水平軟弱夾層黃土滑坡形成機制及啟動角度

易志強， 龍建輝*， 張吉寧， 李旭鵬， 李鴻強， 倪向龍

(1.太原理工大學(xué)， 地震與地質(zhì)災(zāi)害防治研究所， 太原 030024； 2.山西冶金巖土工程勘察有限公司， 太原 030000；3.山西省勘察設(shè)計研究院有限公司， 太原 030013； 4.中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司， 成都 610000)

隨著中國基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需求和蓬勃發(fā)展，工民建用地范圍逐年擴大，帶來的結(jié)果是對自然斜坡的人工開挖，無論是以何種切坡方式擴建都極大地削弱了原始斜坡穩(wěn)定性，甘肅省天水市羅峪溝古滑坡的復(fù)活為坡腳前緣開挖形成高陡臨空面所致[1]，舟曲縣瓜咱壩3號滑坡成因機理為前緣大規(guī)模挖方[2]，貴州省貴陽市龍家?guī)r村古滑坡的復(fù)活是在坡腳區(qū)域開挖所誘發(fā)[3]，全國各地由于坡腳開挖所引發(fā)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害屢見不鮮，造成了所在地區(qū)大量財產(chǎn)損失，甚至對人類生命安全帶來巨大威脅。

當坡體地層結(jié)構(gòu)中含有水平軟弱夾層時，開挖自然斜坡前緣坡腳以后，軟弱夾層及隨之出現(xiàn)的拉裂縫對邊坡失穩(wěn)過程起重要影響[4]，通常是控制邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)[5-6]。許多學(xué)者著重研究軟弱夾層本身的物理力學(xué)性質(zhì)來研究滑坡啟動機理[7]，也有學(xué)者通過數(shù)值模擬來研究含軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞過程[8-10]。同時中外學(xué)者相繼開展物理模型試驗[11-12]，系統(tǒng)研究了含有軟弱夾層的坡體失穩(wěn)破壞動力響應(yīng)規(guī)律及破壞特征，并顯示此地層類型的邊坡體易發(fā)滑坡地質(zhì)災(zāi)害。王壯壯等[13]基于數(shù)值模擬分析了不同地層結(jié)構(gòu)類型黃土邊坡坡腳開挖效應(yīng)，但是并不包括含有水平軟弱夾層地層結(jié)構(gòu)類型，這是由于具有水平角度的軟弱夾層的坡體一般被認為具有較高的穩(wěn)定性，從而缺乏深入研究，尤其是不同開挖坡角與水平軟弱夾層模式下的坡體穩(wěn)定性的研究甚少。

滑坡失穩(wěn)破壞特征研究多采用數(shù)值分析方法，其作為一種再現(xiàn)歷史過程復(fù)雜動力學(xué)特征的重要技術(shù)手段[14]，對坡體的破壞運動過程模擬具有較好的適用性[15]，以山西省呂梁市臨縣“5·3”大型黃土滑坡為研究對象，采用有限差分FLAC3D研究坡腳在不同開挖角度條件與水平軟弱夾層組合模式下的坡體失穩(wěn)破壞機理，以期為類似地層結(jié)構(gòu)黃土邊坡的防治提供基礎(chǔ)理論。

1 研究區(qū)概況

1.1 滑坡概況

2020年5月3日凌晨，山西省呂梁市臨縣臨泉鎮(zhèn)勝利坪村風(fēng)峪溝南山發(fā)生一起黃土滑坡地質(zhì)災(zāi)害，研究區(qū)域所在地理位置如圖1(a)所示， 數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)根據(jù)1∶500 000的制圖等高線得出，并基于Xi’an 1980(China)大地坐標系?；滦螒B(tài)特征如圖1(b)所示，整體形態(tài)呈扇狀分布，滑體長約150 m，寬約354 m，坡體高差平均60 m，平均厚度21 m，滑體體積約1.11 ×106m3，屬于大型滑坡。災(zāi)害發(fā)生后，槐樹塔小區(qū)2#樓4個單元48套房屋整體受損，造成直接經(jīng)濟損失457.92萬元，未造成人員傷亡。

圖1 研究區(qū)域臨縣“5·3”大型黃土滑坡Fig.1 “5·3” large loess landslide in Linxian County of the study area

