某多次開挖邊坡治理失效機(jī)制分析

頓佳偉，吳卓林，馮文凱，張國(guó)強(qiáng)，孟 睿，陳振雷

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))， 四川 成都 610059；2.四川省工程地質(zhì)集團(tuán)， 四川 成都 610017)

西南地區(qū)由于特殊和復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件和強(qiáng)烈的河谷動(dòng)力學(xué)過程，導(dǎo)致這一地區(qū)以滑坡、崩塌、泥石流為典型的地質(zhì)災(zāi)害事件特別發(fā)育[1-3]。近些年來，隨經(jīng)濟(jì)建設(shè)的恢復(fù)和高速發(fā)展及自然因素的影響，滑坡災(zāi)害呈逐年加重的趨勢(shì)，而人類工程建設(shè)的不斷發(fā)展，促使人工開挖而形成的土質(zhì)邊坡逐漸增多，并且這類邊坡在開挖及加固不當(dāng)、降雨和地震等其它不利因素影響下，更易發(fā)生失穩(wěn)破壞[4-6]。與一般邊坡相比，這類邊坡的穩(wěn)定性與邊坡所處的地質(zhì)環(huán)境條件和人類工程活動(dòng)的破壞程度息息相關(guān)，其變形機(jī)制會(huì)相對(duì)復(fù)雜[7]。鑒于人工開挖形成的邊坡通?？拷缆贰⒕用駞^(qū)等人類活動(dòng)聚集區(qū)，一旦這類邊坡問題不能妥善解決，將嚴(yán)重影響和制約重大工程建設(shè)和威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

目前關(guān)于開挖導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)破壞的研究主要集中在滑坡形成原因及變形特征、開挖與滑坡穩(wěn)定性關(guān)系、滑坡失穩(wěn)機(jī)理研究等。國(guó)內(nèi)學(xué)者早期主要通過查明場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，基于變形理論對(duì)開挖邊坡特別是高邊坡進(jìn)行變形機(jī)制的定性分析，如王思敬[8]針對(duì)在金川露天礦的開采過程中發(fā)生了大量的高邊坡變形失穩(wěn)問題進(jìn)行了變形機(jī)制及過程的分析。柳旻等[9]研究了東南亞某水電站廠房邊坡開挖變形特征及成因機(jī)制。黃潤(rùn)秋[10]研究了巖質(zhì)高邊坡開挖條件下卸荷帶的形成機(jī)理等。隨著數(shù)值模擬計(jì)算的長(zhǎng)足發(fā)展，眾多學(xué)者借助相關(guān)技術(shù)對(duì)開挖邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了定性和定量分析。曹衛(wèi)文等[11]研究邊坡分段開挖過程中的應(yīng)力和位移變化過程后發(fā)現(xiàn)，相比于坡內(nèi)位移變化，應(yīng)力的變化過程存在一定的滯后性。陳雪珍等[12]通過PLAXIS有限強(qiáng)度折減法對(duì)永寧高速公路邊坡施工過程進(jìn)行模擬分析，得出隨著坡體逐級(jí)開挖，安全系數(shù)不斷降低。倪勇等[13]結(jié)合遼寧建興高速公路某高邊坡施工過程，利用軟件3DEC模擬邊坡采用不同的臺(tái)階數(shù)進(jìn)行開挖，找出該邊坡不穩(wěn)定塊體位置，并分析邊坡整體穩(wěn)定性，對(duì)該類邊坡工程施工及后期支護(hù)具有重要參考意義。

迄今為止，對(duì)于開挖導(dǎo)致滑坡多次失穩(wěn)破壞的研究相對(duì)較少，且對(duì)受治理工程、降雨等因素影響而改變滑坡失穩(wěn)機(jī)制模式的研究更少。為此，本文立足于大量滑坡現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和資料，基于巖土體應(yīng)力應(yīng)變分析方法，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)該滑坡多次失穩(wěn)破壞機(jī)制進(jìn)行了探討。

