呂梁地區(qū)不同地層結構黃土邊坡坡腳開挖效應

王壯壯， 黃強兵,2*， 劉 悅， 徐明祥

(1.長安大學地質工程與測繪學院，西安 710054；2.西部礦產(chǎn)資源與地質工程教育部重點實驗室，西安 710054；3.長安大學水利與環(huán)境學院，西安 710054)

黃土主要形成于第四紀以來，是具有濕陷性、多孔隙和垂直節(jié)理的一種特殊沉積物，中國黃土主要分布于陜西、山西、甘肅、寧夏等西北地區(qū)。隨著西部經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類工程活動的加劇，加之地形限制，許多工程需要開挖黃土邊坡來進行場地建設，人類對黃土地區(qū)地質環(huán)境的改造也帶來一系列的地質災害問題。呂梁地區(qū)地質災害主要集中于柳林、離石、中陽、和石樓4縣[1],災害規(guī)模都相對較小，但卻造成很大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。2008年6月13日山西呂梁離石區(qū)西屬巴街道上安村因磚廠多年連續(xù)取土加上坡腳人工開挖形成黃土滑坡，造成19人死亡，磚廠廠房被毀；2009年10月7日呂梁柳林縣賈家垣鄉(xiāng)棗林村棗林溝因工程開挖加上降雨作用形成黃土滑坡，造成6人死亡[2]；2009年11月16日呂梁中陽縣張子山鄉(xiāng)張家咀村因坡腳開挖形成茅火梁崩塌，導致23人死亡，6間房屋被毀；2018年4月30日，呂梁離石區(qū)棗林鄉(xiāng)彩家莊南溝發(fā)生一起黃土崩塌災害，造成9人死亡。由此可見黃土邊坡災害給呂梁地區(qū)社會發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全帶來了很大的危害。隨著呂梁地區(qū)工程建設的不斷深入，大量潛在的不穩(wěn)定黃土邊坡勢必會給該地區(qū)城市規(guī)劃、鄉(xiāng)村建設以及交通等方面帶來一定程度的不利影響。

目前，關于黃土邊坡開挖變形失穩(wěn)方面許多學者從理論分析、室內試驗及數(shù)值模擬角度開展了不少研究，并取得了很多重要成果。在理論分析方面主要采用傳統(tǒng)的剛體極限平衡分析法[3-9]；在試驗和數(shù)值模擬計算方面，黃強兵等[10]通過原狀黃土的室內常規(guī)三軸壓縮試驗(CTC)和減壓三軸壓縮試驗(RTC)對比分析，認為減壓三軸壓縮試驗(RTC)能合理解釋開挖卸荷作用下黃土邊坡的變形破壞過程；胡斌等[11]通過FLAC3D分析了軟硬互層邊坡的開挖卸荷效應，認為開挖卸荷會弱化軟弱夾層力學性能，進而影響邊坡整體的穩(wěn)定性；劉悅等[12]通過離心機試驗模擬了黃土邊坡開挖的變形過程和破壞特征，認為黃土路塹邊坡開挖變形破壞的力學機制總體上應屬于蠕滑-壓致拉裂機制；李明等[13]和龔成明等[14]也通過離心模型試驗進行了黃土邊坡開挖的研究；蒲小武等[15]對蘭州黃土挖方高邊坡進行了數(shù)值模擬，結果表明挖方后的位移場和應力應變都出現(xiàn)了顯著變化；肖世國等[16]通過應力場和位移場的分析指出了邊坡開挖松弛區(qū)的確定方法，并用工程實例結合數(shù)值模擬給出了邊坡開挖松弛區(qū)的確定過程；候定貴等[17]分析了公路邊坡在開挖過程及開挖后的不同加固情況下的變形與穩(wěn)定性，并通過遠程實時監(jiān)測分析邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)；葉萬軍等[18]通過能量判據(jù)并結合強度折減對黃土邊坡進行了穩(wěn)定性分析及邊坡優(yōu)化，并結合實例驗證了優(yōu)化方法的實用性；張季如[19]利用非線性有限元對邊坡開挖進行了研究，探討了邊坡變形的大小和分布以及塑性區(qū)的擴張形態(tài)，認為邊坡在產(chǎn)生剪切破壞之前通常伴隨著較大的豎向和水平位移。

