軟硬互層邊坡降雨失穩(wěn)過程力學響應研究

李龍起 趙瑞志 王 滔 張 帥 何 川

(成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,成都 610059)

軟硬互層巖質(zhì)邊坡是一種包含各類斷裂破碎層及不整合面(帶)的廣義軟硬組合結(jié)構(gòu)體邊坡,廣泛分布于我國西南地區(qū).軟硬互層邊坡的巖體性質(zhì)差異明顯,層間結(jié)合較差,與單一巖體相比,在極端條件(如降雨、地震)下,其軟巖層穩(wěn)定性易急劇下降,出現(xiàn)“短板效應”,從而發(fā)生失穩(wěn)破壞.

由于軟硬互層邊坡的工程地質(zhì)條件復雜、脆弱,其穩(wěn)定性分析與判定一直是工程界的難題[1].吉世祖等[2]通過建立緩傾坡外軟硬互層高陡邊坡演化概念模型,總結(jié)出邊坡形成及變形破壞過程分為河谷形成過程中的時效變形、滑移-逐級拉裂、滑移-彎曲-剪斷3個階段;李昂等[3]建立互層狀巖體局部區(qū)域細觀數(shù)值模型,總結(jié)出軟硬互層狀巖體的細觀非均勻特性對其變形特性、強度特征、聲發(fā)射規(guī)律及累計損傷過程影響顯著.李龍起等[4-5]初步開展了不同降雨強度及支護條件下順層邊坡的地質(zhì)力學模型試驗,并分析雨水入滲對于坡體位移、孔壓力及支護結(jié)構(gòu)受力的影響.張磊等[6]和鄒維列等[7]通過人工降雨模擬試驗,分別研究了土坡不同坡度的滑動位移及含水率,推導試驗降雨條件下“坡度-泥流率”、“坡面位置-含水率”和“含水率-黏聚強度”的關系式.以上研究均是基于順層邊坡降雨特性對軟硬互層邊坡展開的探索性研究.但目前,降雨型軟硬互層邊坡研究仍存在諸多問題:①軟硬互層邊坡內(nèi)部巖性差異明顯,其復雜的巖層組合形式嚴重影響其破壞模式,目前尚未有系統(tǒng)的理論解釋其力學響應及破壞之間的內(nèi)在聯(lián)系;②對于軟硬互層邊坡破壞過程中力學響應變化特征缺乏系統(tǒng)性了解.本文以四川省古藺縣站場滑坡為工程依托,根據(jù)現(xiàn)場勘查資料構(gòu)建出軟硬互層邊坡概念模型,結(jié)合人工霧化降雨技術(shù),進行大型室內(nèi)堆積體邊坡探索性試驗.通過間歇性循環(huán)降雨試驗,模擬軟硬互層邊坡降雨破壞過程,綜合分析坡體破壞變化與坡內(nèi)特殊位置孔隙水壓力之間的內(nèi)在聯(lián)系,研究成果為我國西南地區(qū)類似邊坡的防災預警提供理論參考.

1 依托工點及試驗設計

1.1 依托工點概況

站場滑坡位于四川省古藺縣福來村古藺河左岸,為中傾外順向砂泥巖互層的單斜順層邊坡,滑坡剖面如圖1所示.坡體巖性主要以侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)為主,磚紅色、青灰色砂巖與紫紅色泥巖相互疊加沉積.坡表泥巖為強風化巖石,裂隙相對較發(fā)育;砂巖為中厚層、厚層-巨厚層.巖層傾角與坡體近乎平行,約為20°,砂巖產(chǎn)狀為N62°W/NE∠20°,泥巖產(chǎn)狀為N64°W/NE∠19°,巖層厚度為0.8～1.3 m互層分布,強風化帶厚約2～3 m,裂隙發(fā)育,巖體連通性較好,導水能力強,具備良好的地下水賦存空間和運移通道[8].

圖1 站場滑坡地質(zhì)概況

原始坡體走向為SW-NE,整體坡度為15°～20°,滑移體巖層傾角約為20°.站場滑坡進站端巖層產(chǎn)狀:N60°W/NE∠15°,出站端巖層產(chǎn)狀:N69°W/NE∠25°.坡體內(nèi)部優(yōu)勢發(fā)育3組控制節(jié)理:①N77°E/NW∠85°;②N40°E/NW∠83°;③N70°W/SW∠80°.原始邊坡前緣以坡度比1∶1進行人工開挖,最大開挖高度為18 m.

