狀灰質(zhì)白云巖，巖層產(chǎn)狀為217°∠13°，灰?guī)r層間充填黃色黏土，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育；灰?guī)r層間充填薄層狀灰色泥質(zhì)夾層，節(jié)理裂隙較發(fā)育，具體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。該滑坡于挖方處理后9個月發(fā)生滑塌，使焦化廠無法正常使用并造成巨大損失[9]。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass

3 底摩擦試驗研究

3.1 試驗原理及設(shè)備

物理模擬試驗是以相似原理為基礎(chǔ)建立研究對象與模型試驗之間的相似關(guān)系，從而保證模型試驗出現(xiàn)的物理現(xiàn)象與研究對象相似[10]。為滿足試驗?zāi)Ｐ团c研究對象相似，需在幾何條件、受力條件和摩擦因素方面滿足一定的相似條件。

幾何條件：

(1)

受力條件：

(2)

相似系數(shù)：

(3)

式中:下標(biāo)m和p分別代表原型和模型;下標(biāo)R代表原型與模型對應(yīng)比值;l為幾何尺寸;γ為材料重度；σ為應(yīng)力。一般情況下認(rèn)為，滿足σR=lRγR和fR=1情況下的試驗?zāi)Ｐ蜑闄C制模型，fR為摩擦系數(shù)相似系數(shù)，即原型和模型的相應(yīng)點在相應(yīng)時間摩擦系數(shù)的比值。機制模型為在相應(yīng)點和相應(yīng)時間下，研究對象和模型的應(yīng)力比值等于材料幾何尺寸比值與材料重度比值的乘積，并且相應(yīng)的摩擦系數(shù)之比處處保持不變。

在室內(nèi)實驗室，底摩擦法是常見的物理模擬方法之一，可以有效模擬邊坡在重力作用下的變形破壞過程[11-12]。底摩擦法是根據(jù)摩擦力平面分布與滑坡剖面重力場分布相似的原理，利用模型與傳送帶之間的底摩擦力來模擬滑坡的重力，從而較真實地反映滑坡變形演變各形態(tài)。底摩擦試驗工作原理如圖3，將研究對象的剖面制成模型平放在傳送帶上并使原剖面的深度方向與X方向一致，隨著傳送帶持續(xù)運動，模型也隨之移動并受到固定框架D的阻擋，在模型與傳送帶接觸面上的每一點就形成摩擦阻力。

圖3 底摩擦試驗原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of bottom friction test

根據(jù)圣維南原理[13]，當(dāng)模型足夠薄時，即可認(rèn)定摩擦力均勻作用在整個厚度上，可以認(rèn)為試驗?zāi)苡行M出原型物體在天然狀態(tài)下受到的重力作用。

本次試驗所采用的設(shè)備為變頻調(diào)速底摩擦試驗機，是由成都理工大學(xué)和四川大學(xué)共同開發(fā)設(shè)計的一套全自動化底摩擦試驗設(shè)施(DMC-1000變頻調(diào)速底摩擦試驗機)，如圖4。

圖4 自動化底摩擦儀Fig.4 Automatic bottom friction tester

3.2 模型材料與模型建立

試驗主要考慮滑坡的巖性及構(gòu)造情況，云盤頭滑坡的主要巖性為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及泥巖。坡體構(gòu)造主要為傾向坡外的順層層理，坡內(nèi)發(fā)育有4層軟弱夾層，無大型的區(qū)域斷裂。根據(jù)坡體實際尺寸與試驗框架尺寸，試驗采用1∶575的幾何比例尺，模型底邊80 cm，高27.8 cm。鑒于滑坡的實際情況與試驗要求，對地質(zhì)原型進行簡化，只區(qū)分巖性差異，將坡體內(nèi)巖體分為較硬巖體與較軟巖體2種基本材料進行模擬。參考前人已有的研究成果[14-18]，確定試驗的模型材料為重晶石粉、石英砂、膨潤土和石蠟油，其中：重晶石粉、石英砂和石蠟油按照一定比例模擬較硬巖體灰?guī)r；重晶石粉、膨潤土和石蠟油按照一定比例模擬較軟巖體泥巖及泥質(zhì)灰?guī)r。通過多次配比試驗并進行相關(guān)的力學(xué)試驗，獲得試驗材料的配比和對應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 試驗材料配比及主要力學(xué)參數(shù)Table 2 Proportions and main mechanical parameters of Test material