1 朝天中學(xué)滑坡概況

1.1 滑坡概況

朝天中學(xué)滑坡位于廣元市朝天區(qū)清風(fēng)村三組，屬中低山斜坡溝谷侵蝕堆積地貌形態(tài)，斜坡坡向約350°，主滑方向約352°(見圖1)，滑坡平均寬度約72 m，斜長(zhǎng)約102 m，滑體平面面積約7.34×103m2，地形總體趨勢(shì)呈南高北低，坡面呈傾斜狀，整體地形坡度為20°～30°?；聟^(qū)后緣地形坡角20°～25°，高程565.00 m～575.00 m，主要為耕地；滑坡中地形平緩，坡面變化不大，地形坡度約15°～25°；坡腳地形平坦，主要為擬建朝天中學(xué)教學(xué)樓及周邊居民區(qū)，高程518.00 m～522.00 m，前后緣相對(duì)高差43.0 m～48.0 m。朝天中學(xué)教學(xué)樓擬建場(chǎng)地人工切坡整平地基時(shí)在滑坡前緣開挖形成高14.00 m～17.00 m的人工邊坡?；聳|側(cè)為沖溝，沖溝寬2.00 m～14.00 m，切割深度3.00 m～5.00 m，縱坡坡度20°～35°，坡降較大,滑體平均厚度約10.50 m，主要由松散～稍密狀的碎石土及強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖組成，體積約7.71×104m3，滑坡全貌見圖2，工程地質(zhì)剖面圖見圖3。

圖1 滑坡區(qū)工程地質(zhì)平面圖

圖2 滑坡全貌

圖3 滑坡區(qū)工程地質(zhì)剖面圖

1.2 地層巖性

該滑坡物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征從上至下主要為殘坡積碎石土、三迭系飛仙關(guān)組(T1f)強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖、三迭系飛仙關(guān)組(T1f)中風(fēng)化頁(yè)巖和三迭系飛仙關(guān)組(T1f)微風(fēng)化頁(yè)巖。

(1) 殘坡積碎石土。覆蓋層殘坡積碎石土呈黃褐色，松散—稍密狀，稍濕，粉質(zhì)黏土主要由粉粒和黏粒組成。碎石、角礫含量50%～60%，碎石粒徑較小，一般20 mm～400 mm，最大可達(dá)600 mm，呈棱角狀—次棱角狀，磨圓度較差，呈強(qiáng)—全風(fēng)化狀態(tài)。層厚1.8 m～6.2 m，平均厚度約4 m。

(2) 強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖。強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖層呈黃褐色，頁(yè)理和風(fēng)化裂隙發(fā)育，受構(gòu)造影響，巖體結(jié)構(gòu)破碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，質(zhì)較軟，遇水易軟化。地層厚度2.1 m～5.8 m，平均厚度約3.1 m。

(3) 中風(fēng)化頁(yè)巖。中風(fēng)化頁(yè)巖層呈灰褐色，頁(yè)理發(fā)育，薄層狀構(gòu)造，裂隙較發(fā)育，巖體較完整，質(zhì)較硬，工程力學(xué)性質(zhì)較好，巖層產(chǎn)狀為135°∠87°，該層巖體滲透性較小，為相對(duì)隔水層。層厚3.2 m～7.2 m，平均厚度約5.4 m。

(4) 微風(fēng)化頁(yè)巖。微風(fēng)化頁(yè)巖層呈灰白色，頁(yè)理發(fā)育，有少量風(fēng)化裂隙，巖體較完整，薄層狀構(gòu)造，質(zhì)較硬。

1.3 水文地質(zhì)條件

滑坡區(qū)上覆第四系松散堆積層為中透水層，下伏頁(yè)巖強(qiáng)風(fēng)化帶均為弱透水層，中風(fēng)化層為微透水層。按照地下水的賦存介質(zhì)類型、劃分為孔隙水和基巖裂隙水兩類。