1.2 相似常數(shù)及配比系數(shù)

根據(jù)三大相似理論,結(jié)合原型邊坡的大小及巖體物理力學參數(shù)(見表1),本次室內(nèi)降雨模型試驗相似常數(shù)值擬取Cl=100,為突出反映在自重應力場作用下,巖土體的滑坡效應,試驗中巖土體的重度相似比取Cγ=1.模型邊坡大小為:長×寬×高=200 cm×60 cm×34 cm.

表1 巖體物理力學參數(shù)

1.3 試驗設計

模型邊坡擬采用規(guī)格為10 cm×10 cm×2 cm的巖塊進行堆砌.通過正交配比試驗,最終確定軟巖相似材料配比為:石英砂∶黏土∶重晶石∶石膏∶水=32∶1∶40∶9∶18,其重度ρ為22.3 k N/m3,黏聚力c為5.42 k Pa,內(nèi)摩擦角φ為24.8°;硬巖相似材料配比為:石英砂∶水泥∶重晶石∶石膏∶水=45∶0.5∶36∶0.5∶18,根據(jù)室內(nèi)基礎物理試驗可知其重度ρ為23.6 k N/m3,黏聚力c為8.36 k Pa,內(nèi)摩擦角φ為38.7°.

制模過程中,坡體基底為4 cm的硬巖層,所用材料與硬巖相似材料配比相同.堆砌方式為錯縫堆積,保證相鄰巖塊與上下巖塊壓實并充分接觸,相同巖層間隙采用同一相似材料進行填縫拼接.考慮到軟巖在原始坡體內(nèi)部接觸面中起主導的粘結(jié)作用,所以不同巖層面間采用軟巖相似材料進行粘接.坡體表層鋪設2 cm厚的軟巖相似材料碎屑,模擬原始坡體表層泥巖強風化狀態(tài)的真實情況.模型堆砌完成后靜置24 h,確保坡體內(nèi)部粘結(jié)材料固結(jié),充分還原原始邊坡破壞前的真實狀態(tài).模型箱兩側(cè)PVC擋板分別涂抹凡士林,以減小邊界效應對試驗效果的影響.坡體穩(wěn)定后起吊20°,并在坡前進行開挖坡比1∶1操作.坡體開挖結(jié)束后靜置3 h,保證坡體內(nèi)部應力場重新達到平衡后,開始進行降雨試驗.

1.4 試驗系統(tǒng)及試驗方法

本次所采用的試驗系統(tǒng)由自行設計加工的模型箱及降雨疊加系統(tǒng)組成,其平面布置圖如圖2所示.模型箱由高強度槽鋼組成骨架,PVC一側(cè)由吊鉤和滑輪組成吊裝系統(tǒng),實驗過程中將模型箱吊起一定角度,模擬現(xiàn)場坡度情況,如圖3所示.通過控制電磁閥,調(diào)節(jié)水泵功率,從而調(diào)節(jié)降雨強度,達到控制流量的目的,并通過流量監(jiān)視器實時讀取降雨流量,其電路連接方式如圖4所示.

圖2 試驗系統(tǒng)布置平面圖

結(jié)合西南地區(qū)降雨資料及試驗的相似量綱關系,本次模型試驗的降雨強度為0.325 mm/h.試驗設定降雨40 min,停雨20 min為一次降雨循環(huán),試驗總時長36 h,模擬原型邊坡在間歇性循環(huán)降雨工況作用15 d內(nèi)坡體破壞全過程.本次試驗對坡體內(nèi)部特殊位置處孔隙水壓力值進行了實時監(jiān)測,試驗模型測點布置圖如圖3所示.

圖3 試驗模型及傳感器布置(單位:mm)

圖4 試驗降雨系統(tǒng)

2 試驗分析

2.1 試驗的破壞過程

圖5為軟硬互層模型邊坡降雨破壞過程圖.圖5(a)、(b)、(c)、(d)分別為降雨試驗前期、中期、后期、末期坡體側(cè)面鏡像圖.