綜上所述，以往研究對不同地層結構的黃土邊坡在開挖作用下的邊坡變形破壞機制探討較少，而黃土邊坡的結構性對坡體穩(wěn)定性影響較大?，F(xiàn)以山西呂梁地區(qū)黃土邊坡為研究背景，探討該地區(qū)邊坡地層結構組合模式在不同開挖進尺和開挖角度下的開挖效應，分析處于極限平衡狀態(tài)不同地層結構組合的黃土邊坡位移特征和不同地層結構對坡體穩(wěn)定性的影響，研究成果對于黃土高原地區(qū)邊坡科學合理開挖及防災減災具有指導意義。

1 呂梁地區(qū)黃土邊坡地層結構

圖1 呂梁地區(qū)滑坡及不穩(wěn)定斜坡Fig.1 Landslides and unstable slopes in Lüliang area

呂梁地區(qū)山地面積占全呂梁市總面積的77.8%，境內地勢北高南低，自東北向西南傾斜，一般海拔在1 000～2 000 m，最高海拔關帝山主峰2 831 m，屬山西境內的第三高峰，最低點在黃河沿岸石樓縣西山鄉(xiāng)崖頭村黃河岸，海拔556 m，相對高差2 275 m。呂梁山以西黃土覆蓋廣，厚度大，坡陡溝深平地少，是山西黃土高原地貌發(fā)育比較典型的山區(qū)[1]。據(jù)調查研究，呂梁地區(qū)的黃土地質災害多分布于平川與山區(qū)的過渡帶，而滑坡、崩塌及不穩(wěn)定斜坡等(圖1)主要分布于呂梁山以西黃河沿岸的柳林、臨縣和中間地帶的離石和中陽等地區(qū)，不穩(wěn)定斜坡地層主要是馬蘭黃土(Q3)和離石黃土(Q2)，并夾有古土壤層(S)，部分斜坡下伏紅黏土(N2)。馬蘭黃土(Q3)為淺黃色粉土，結構松散，具多孔性和大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，透水性較強，遇水易軟化崩解，具有濕陷性；離石黃土(Q2)為磚紅色亞黏土含成層的鈣質結核，結構較密，透水性弱，較易隔水; 紅黏土(N2)上部為褐紅色及棕紅色黏土夾鈣質結核,下部為白色～淺褐色礫巖夾砂質黏土。

根據(jù)野外調查已經(jīng)發(fā)生的滑坡、崩塌和潛在的不穩(wěn)定黃土邊坡地層組合情況，概化出以下四種地層結構類型的邊坡：①單一Q3黃土(Ⅰ型)；②Q2黃土夾S1古土壤(Ⅱ型)；③Q3黃土、Q2黃土夾S1和 S2古土壤型(Ⅲ型)；④Q3黃土、S1古土壤、Q2黃土和下伏N2紅黏土(Ⅳ型)，如圖2所示。針對上述四種地層結構類型的黃土邊坡，通過數(shù)值模擬來分析不同坡腳開挖工況對不同地層結構類型黃土邊坡穩(wěn)定性的影響。

2 有限元模型建立及計算方法

邊坡開挖模型如圖3所示，不同地層結構類型黃土邊坡尺寸相同，邊坡原始坡度取α=40°，坡高取80 m，計算工況為坡腳開挖進尺L=10、20、30、40 m共四種，且每一進尺的邊坡開挖角β取50°、60°、70°、80°和90°五種工況，并在坡頂和坡體內部深度為20、40、55、75 m布設了五條平行于坡頂?shù)臏y線l1～l5，各測線位置如圖3所示，用于記錄測線上節(jié)點的位移?；贔LAC3D有限差分軟件，計算模型中不同地層結構類型邊坡地層分布情況如圖4所示，地層的物理力學參數(shù)根據(jù)文獻[20-22]確定如表1所示。

表1 地層物理力學參數(shù)

采用FLAC3D內置的強度折減法進行邊坡穩(wěn)定性分析，其基本原理[23-24]是將坡體的強度參數(shù)內聚力c和內摩擦角φ同除一個折減系數(shù)Ftrial，得到一組新的強度參數(shù)c′、φ′。

(1)

圖2 不同地層結構類型黃土邊坡概化圖Fig.2 Generalized map of loess slopes with different stratigraphic types

圖3 邊坡開挖及測線布置Fig.3 Slope excavation and monitoring line layout

圖4 不同類型邊坡地層組成及分層厚度Fig.4 Stratigraphic composition and layer thickness of different types of slopes

如果此時未達到極限平衡狀態(tài)，則繼續(xù)重復上述步驟，經(jīng)過不斷地試算，將強度參數(shù)折減一個系數(shù)后到模型達到極限平衡狀態(tài)，此時的強度參數(shù)ci和φi所對應的折減系數(shù)Fi即為邊坡的穩(wěn)定性穩(wěn)定系數(shù)。