(1) 孔隙水。賦存于殘坡、崩積碎石松散土層中，具上層滯水性質(zhì)，直接由大氣降水及邊坡基巖裂隙水補(bǔ)給。當(dāng)大氣降水時(shí)，大部分地表徑流通過溝谷向坡腳排泄，部分地表水滲入土層形成孔隙水。

(2) 基巖裂隙水。賦存于三迭系飛仙關(guān)組(T1f)頁(yè)巖裂隙中，主要接受大氣降水補(bǔ)給，強(qiáng)風(fēng)化巖體內(nèi)裂隙發(fā)育，巖層透水性較好，中強(qiáng)風(fēng)化層透水性較差，150 L/h,巖層儲(chǔ)水量不大，水動(dòng)態(tài)極不穩(wěn)定，多出露于沖溝底。

2 滑坡變形機(jī)制分析

2.1 滑坡的變形破壞特征

(1) 首次開挖引起變形特征。朝天中學(xué)場(chǎng)平切坡后，在斜坡坡腳人工開挖形成了長(zhǎng)約95 m，高約14 m～17 m的高陡臨空面。2010年2月26日，斜坡前緣失穩(wěn)出現(xiàn)滑塌，滑坡后部體發(fā)育多條變形裂縫(見圖4)，顯示出其牽引破壞表征。滑坡第一次失穩(wěn)后，經(jīng)過詳細(xì)勘察及論證，確定采用“抗滑樁+截排水溝+裂縫封填”的工程治理方案，即分別在滑坡中部(A型、B型)和滑坡左側(cè)前部(C型)布置抗滑樁；滑坡后緣設(shè)置截水溝，滑坡左右兩側(cè)沿滑坡縱向設(shè)置排水溝；在滑坡右側(cè)前緣至中部，設(shè)置混凝土擋土墻。在工程治理施工完成后，滑坡的變形得到了有效控制。

圖4 滑坡后部拉張裂縫

(2) 第二次開挖變形特征。因?qū)W校建設(shè)需要，教學(xué)樓后斜坡進(jìn)一步切坡開挖坡腳，滑體向臨空方向再次發(fā)生蠕滑，并引起了原設(shè)計(jì)A型、B型、C型樁的位移變形，抗滑樁變形方向與斜坡主滑方向基本相同，滑坡前緣西側(cè)住宅樓出現(xiàn)鼓脹開裂(見圖5)，擋墻鼓脹龜裂?；略俅伟l(fā)生變形以后，在未經(jīng)勘察及論證情況下，又在滑坡主滑方向的前緣增設(shè)了D型抗滑樁并在滑坡上方已實(shí)施的抗滑樁上增加錨索加固，滑坡變形得到暫時(shí)性的控制。

(3) 第三次變形破壞特征。2012年7月4日，該地區(qū)普降暴雨，在暴雨的影響下，滑坡于7日—8日出現(xiàn)嚴(yán)重滑移失穩(wěn)，邊坡土體整體下移，變形較大，滑坡后緣出現(xiàn)明顯下錯(cuò)(見圖6)，出現(xiàn)貫通性裂縫?；麦w上除了D2、D3及D12抗滑樁外，其余抗滑樁均出現(xiàn)較大程度位移甚至剪斷(見圖7)。教學(xué)樓后方擋土墻中部出現(xiàn)貫通裂縫，裂縫寬度約20 cm，教學(xué)樓后地面擠壓錯(cuò)動(dòng)(見圖8)。

圖5 前緣地面鼓脹開裂

圖6 滑坡后緣下錯(cuò)

圖7 抗滑樁滑移變形

圖8 擋土墻擠壓變形及教學(xué)樓后地面錯(cuò)動(dòng)