采用夾錫紙的方法對軟弱夾層進行模擬，由于錫紙十分柔軟且極薄，石蠟油很容易透過。根據(jù)上述基本材料制成未開挖的原邊坡物理模型，如圖5所示。

圖5 未開挖原始邊坡物理模型Fig.5 Physical model of original slope

3.3 試驗步驟及分析

3.3.1 試驗步驟及現(xiàn)象描述

根據(jù)原始坡體結(jié)構(gòu)特征制作好物理模型后，開始進行底摩擦試驗[19-20]。試驗步驟為：

(1)將自動化底摩擦儀電源接通，讓摩擦力觀測儀進行自檢，自檢完成后至少穩(wěn)定10 min。

(2)模型制好放置于傳送皮帶上，并用高速攝像機攝下模型的初始狀態(tài)。

(3)打開轉(zhuǎn)速控制器開關(guān)，待指示燈穩(wěn)定后打開轉(zhuǎn)動控制器開關(guān)進行試驗并對模型進行預(yù)固結(jié)。

(4)待模型固結(jié)穩(wěn)定后停止轉(zhuǎn)動傳動帶，對邊坡進行開挖，開挖后的模型如圖6所示。

圖6 邊坡開挖后的物理模型Fig.6 Physical model of excavated slope

(5)再次打開轉(zhuǎn)速控制開關(guān)，在轉(zhuǎn)動過程中利用高速攝像機對模型變形破壞過程進行觀測。

(6)持續(xù)轉(zhuǎn)動，直到模型破壞，試驗結(jié)束。

圖7 邊坡變形各破壞階段Fig.7 Development stages of deformation and failure of slope

試驗開始后，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)在邊坡開挖前，整個地質(zhì)模型向皮帶轉(zhuǎn)動方向稍有壓密現(xiàn)象且無任何破壞跡象。

在此基礎(chǔ)上對邊坡進行開挖后，軟弱夾層1基本挖除，在邊坡前緣軟弱夾層2、軟弱夾層3均出露。開挖后邊坡變形破壞可分為4個階段：

(1)微裂紋發(fā)育階段。由于開挖卸荷回彈，在第二層軟弱夾層與坡面之間的淺層滑體中出現(xiàn)微裂紋，皮帶運行5 min后在滑坡前緣處首先出現(xiàn)裂紋1(長約1.5 cm)，裂紋1自下而上發(fā)育；持續(xù)運行8 min后在裂紋1后部出現(xiàn)2條長約1.5～2 cm的明顯微裂紋，裂紋2與裂紋3自上而下發(fā)育(圖7(a))。隨著邊坡前緣變形的發(fā)展，促使邊坡后緣出現(xiàn)新的裂紋，皮帶運行15 min后在滑坡后緣出現(xiàn)5條長為2～3 cm的微裂紋，從坡面自上而下向第二層軟弱夾層方向發(fā)育(圖7(b))。裂紋1—裂紋8大都垂直于軟弱夾層，屬于典型的拉裂紋。

(2)裂紋擴展階段。皮帶運行21 min后，淺層滑體上出現(xiàn)的微裂紋進一步發(fā)育形成裂縫，裂紋7、裂紋4與裂紋2逐漸變長變寬，穿過軟弱夾層2向下繼續(xù)發(fā)育，連通軟弱夾層2和軟弱夾層3，其中裂紋7擴展顯著，貫通軟弱夾層1—4；皮帶運行23 min后，在滑坡前緣的軟弱夾層3和軟弱夾層4之間，形成新裂紋9(圖7(c))。該階段由于裂紋的進一步擴展和新裂紋的生成，邊坡產(chǎn)生明顯變形。

(3)滑體變形階段。坡體變形由微裂紋擴展向滑體變形逐漸過渡，皮帶運行40 min后淺層滑體被裂縫分割成塊體(圖7(d))。隨著滑體變形的進一步發(fā)展，滑坡前緣的7#塊體沿著軟弱夾層向臨空方向移動約0.5 cm，該塊體可認(rèn)為是“關(guān)鍵塊體”，類似多米諾骨牌。由于7#塊體的移動，造成1#塊體和2#塊體移動并各分裂為2塊，隨后帶動滑塊后部巖體沿軟弱夾層向下移動，導(dǎo)致軟弱夾層1—軟弱夾層3之間的滑塊分裂解體；同時裂縫加速擴展，產(chǎn)生新的裂紋。裂縫的發(fā)育又為滑體提供位移活動空間，坡體變形逐漸發(fā)展為由坡腳向坡頂逐步解體的形態(tài)。