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3 計算結果與分析

3.1 不同地層結構邊坡穩(wěn)定性

圖5 邊坡穩(wěn)定系數(shù)與開挖步關系Fig.5 Relationship between stability coefficient of slope stability and excavation step

圖5給出了不同地層結構的邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨開挖進尺和開挖角的變化趨勢，橫軸開挖步1～5表示開挖進尺L=10 m時開挖角β=50°～90°的變化過程；開挖步6～10表示開挖進尺L=20 m時開挖角β=50°～90°的變化過程；以此類推，開挖步20表示L=40 m、β=90°的工況。從圖5可知，同一地層結構邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨開挖進尺L和開挖角β的增大而整體減小，不同開挖進尺，開挖角β的變化對邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響差別較大。

為了量化同一開挖進尺下開挖角β從50°到90°時對邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響，現(xiàn)定義開挖角對邊坡穩(wěn)定性影響程度R為

(3)

式(3)中：F50為50°開挖角的邊坡穩(wěn)定系數(shù)；F90為90°開挖角的邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

表2給出了不同開挖進尺L=10、20、30、40 m開挖進尺下四種不同地層結構黃土邊坡穩(wěn)定系數(shù)和R值。由表2可知，當進尺L=10、20 m時，R=-1%～1%，即說明開挖角β的變化引起穩(wěn)定系數(shù)的變化很??；當L=30 m時，R達到10%左右，而當L=40 m時，R=23.25%～29.5%，顯著增大，即在開挖進尺較小時(L=10、20 m)，開挖角β變化對邊坡穩(wěn)定性影響較小，而當開挖進尺較大時(L=30、40 m)影響較大，此時邊坡穩(wěn)定系數(shù)會隨β的增大而顯著減小。對于邊坡的穩(wěn)定性，當L=10、20 m時，同一開挖角下，四種地層結構類型邊坡的穩(wěn)定系數(shù)從大到小依次為Ⅲ型>Ⅳ型>Ⅱ型>Ⅰ型，當L=30、40 m時，同一開挖角下，四種類型邊坡的穩(wěn)定系數(shù)從大到小依次為Ⅲ型>Ⅱ型>Ⅰ型>Ⅳ型，且僅Ⅳ型在L=40 m、β=90°時穩(wěn)定系數(shù)為0.994，已經(jīng)處于失穩(wěn)狀態(tài)，其他開挖工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)均大于1，說明具有多層古土壤的黃土邊坡穩(wěn)定性較其他類型邊坡要好，古土壤的存在提高了坡體的穩(wěn)定性。

表2 不同開挖進尺下邊坡穩(wěn)定系數(shù)及R

圖6 Ⅳ型邊坡最大剪應變增量云圖Fig.6 Maximum shear strain incremental cloud map of type Ⅳ slope

由于篇幅限制，以Ⅳ型邊坡為例，圖6給出了開挖進尺L=20、40 m時開挖角β分別為50°和90°時的最大剪應變增量云圖，剪應變增量最大發(fā)生在坡腳處，當β為50°時，最大剪應變增量帶主要在坡腳一定范圍，而當β增大至90°時，在小開挖進尺下(L=20 m)最大剪應變增量帶沒有向上擴展的趨勢，而在大開挖進尺下(L=40 m)最大剪應變增量帶沒有從坡腳向上擴展，而是在淺層向上形成一個條帶狀，有向上貫通的趨勢，即坡體可能發(fā)生淺層失穩(wěn)破壞，這也能說明圖5中在開挖進尺較大時開挖角變陡會使邊坡穩(wěn)定系數(shù)顯著降低，因此在大進尺開挖邊坡時，應盡量使開挖角較小。

3.2 不同地層結構邊坡變形特征

天然邊坡經(jīng)過開挖擾動，原有的力學平衡被打破，坡體內部巖土體經(jīng)過應力變形的調整，將達到新的平衡狀態(tài)，但這種調整并不是無限地向邊坡內部擴展，而是對坡面一定范圍內土體影響比較明顯，肖世國等[16]稱這一影響范圍內的巖土體為坡體開挖松弛區(qū)。不同類型邊坡在開挖擾動下的變形特征相似，以Ⅳ型邊坡為例，圖7給出了開挖進尺L=30 m不同開挖角坡體位移等值線，當β=50°時，坡體中下部小范圍內產(chǎn)生向臨空面方向的水平位移，最大水平位移為2 mm，邊坡臨空面及內部一定區(qū)域由于卸荷回彈而產(chǎn)生向上的豎直位移，最大豎向位移約10 mm；開挖面以下由于卸荷回彈產(chǎn)生向上最大9 mm和向左最大5 mm的位移。水平位移等值線從坡面向內部呈長軸水平的橢圓形，豎向位移等值線從坡面向內呈圓弧型延伸。當β=90°時，整個坡體大范圍內產(chǎn)生向臨空面的水平位移，最大水平位移在豎直開挖面附近約10 mm，豎向位移不同于β=50°時的向上回彈，而是坡體整體的向下沉降，最大豎向位移在豎直開挖面頂部約12 mm，開挖面以下也同樣產(chǎn)生一定的回彈變形。對比不同開挖角的變形特征可以看出，開挖角緩時邊坡變形以豎向回彈為主，而開挖角陡時向臨空面的水平位移和向下的豎向位移都較大，更不利于邊坡的穩(wěn)定。