2.2 滑坡的變形機(jī)理

2.2.1 首次切坡失穩(wěn)機(jī)理

坡腳在坡體穩(wěn)定性中起到阻滑的關(guān)鍵作用，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是開挖前未產(chǎn)生臨空面，作為坡體前緣關(guān)鍵阻滑體而存在。二是保護(hù)坡腳不受擾動(dòng)及風(fēng)化影響，維護(hù)原有地質(zhì)環(huán)境狀態(tài)[3]。首次開挖后形成的臨空面，一方面使得滑坡阻滑體消失，給滑體帶來了良好的運(yùn)動(dòng)空間，另一方面使得沿基輔界面的潛在滑帶被暴露(基覆界面深度約3 m～4 m，強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化頁(yè)巖界面約8 m～12 m)，誘導(dǎo)整個(gè)邊坡優(yōu)先沿坡體結(jié)構(gòu)差異最明顯的巖土界面(見圖9)發(fā)生牽引式堆積層滑坡?？梢灶A(yù)見，若不及時(shí)進(jìn)行加固處理，滑體前緣已開裂的部分滑體將擾動(dòng)并牽引后部滑體，不斷開啟下一級(jí)滑體演化進(jìn)程。

圖9 斜坡首次開挖失穩(wěn)模式圖

2.2.2 二次切坡失穩(wěn)機(jī)理

滑坡在經(jīng)過第一次治理后，由于已設(shè)抗滑樁的存在減小了滑坡后部的剩余下滑力，并且隔斷了原基覆界面的潛在滑移面，使滑坡淺表土體出現(xiàn)變形的空間減小，但同時(shí)由于由于抗滑樁(A型、B型、C型)埋設(shè)的地層為第四系碎石土及強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖，未到達(dá)中風(fēng)化頁(yè)巖層，阻滑力通過樁身向深部錨固段轉(zhuǎn)移，應(yīng)力轉(zhuǎn)移促使強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖層承受更強(qiáng)的滑坡下滑推力。坡腳二次開挖后，一方面，切坡創(chuàng)造的臨空面，促使滑體再次獲得了運(yùn)動(dòng)空間，且阻滑塊體的缺失導(dǎo)致邊坡自身整體抗滑力下降；另一方面，抗滑樁發(fā)揮阻滑作用時(shí)會(huì)依靠滑坡前緣土體提供一部分抵抗力，而開挖阻滑塊體導(dǎo)致這部分抵抗力絕大部分被卸載掉，抗滑樁提供的阻滑力將通過樁身向深部錨固段轉(zhuǎn)移更多。故而在應(yīng)力轉(zhuǎn)移作用下坡體沿強(qiáng)-中風(fēng)化接觸面形成的軟弱夾層面發(fā)生滑移(見圖10)。滑坡此階段的滑動(dòng)面已從基覆界面向深部轉(zhuǎn)移，致使滑坡前緣西側(cè)住宅樓出現(xiàn)鼓脹開裂及擋墻鼓脹龜裂等現(xiàn)象。

2.2.3 暴雨觸發(fā)

滑坡在經(jīng)歷二次治理后，其破壞變形得到了暫時(shí)性的控制，但在2012年6月下旬到7月上旬發(fā)生多期連續(xù)降雨(雨量達(dá)458.2 mm，為多年同期平均降雨量的2.72倍)。在降雨入滲作用下，一方面降雨過程中地表水通常沿著出露于地表的裂隙滲入坡體，并沿著結(jié)構(gòu)面不斷向下運(yùn)移，這時(shí)裂隙水由于形成水頭差會(huì)對(duì)裂隙壁面產(chǎn)生靜水壓力，當(dāng)?shù)叵滤竭_(dá)強(qiáng)-中風(fēng)化接觸面(潛在滑面)時(shí)，由于中風(fēng)化頁(yè)巖層較強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖透水能力弱，故形成相對(duì)隔水層，地下水轉(zhuǎn)而沿相對(duì)隔水層運(yùn)移，并對(duì)底面產(chǎn)生揚(yáng)壓力[11]；另一方面，不斷入滲的地表水不但增大了坡體自重，而且地表水向滑面運(yùn)移過程中會(huì)極大軟化巖土體，造成潛在滑面力學(xué)性質(zhì)急劇降低[14-15]，故坡體抗滑力和下滑力的此消彼長(zhǎng)再次造成邊坡整體嚴(yán)重失穩(wěn)。