圖5 模型邊坡破壞過程圖

由圖5可知,坡體在間歇性循環(huán)降雨作用下:①降雨前期:坡腳處中、上部巖體最先出現(xiàn)松動,裂隙由前緣坡表逐漸向中間層巖體延伸、擴展,軟巖接觸入滲雨水后,開始軟化、泥化,側(cè)邊界少量軟巖開始流失,巖層面抗剪強度急劇下降;②降雨中期:坡體前緣裂隙逐漸延伸、貫通,形成小型滑動面,前緣巖體沿此滑動面發(fā)生滑移破壞,并堆積于坡腳形成鎖固段.隨著入滲雨水的排出,帶走部分巖體碎屑及淺層軟巖塊體,逐漸形成固定的排水裂隙通道,前緣巖體整體下錯、持續(xù)微弱滑動;中部巖體因前緣失穩(wěn)對其產(chǎn)生的拉裂作用影響,巖層面逐漸向坡前傾倒,自坡表向內(nèi)6～8層巖體向坡前小幅滑移破壞;③降雨后期:坡體前緣軟巖碎塊不斷脫落,切層裂隙延伸至坡體底部,且裂隙滲流通道越發(fā)明顯,鎖固段逐漸失效;坡體中部切層裂隙不斷擴張,底層軟巖軟化、泥化程度加深,中部巖體在牽引力、自重作用下,沿泥化面向坡前持續(xù)滑移;后緣裂隙繼續(xù)下切,坡表沉降;④降雨末期:隨著深層軟巖層面的強度不斷弱化、軟弱面完全貫通,坡腳鎖固段徹底失效,坡體沿已貫通的大型滑動面發(fā)生整體滑動,大方量的滑體堆積于坡體前端直至模型槽前端底部,覆蓋原始開挖基準面,坡體后緣出現(xiàn)陡坎.大型滑動面長約134 cm,中-上部巖體下滑至坡體前緣,滑動水平位移約12 cm,坡體破壞嚴重,整體變形較大.

2.2 應力分析

深入解析坡體內(nèi)部關鍵物理量與坡體破壞之間的內(nèi)在聯(lián)系,在坡體內(nèi)部不同層面不同高度布設孔隙水壓力傳感器,為試驗研究提供關鍵性的定量數(shù)據(jù).圖6為坡內(nèi)孔隙水壓力變化特征時程曲線圖.壞,結(jié)合降雨試驗過程中坡體變形全程監(jiān)測數(shù)據(jù),表明:在降雨1 134 min時,坡體前緣裂隙貫通,形成小型滑動面,前緣巖體沿此滑面發(fā)生滑移失穩(wěn).③降雨后期(2 036 min),前緣孔隙水壓力數(shù)值再次發(fā)生突變,表明此時坡體后緣裂隙貫通,大型滑動面形成,模型邊坡逐漸沿此滑動面發(fā)生第2次失穩(wěn)破壞.④模型邊坡在間歇性循環(huán)降雨作用下,孔隙水壓力呈規(guī)律性波動,即緩慢增長一段時間后出現(xiàn)一次明顯下降和回升,與降雨工況緊密結(jié)合,并伴隨坡體變形發(fā)生相應的突變,結(jié)合坡體破壞過程可知:孔隙水壓力數(shù)值突變時刻較坡體整體突發(fā)失穩(wěn)時刻提前約6 min,建議可根據(jù)孔隙水壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)對軟硬互層邊坡進行失穩(wěn)預警.

2)對比分析坡體淺表層不同部位(K3、K5、K6)孔隙水壓力變化時程曲線可知:①在坡體淺層相同巖層內(nèi),孔隙水壓力數(shù)值由大到小為:K坡體前緣＞K坡體中部＞K坡體后緣;②降雨初期,在坡體前緣失穩(wěn)破壞前,由于降雨強度大于坡體滲透速率,故坡表中部、后緣的淺表層積水均沿斜面向坡前流動,而坡體前端受開挖擾動,裂隙相對發(fā)育,雨水易入滲,因此孔隙水壓力迅速上升,且裂隙水能得到持續(xù)的滲流補充.③K6孔隙水壓力傳感器埋設在坡體后緣頂層軟巖層面內(nèi),其變化時程曲線表明后緣巖體在間歇性循環(huán)降雨作用下,在坡體發(fā)生大型破壞前一直較穩(wěn)定.在坡體整體失穩(wěn)破壞時,由于后緣拉裂形成陡坎,使得后緣淺表層裂隙水散失,孔隙水壓力有下降趨勢.

3)間歇性循環(huán)降雨過程是邊坡巖體強度及裂隙變化的一個動態(tài)損傷過程,坡體內(nèi)部形成固定的給、排水通道.降雨不均勻入滲導致裂隙的不均勻切割效應,致使坡體淺表層的開裂,層面抗剪強度的下降.坡體內(nèi)部孔隙水壓力數(shù)值變化充分反映坡體內(nèi)部裂隙發(fā)育狀況,是探究坡體內(nèi)部破壞特征的重要指標.