圖7 Ⅳ型邊坡L=30 m位移等值線Fig.7 Type Ⅳ slope L=30 m displacement contours

坡腳開挖會導致坡體應力場和位移場的變化，也在一定程度上降低了坡體穩(wěn)定性，但黃土地區(qū)坡腳開挖一般不會直接導致黃土邊坡的失穩(wěn)破壞，而是在后期降雨入滲作用下土體強度參數(shù)降低而導致破壞的情況。本次以開挖進尺L=20 m、開挖角β=70°工況為例，繪制出了不同類型邊坡強度折減后邊坡處于極限平衡狀態(tài)時，五條測線水平位移變化曲線，如圖8所示，在不同地層結構黃土邊坡中，各測線上的水平位移呈相似的變化趨勢，沿測線由臨空面向坡體內部變化過程中，曲線都在一定的位置出現(xiàn)拐點，在拐點以后即靠近臨空面的點水平位移較大且不變，故認為拐點之后位移較大的區(qū)域為邊坡開挖后達到極限平衡破壞時的滑動區(qū)，因此可以將不同深度測線上位移曲線的拐點連接成一條線，將這條線至開挖邊坡臨空面這一部分位移較大的區(qū)域稱為邊坡主要變形破壞區(qū)，而這條線也可以認為是邊坡破壞時的潛在滑動面。

圖8 不同類型黃土邊坡強度折減后水平位移Fig.8 Horizontal displacement of different loess slopes after strength reduction

圖9給出了開挖進尺L=20 m、開挖角β=70°工況下不同地層結構黃土邊坡強度折減后處于極限平衡時的變形破壞區(qū)。由圖9可知，不同類型邊坡滑面有一定差別，但變化不是很明顯，各相鄰滑面距離約2 m，剪出口均出現(xiàn)在坡腳上部5 m左右，且不同地層結構邊坡在強度折減破壞后其滑面有一定的相似特征，即呈現(xiàn)上部平緩、中部陡和下部較平緩的現(xiàn)象，這說明在坡型坡高相同的條件下，坡腳開挖導致不同地層結構類型的邊坡變形破壞的破壞面形態(tài)基本一致，滑體厚度存在一定差異但區(qū)別不大。

圖9 不同地層結構類型邊坡變形破壞區(qū)Fig.9 The deformation and failure zone of loess slope with different stratum structures

4 結論

在野外調查的基礎上，根據(jù)地層結構特征將呂梁地區(qū)黃土邊坡概化為四種不同結構類型，基于數(shù)值模擬對不同地層結構類型黃土邊坡坡腳開挖的影響效應進行了分析，得出如下結論。

(1)對于不同地層結構類型的黃土邊坡，在開挖進尺為L≤20 m時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨開挖角變化較小，其中Ⅰ型邊坡穩(wěn)定系數(shù)最低，而開挖進尺L≥30 m時，開挖角度從50°增大到90°，邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低10%～30%，其中Ⅳ型邊坡穩(wěn)定系數(shù)最低，且古土壤層的存在有益于邊坡的穩(wěn)定性。

(2)在開挖進尺較小時最大剪應變增量帶僅在坡腳附近最為顯著，而在開挖進尺較大時，開挖角大時，會在淺層形成一個最大剪應變增量帶并有向上貫通的趨勢，易形成淺層滑坡，故大進尺開挖邊坡時應設置較小開挖角。

(3)坡腳開挖角度較緩時邊坡的變形以豎向回彈為主，而開挖角較陡時，邊坡變形以向臨空面的水平位移和向下的豎向位移為主，且較大。

(4)在坡型坡高相同的條件下，坡腳開挖導致不同地層結構類型的邊坡變形破壞的破壞面形態(tài)基本一致，滑體厚度存在一定差異但區(qū)別不大，滑面具有上部平緩、中部陡和下部緩的特征。