雖然滑坡前緣布設(shè)了擋土墻和C型、D型抗滑樁，但阻滑能力有限，而A型、B型抗滑樁由于埋設(shè)深度不夠，轉(zhuǎn)與滑體發(fā)生“協(xié)同”運(yùn)動(dòng)(見圖11)。

圖10 斜坡第二次開挖失穩(wěn)模式圖

圖11 暴雨工況下斜坡失穩(wěn)模式圖

3 基于FLAC3D的應(yīng)力分析

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

本次采用FLAC3D對(duì)邊坡變形進(jìn)行模擬，選取1-1′剖面建立模型(如圖12所示)；按照實(shí)際地層分步將模型分為4組，1組和4組為碎石土組、2組為強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖組、3組為中風(fēng)化頁(yè)巖組，相關(guān)巖層巖體物理力學(xué)參數(shù)參考勘察資料及室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行選取(見表1)。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖12 計(jì)算模型圖

3.2 數(shù)值分析計(jì)算原理

數(shù)值計(jì)算中，將巖土體看作理想彈塑性材料，屈服準(zhǔn)則采用內(nèi)置的摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則即：

(1)

這里，Nφ=(1+sinφ)(1-sinφ)，σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；C為黏聚力。

樁與巖土體之間的相互作用是通過耦合彈簧來實(shí)現(xiàn)的。耦合彈簧為非線性、可滑動(dòng)的連接體，能夠在樁身節(jié)點(diǎn)和實(shí)體單元之間傳遞力和彎矩。切向彈簧作用是主要考慮樁土接觸面的黏聚力和摩擦力。法向彈簧可以模擬法向荷載的作用以及樁身與實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)之間縫隙的形成，還可以模擬樁周土對(duì)樁身的擠壓作用。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

從圖13中可以看出，邊坡剪應(yīng)力由上往下依次增大，且坡腳處剪應(yīng)力較為集中，這表明邊坡前緣起到阻滑的關(guān)鍵作用。

圖13 天然狀態(tài)下剪應(yīng)力分布圖(單位：Pa)

邊坡在首次開挖后，坡腳處應(yīng)力值增大(見圖14)，邊坡剪應(yīng)力增量在坡腳臨空面處出現(xiàn)集中現(xiàn)象(見圖15)，這表明整個(gè)邊坡在經(jīng)過應(yīng)力調(diào)整后易在結(jié)構(gòu)差異最明顯的巖土界面發(fā)生牽引式堆積層滑坡。

二次開挖后，阻滑力通過樁身向深部錨固段轉(zhuǎn)移，應(yīng)力轉(zhuǎn)移促使強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖層承受更強(qiáng)的滑坡下滑推力(見圖16、圖17)，滑坡此階段的滑動(dòng)面已從基覆界面向深部轉(zhuǎn)移。

圖14 首次開挖下剪應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

圖15 首次開挖狀態(tài)下剪應(yīng)力增量云圖

圖16 二次開挖狀態(tài)下剪應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖17 二次開挖狀態(tài)下剪應(yīng)力增量云圖

4 結(jié)論與建議

(1) 首次切坡條件下，邊坡沿原生結(jié)構(gòu)中最“活躍”的基覆界面發(fā)生了牽引式堆積層滑坡失穩(wěn)。

(2) 在第二次切坡和加固手段實(shí)施后，坡體臨空條件和自身結(jié)構(gòu)的改變，促使坡內(nèi)應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，邊坡也因此轉(zhuǎn)為沿強(qiáng)—中風(fēng)化接觸面發(fā)生失穩(wěn)的牽引式滑坡。

(3) 由于前兩次邊坡失穩(wěn)對(duì)坡體自身完整性的破壞，在邊坡遭遇罕見暴雨的條件下，坡體抗滑力和下滑力的此消彼長(zhǎng)造成邊坡整體嚴(yán)重失穩(wěn)，使得前期治理工程再次失效。