(4)完全破壞階段。皮帶運行1 h 20 min后，軟弱夾層2和軟弱夾層3之間的滑塊7#首先發(fā)生滑動并帶動滑塊1#分裂成碎塊，后部的2#滑塊失去1#滑塊的阻擋力也隨之破壞并翻滾位移(圖7(e))，滑坡前緣的7#滑塊徹底破壞后，失去對次級滑塊的阻擋作用，次級滑塊也隨之滑落，由于連鎖破壞作用導(dǎo)致滑塊呈多米諾骨牌效應(yīng)式滑移，邊坡徹底失穩(wěn)破壞(圖7(f))。

3.3.2 試驗結(jié)果分析

由上述底摩擦試驗現(xiàn)象可以得出以下認(rèn)識：

(1)邊坡模型在開挖之前未產(chǎn)生任何破壞現(xiàn)象，表明原始緩傾順層巖質(zhì)邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，挖方工程導(dǎo)致邊坡后期失穩(wěn)破壞。

(2)邊坡開挖后首先在滑體前緣軟弱夾層部位出現(xiàn)裂縫，隨后依次在坡體中部及后緣軟弱夾層處出現(xiàn)裂縫，可見坡體中部及后緣的變形破壞具有滯后性，遵循隨邊坡變形程度的加深，裂縫進一步擴展的規(guī)律。

(3)邊坡裂紋首先集中出現(xiàn)在開挖邊坡坡面范圍，且深度較淺均未延伸穿過軟弱夾層2，此現(xiàn)象可看作由邊坡開挖后巖體卸荷作用導(dǎo)致。

(4)裂縫向下發(fā)育導(dǎo)致坡體被分裂成小塊并逐步滑落。由于邊坡開挖揭露軟弱夾層1—軟弱夾層3，導(dǎo)致夾層上覆滑體均呈不同程度的破壞開裂，僅有少數(shù)裂紋發(fā)育延伸至未開挖出露的軟弱夾層4，表明開挖后較好的臨空條件和軟弱夾層出露是導(dǎo)致邊坡變形破壞的重要原因。

(5)在試驗過程中，邊坡存在關(guān)鍵塊體，滑坡前緣的7#塊體向臨空面產(chǎn)生位移，帶動后部次級塊體向下移動，滑塊的位移致使裂縫加速拓展并產(chǎn)生新的裂紋，裂紋擴展又為滑塊提供活動空間，產(chǎn)生連鎖破壞效應(yīng)，待坡體前緣的關(guān)鍵滑塊徹底失穩(wěn)破壞后，次級塊體隨之滑落，邊坡徹底失穩(wěn)破壞。從試驗結(jié)果來看，今后類似邊坡的開挖防治應(yīng)重點控制坡腳關(guān)鍵塊體。

(6)邊坡在試驗過程中的演化過程可分為微裂紋發(fā)育階段、裂紋擴展階段、滑體變形階段和完全破壞階段，邊坡主要變形特點為開挖后坡體表面裂紋明顯并逐漸發(fā)育將淺層滑體分割成小滑塊，坡腳關(guān)鍵塊體失穩(wěn)后，滑體拉裂解體并沿底部軟弱夾層3向臨空方向滑動。邊坡的變形機制為由開挖引起的滑移-拉裂式。

(7)試驗結(jié)果與后期現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果基本一致，說明此次底摩擦試驗再現(xiàn)云盤頭滑坡破壞過程是可行的。

4 模擬結(jié)果可靠性分析

4.1 計算模型及參數(shù)選取

為進一步認(rèn)識云盤頭滑坡滑移-拉裂的變形破壞模式，并對所做物理模擬的結(jié)果進行驗證，分別用二維離散元(Universal Distinct Element Code,UDEC)和有限元(Phase)軟件對原始邊坡進行模擬分析[21-22]。在模擬過程中，采用與底摩擦試驗一致的簡化地質(zhì)模型，模型尺寸：x方向長460 m，y方向高160 m，模型標(biāo)高1 750～1 910 m。x軸為滑坡主滑方向(滑坡位移方向偏離主滑方向13°)，y軸為模型垂向方向。模型材料主要考慮卸荷巖體與基巖，結(jié)構(gòu)面主要考慮層面節(jié)理和軟弱夾層。在模型制作中將單個巖塊考慮為剛性塊體，結(jié)構(gòu)面采用摩爾-庫倫滑動準(zhǔn)則，并對模型的左右邊界與底邊界施加約束，坡體表面為自由面。