滑坡滑動面及軟弱夾層的特性如圖1(c)所示，自然斜坡坡體軟弱夾層主要為一層產(chǎn)狀近乎水平的卵石，滑坡體沿軟弱夾層滑動破壞。

1.2 氣象水文

研究區(qū)域風(fēng)峪溝南山的基礎(chǔ)設(shè)施擴建開挖從2019年2月份開始，自然黃土斜坡坡腳開挖至原設(shè)計場地范圍以后在2020年5月3日凌晨發(fā)生了此次大型黃土滑坡，期間降雨分布如圖2所示，研究區(qū)域現(xiàn)場沒有雨量計站，最近的一個可用衛(wèi)星位于約3 km處，本研究使用該站的降雨數(shù)據(jù)。

圖2 研究區(qū)域2019年2月—2020年5月降雨量統(tǒng)計Fig.2 Rainfall statistics of the study area from February 2019 to May 2020

現(xiàn)場地下水的儲存與補給條件差，含水微弱，滑坡下部巖土層未揭露到地下水。

2 滑坡破壞特征與形成機制

2.1 破壞特征

呂梁市臨縣臨泉鎮(zhèn)風(fēng)峪溝南部自然斜坡體主要被第四系黃土層所覆蓋，該場地自2019年2月份開始進行擬建樓房等基礎(chǔ)設(shè)施場地開挖工作，自然斜坡綜合坡腳開挖坡度約45°，隨著開挖工作的推進逐漸出現(xiàn)坡體失穩(wěn)變形特征，2020年4月28日槐樹塔小區(qū)靠西面山上的擋土墻出現(xiàn)裂縫，小區(qū)內(nèi)柏油路路面油皮鼓起，如圖3(a)所示，隨之坡頂裂縫于4月29日被當?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害巡視人員發(fā)現(xiàn)，如圖3(b)所示，裂縫均不具備拉張裂縫水平拉張的一般特點，而是表現(xiàn)出沉陷裂縫垂直錯動的典型特征，說明裂縫的發(fā)育是由于坡腳土體開挖牽引坡體產(chǎn)生的沉陷所引起，之后裂縫急劇擴展，坡頂最長一條裂縫長約 56 m,裂縫寬度2～6 cm，可見深度約 10 cm。5月3日凌晨，坡體頂部拉裂縫貫通至坡腳卵石泥巖分界面形成了此次大型黃土滑坡，滑坡發(fā)生以后，滑坡后壁明顯，如圖3(c)所示，平均高度7 m，最大高度約15 m，坡度 70°～80°，局部陡直，整個后緣形態(tài)呈圈椅狀。坡體相互推擠使得滑體整體移動變形，如圖3(d)所示，坡面植被東倒西歪，呈現(xiàn)醉漢林景象，原狀土擾動后局部形成大量松散堆積物?；麦w向下及前方發(fā)生位移之后，滑坡整體錯動被解體為兩段及兩段以上，每段滑塊的前緣因差異滑動而形成具有一定高差的臺坎，如圖3(e)所示，形成滑坡平臺，寬度15～20 m，在坡腳位置出現(xiàn)明顯反翹鼓起現(xiàn)象，如圖3(f)所示，此外，坡腳處還出現(xiàn)有羽狀裂縫。

圖3 滑坡破壞特征Fig.3 Landslide failure characteristics

2.2 形成機制

依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查與裂縫擴展情況分析水平軟弱夾層黃土邊坡主要受控于坡腳土體開挖，通過理論分析該類黃土滑坡形成機制主要包括以下三個過程。

(1)水平軟弱夾層應(yīng)力集中。黃土邊坡中存在的水平軟弱夾層對坡體穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的影響，自然斜坡在坡腳工程開挖作用下，如圖4(a)所示，坡腳關(guān)鍵阻滑塊體的缺失導(dǎo)致坡體內(nèi)部應(yīng)力重分布，應(yīng)力場發(fā)生改變，而逐漸在水平軟弱夾層出露位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖4(b)所示。