由圖6可知:

1)對比分析坡體前緣不同深度巖層內(nèi)(K1、K2、K3)孔隙水壓力變化特征時程曲線可知:①降雨初期,前緣坡腳巖體孔隙水壓力響應速率最快,前緣中間層巖體次之,前緣頂部巖體響應速率最慢,期間時間差均約為20 min,表明坡體開挖擾動對坡腳巖體影響較大,微裂隙的產(chǎn)生使得開挖面附近巖體在降雨初期雨水入滲速率較快,其孔壓計數(shù)值變化最快.②坡體前緣巖體孔隙水壓力均在降雨0～120 min內(nèi)出現(xiàn)不同程度的陡增現(xiàn)象,之后其數(shù)值均穩(wěn)定波動;降雨中期,前緣孔隙水壓力數(shù)值均在降雨1 134 min發(fā)生突變,充分證明坡體前緣在該時刻后突然發(fā)生變形破

3 軟硬互層巖質(zhì)滑坡地質(zhì)力學模式分析

結(jié)合站場滑坡的破壞特征,綜合整理模型試驗的應力及變形特征,分析軟硬互層巖質(zhì)斜坡的地質(zhì)力學模式:

1)前緣切層裂隙貫通-滑移階段(圖7a)

前緣坡表受開挖擾動出現(xiàn)少量細小裂隙.降雨前期,前緣坡表覆蓋物流失,巖層裸露,裂隙增多、擴張,雨水沿裂隙入滲坡內(nèi),淺部泥巖層軟化;隨著降雨持續(xù)作用,前緣中間層下部巖層面形成小型泥巖軟化面,前緣中、上部巖體沿小型滑動面滑移破壞,滑體于坡腳形成鎖固段.

2)中-后部巖體傾倒,后部裂隙發(fā)育階段(圖7b)

隨著坡體中部中-底層軟巖層的逐漸軟化、泥化,坡體中-后部巖體在前緣失穩(wěn)滑移的牽引作用、后緣巖體的下滑推力及自身重力的共同作用下,中-后部巖體沿軟弱滑面有向下滑移的趨勢.坡體后緣裂隙發(fā)育迅速,局部充水,下伏軟巖泥化嚴重,裂隙擴展延深,坡體深層軟化巖層逐漸貫通.

3)后緣滑面貫通-失穩(wěn)階段(圖7c)

前緣巖體沿小型滑動面持續(xù)向下滑移變形,坡體穩(wěn)定性急劇下降,坡腳鎖固段失效.后緣裂隙向下擴張,與坡體深層軟化巖層貫通,形成通路,雨水沿優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面排出,形成大型滑動面.由于坡體前緣巖體的牽引拉裂作用,降雨裂隙及坡體自身重力的增加,邊坡沿大型滑動面發(fā)生整體失穩(wěn)現(xiàn)象.

圖7 模型邊坡地質(zhì)力學模式

4 結(jié) 論

1)間歇性循環(huán)降雨是邊坡巖體強度及裂隙變化的一個動態(tài)損傷過程的誘因,坡體內(nèi)部形成固定的給、排水通道.降雨不均勻入滲導致裂隙的不均勻切割效應,致使坡體淺表層開裂,層面抗剪強度下降.

2)在坡體淺表層相同巖層內(nèi),孔隙水壓力數(shù)值由大到小為:K坡體前緣＞K坡體中部＞K坡體后緣.

3)模型邊坡在間歇性循環(huán)降雨作用下,孔隙水壓力呈規(guī)律性波動,即緩慢增長一段時間后出現(xiàn)一次明顯下降和回升,與降雨工況緊密結(jié)合,并伴隨著坡體變形發(fā)生相應突變,孔隙水壓力數(shù)值突變時刻較坡體整體突發(fā)失穩(wěn)時刻提前約6 min,建議可根據(jù)孔隙水壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)對軟硬互層邊坡進行失穩(wěn)預警.

4)緩傾順層軟硬互層邊坡的破壞模式總體可概括為3個階段:①前緣切層裂隙貫通-滑移階段;②中-后部巖體拉裂,后部裂隙發(fā)育階段;③后緣滑面貫通-失穩(wěn)階段.