結(jié)合試驗和規(guī)范推薦值，對巖土體物理力學(xué)參數(shù)進行綜合取值，見表1。

圖8 離散元模型Fig.8 Discrete element model

4.2 模擬計算結(jié)果分析

確定邊界條件和相關(guān)物理參數(shù)后采用UDEC建立模型，如圖8(a)所示。模擬結(jié)果與底摩擦物理模擬結(jié)果基本一致，而且與滑坡實際破壞情況大致吻合，其變形破壞過程同樣可分為4個階段：①坡體開挖導(dǎo)致軟弱夾層出露，滑體在重力的作用下沿軟弱夾層方向發(fā)生輕微變形。7#塊體開始產(chǎn)生位移，導(dǎo)致坡體前緣及后緣淺層處開始出現(xiàn)少量裂縫(圖8(b))；②坡體內(nèi)裂紋進一步擴展，且裂紋增加，部分裂紋穿過軟弱夾層2達到軟弱夾層3(圖8(c))；③以7#塊體為主導(dǎo)的前緣塊體滑動為相鄰塊體提供位移空間，坡體被裂紋分割并逐漸解體(圖8(d))；④當(dāng)7#塊體徹底破壞滑落后，發(fā)生連鎖破壞作用，類似于多米諾骨牌效應(yīng)，邊坡徹底失穩(wěn)破壞(圖8(e))。

圖9 有限元模型Fig.9 Finite element model

采用有限元數(shù)值模擬分析邊坡失穩(wěn)破壞的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果表明，在滑體淺層前緣及后緣存在剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，且前緣位置剪應(yīng)力最高，位于7#關(guān)鍵塊體附近(圖9(a))。由于裂紋切割導(dǎo)致軟弱夾層2上覆巖體較軟弱夾層3上覆巖體破碎，故在關(guān)鍵塊體滑動后，該上覆破碎巖體失去支撐，開始滑動，并表現(xiàn)出越接近坡面其變形量越大，從坡腳到后緣變形量越小的特點(圖9(b))。邊坡塑性區(qū)主要分布在軟弱夾層3以上的中后緣淺層滑體中，從坡腳至坡頂范圍逐漸增大且強度遞增，并在邊坡后緣出現(xiàn)最大塑性區(qū)，這種現(xiàn)象與底摩擦試驗中邊坡中后緣出現(xiàn)大量裂紋并逐漸擴展相符(圖9(c))。

4.3 對比分析

結(jié)合實際邊坡調(diào)查結(jié)構(gòu)，采用物理模擬試驗和數(shù)值模擬試驗(UDEC和Phase)，對比分析云盤頭滑坡失穩(wěn)破壞特征，如表3所示。

由表3可知，此次研究手段能較好地模擬真實滑坡的失穩(wěn)破壞特征，卸荷產(chǎn)生的裂隙和邊坡中的軟弱夾層為巖體變形破壞提供結(jié)構(gòu)條件，開挖后軟弱夾層出露為其提供良好的臨空條件。坡腳的關(guān)鍵塊體剪應(yīng)力、拉應(yīng)力集中，當(dāng)其沿軟弱夾層向臨空面滑移，使后部已被裂紋切割形成的小滑塊失去阻擋。因此，云盤頭邊坡變形破壞的根本原因是邊坡開挖導(dǎo)致裂隙和軟弱夾層切割巖體，滑塊在重力作用下沿軟弱夾層產(chǎn)生的連鎖破壞反應(yīng)，導(dǎo)致邊坡發(fā)生滑移-拉裂式破壞。

表3 邊坡變形破壞特征對比分析Table 3 Comparative analysis of deformation and failure characteristics of slope

5 結(jié) 論

本文對云盤頭滑坡采用室內(nèi)底摩擦試驗，結(jié)合離散元與有限元數(shù)值模擬再現(xiàn)邊坡的變形破壞特征及過程，較深入地分析該滑坡的變形破壞機制，結(jié)果表明：

(1)該緩傾順層天然邊坡在重力作用下基本穩(wěn)定。

(2)邊坡開挖后軟弱夾層出露，坡體內(nèi)部開始發(fā)育垂直于軟弱夾層的拉裂紋，裂紋將巖體分割成塊體，且坡腳塊體失穩(wěn)導(dǎo)致徹底破壞，滑坡演化經(jīng)過微裂紋發(fā)育階段、裂紋擴展階段、滑體變形階段和完全破壞階段。

(3)軟弱夾層出露坡腳處存在關(guān)鍵塊體，由于該處剪應(yīng)力、拉應(yīng)力集中，導(dǎo)致該關(guān)鍵塊體沿軟弱夾層向臨空面滑移，關(guān)鍵塊體的滑移帶動次級塊體滑動從而產(chǎn)生連鎖反應(yīng)效應(yīng)(多米諾骨牌效應(yīng))，導(dǎo)致整個坡體產(chǎn)生滑移破壞。

(4)云盤頭滑坡變形破壞機制可認(rèn)定為由開挖引起的滑移-拉裂式。