圖4 滑坡形成機制Fig.4 Landslide formation mechanism

(2)牽引沉陷拉裂。水平軟弱夾層出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸出現(xiàn)由剪應(yīng)力作用下的兩側(cè)土體錯動剪出變形破壞，如圖4(c)所示，逐漸向后發(fā)展，黃土邊坡在牽引力作用下逐漸產(chǎn)生蠕變沉陷，如圖4(d)所示，極易在坡頂形成拉裂縫，如圖4(e)所示，而實際臨縣“5·3”黃土滑坡驗證了沉陷拉裂縫的典型特征。

(3)裂縫貫通失穩(wěn)破壞。隨著坡頂沉陷拉裂縫與坡腳水平軟弱夾層的貫通，導(dǎo)致滑面下滑力大于抗滑力，最終引起黃土滑體整體失穩(wěn)向臨空方向滑動，如圖4(f)所示，在坡體中上部往往形成多級滑坡平臺，并在坡腳形成滑坡鼓丘和羽狀裂縫。

3 啟動角度數(shù)值分析

為了定量分析研究水平軟弱夾層黃土滑坡的啟動角度規(guī)律，本研究開展數(shù)值模擬實驗，使用FLAC3D三維有限差分數(shù)值模擬軟件對模型分析計算，數(shù)值模擬計算過程中巖土體均采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。

3.1 強度折減法原理

FLAC3D三維數(shù)值模擬采用強度折減法進行計算，強度折減法所定義的邊坡安全系數(shù)為把強度指標減小到邊坡臨界破壞時的強度指標折減的系數(shù)，強度指標折減[16]公式為

cf=c/F

(1)

φf=arctan(tanφ/F)

(2)

式中：cf為折減后的黏聚力，Pa；c為巖土體的黏聚力，Pa；F為安全系數(shù)；φf為折減后的內(nèi)摩擦角，(°)；φ為巖土體的內(nèi)摩擦角，(°)。

通過不斷調(diào)整土體的強度指標黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，然后對土坡進行有限元分析，直到其達到臨界破壞，此時得到的折減系數(shù)F即為安全系數(shù)，同時在計算過程中可以獲取到邊坡的動態(tài)破壞過程，主要包括位移場及應(yīng)變場結(jié)果。

3.2 計算模型建立

本試驗將研究區(qū)域未開挖前的斜坡形態(tài)概化以后作為初始境界，天然斜坡原坡度約為18.6°。數(shù)值模擬通過設(shè)計坡腳不同開挖角度，從而設(shè)計出一系列傾斜的坡面(25°～60°、Δα=5°，共計8個模型)，實現(xiàn)不同角度坡面與水平軟弱夾層不同的組合模式，利用有限元軟件ANSYS建立有限元物理模型，計算模型采用三維地質(zhì)模型，如圖5所示，其建立在笛卡爾直角坐標系下，xy平面內(nèi)的直角坐標系位于巖土體質(zhì)量中心投影一致的水平區(qū)域，z軸方向與重力方向相反，未切坡前計算模型長300 m、寬300 m、高129 m，計算模型剖分為四面體等參單元。

圖5 FLAC3D有限元三維邊坡數(shù)值模擬計算模型Fig.5 FLAC3D finite element 3D slope numerical simulation model

計算模型所加入的地層綜合考慮模型設(shè)計范圍內(nèi)的工程地質(zhì)勘察鉆孔地層層位信息，真實還原實際場地自然斜坡工程地質(zhì)條件，模擬計算過程中，采用滾軸邊界條件對計算模型四周邊界與底部固定，使其只受豎直方向的重力作用，忽略其他方向的應(yīng)力作用。

3.3 計算參數(shù)選取

巖土體物理力學(xué)參數(shù)的選取將會直接影響數(shù)值模擬計算結(jié)果的準確性，有限元物理模型計算參數(shù)則是根據(jù)鉆孔取樣室內(nèi)物理力學(xué)實驗結(jié)果以及研究區(qū)域經(jīng)驗值綜合考慮選取。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)值

3.4 變形失穩(wěn)分析

3.4.1 位移場分析

經(jīng)過數(shù)值模擬計算，可以獲得邊坡位移云圖結(jié)果，如圖6所示，由此可以分析得出如下結(jié)論。

圖6 各組合模式下位移云圖Fig.6 Displacement nephogram under each combined mode

(1)開挖角度：25°～35°。邊坡以小角度開挖完成切坡以后，最大位移出現(xiàn)在坡頂位置處，并且隨著開挖角度的增大逐漸轉(zhuǎn)移到和坡面頂部交匯位置處，坡體處于向不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展過程中，這個過程主要是由于巖土體在自重作用下產(chǎn)生垂直方向沉降變形所致，位移方向基本垂直向下。因此，小角度坡腳開挖對邊坡主要體現(xiàn)在對坡體頂部應(yīng)力重分布的影響。

(2)開挖角度：40°。當開挖角度為40°時，邊坡開始出現(xiàn)失穩(wěn)滑動現(xiàn)象，從邊坡最大位移云圖可以發(fā)現(xiàn)，邊坡形成了具有弧線滑動面的下滑區(qū)，逐漸向上部土質(zhì)區(qū)域貫通形成滑動面，貫通趨勢較為明顯。最大位移由滑動面從坡腳向坡頂逐漸增大，具有顯著的位移特征，坡體正處于失穩(wěn)破壞狀態(tài)，主要破壞方式為剪切破壞，失穩(wěn)破壞區(qū)剪出口位于水平軟弱夾層位置處，這和工程地質(zhì)勘察查明的滑動面位置基本吻合，因此，邊坡存在水平軟弱夾層對失穩(wěn)破壞起著關(guān)鍵性作用。

(3)開挖角度：45°～60°。隨著開挖角度進一步加大，邊坡最大位移云圖幾乎不再發(fā)生變化，與40°開挖角度條件下邊坡失穩(wěn)位移特征大致相同，并且依舊呈現(xiàn)出失穩(wěn)破壞下滑區(qū)和明顯滑動面貫通區(qū)，而且，實際臨縣研究區(qū)域自然黃土斜坡坡腳開挖綜合角度45°發(fā)生了滑坡，從而驗證了數(shù)值模擬的準確性。此外，滑動面角度隨著邊坡開挖角度的加大呈正相關(guān)關(guān)系，滑動面逐漸變得陡直。

提取各組合模式下坡頂水平變形位移數(shù)據(jù)繪制如圖7所示曲線圖，具有水平軟弱夾層黃土體邊坡在小角度開挖條件下邊坡水平變形極小，當坡腳開挖角度達到40°時變形急劇加大，最大位移值達到6 m，隨著開挖角度超過55°以后，邊坡水平變形逐漸減小，向豎直方向產(chǎn)生大變形的結(jié)果所致。此外，黃土邊坡首先在水平軟弱夾層位置開始產(chǎn)生大變形，并逐漸向上部土質(zhì)區(qū)域增大，并在黃土狀粉土區(qū)域達到最大，這是由于降雨條件對最上部黃土體物理力學(xué)參數(shù)帶來衰減影響所致，結(jié)果是導(dǎo)致更大的變形量，邊坡水平變形最終逐漸在坡頂位置減小。

圖7 各組合模式下坡面水平變形Fig.7 Horizontal deformation of slope surface under each combination modes

提取各組合模式下坡頂豎向變形位移數(shù)據(jù)繪制如圖8所示曲線圖，具有水平軟弱夾層黃土體邊坡在小角度開挖條件下邊坡豎向變形量極小，當開挖角度達到40°時變形量急劇增大，最大位移值達到5 m，豎向變形隨著距離坡頂拐角距離的加大而呈遞減趨勢，隨著開挖角度的增大，邊坡所形成的滑動面逐漸后移，當超過55°以后，邊坡豎向變形值基本保持不變。從曲線圖來看，邊坡失穩(wěn)主要是向臨空方向發(fā)生大變形，并逐漸牽引后部土體向下滑動，并將會在后緣部位形成沉陷拉裂縫。

圖8 各組合模式下坡頂豎向變形Fig.8 Vertical deformation of slope top under each combined mode

3.4.2 邊坡安全系數(shù)分析

由強度折減法原理得到數(shù)值模擬計算出的邊坡安全系數(shù)結(jié)果，如圖9所示。

圖9 各組合模式下邊坡安全系數(shù)Fig.9 Slope safety factor under each combined mode

有限元物理模型邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果表明，在水平軟弱夾層存在條件下邊坡穩(wěn)定性受坡腳開挖角度影響較大，當開挖角度達到35°時，邊坡穩(wěn)定性處于極限平衡狀態(tài)，當邊坡體處于復(fù)雜工況條件下將會出現(xiàn)失穩(wěn)滑坡可能，隨著開挖角度超過35°以后，邊坡已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)破壞，說明水平軟弱夾層的存在對邊坡穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的影響，這與文獻[5-6]得出的結(jié)論類似。

3.5 應(yīng)變場分析

為了進一步研究分析驗證邊坡失穩(wěn)破壞機制及啟動角度規(guī)律，計算獲得邊坡剪應(yīng)變增量云圖結(jié)果，如圖10所示，由此可以分析得出如下結(jié)論。

圖10 各組合模式下最大剪應(yīng)變增量云圖Fig.10 Nephogram of maximum shear strain increment under each combined mode

(1)開挖角度：25°～35°。有限元物理模型的剪應(yīng)變增量云圖主要分布在土質(zhì)區(qū)域，從云圖展示效果來看，主要集中在各巖土層分界面位置處，并且兩者之間具有相互平行的空間位置關(guān)系，逐漸由分界面向上下過渡遞減，并在切坡坡面位置處出露，這是由于切坡導(dǎo)致坡腳阻滑關(guān)鍵塊體消失的原因，可見邊坡坡腳為失穩(wěn)破壞啟動源[17]。此外，水平軟弱夾層分界面與坡面位置處出現(xiàn)最大剪應(yīng)變增量及應(yīng)變集中現(xiàn)象，推測將會在水平軟弱夾層位置處逐漸開始形成滑動面，而在底部砂巖分布區(qū)域未出現(xiàn)剪應(yīng)變增量，從物理力學(xué)參數(shù)數(shù)值大小可以解釋為什么強度參數(shù)大對形變響應(yīng)小而強度參數(shù)小對形變響應(yīng)大的結(jié)果。剪應(yīng)變增量并未形成一條明顯的滑動面，坡體依舊處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，說明小角度的切坡并未對坡體造成失穩(wěn)破壞。

(2)開挖角度：40°。隨著開挖角度增大到40°以后，邊坡的剪應(yīng)變增量云圖發(fā)生了變化，其空間分布不再呈現(xiàn)層狀以及與巖土層分界面平行的位置關(guān)系，從整體剪應(yīng)變增量云圖趨勢來看，開始呈圓弧狀的弧線分布，從坡腳位置處水平軟弱夾層位置逐漸向上形成一條較為清晰的貫通坡體弧線分布路徑，這與上面推測在水平軟弱夾層位置開始出現(xiàn)滑動面結(jié)果一致，而實際滑坡滑動面位置也在此位置處。此外，對于上部黃土狀粉土區(qū)域的剪應(yīng)變增量大于其分界面以下的土質(zhì)區(qū)域，這和黃土狀粉土物理力學(xué)參數(shù)在降雨工況下處理后結(jié)果相符合，因此，在降雨工況條件下，往往是受雨水浸潤以后巖土體強度參數(shù)衰減區(qū)域?qū)π巫冺憫?yīng)最快。因此，40°開挖角度條件下的水平軟弱夾層黃土邊坡開始出現(xiàn)失穩(wěn)跡象，且數(shù)值模擬計算過程難以達到收斂，這說明坡體已經(jīng)開始發(fā)生了失穩(wěn)破壞，從邊坡工程實際治理案例來看，40°開挖角度條件下的工程邊坡處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，而水平軟弱夾層的存在則大大較低了坡體的穩(wěn)定性。

(3)開挖角度：45°～60°。隨著邊坡開挖角度繼續(xù)增大，剪應(yīng)變增量云圖形成清晰直觀的滑動面貫通區(qū)及失穩(wěn)下滑區(qū)，失穩(wěn)下滑區(qū)剪出口位于水平軟弱夾層位置處，上部土質(zhì)區(qū)域剪應(yīng)變增量整體增大，但是最上部黃土狀粉土依舊呈現(xiàn)出大增量值，底部砂巖依舊處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

以山西省呂梁市臨縣“5·3”大型黃土滑坡為研究對象，對具有水平軟弱夾層限制條件黃土滑坡的變形破壞特征與形成機制進行了分析，利用有限差分FLAC3D軟件進行數(shù)值分析研究了坡腳在不同開挖角度條件與水平軟弱夾層組合模式下的坡體失穩(wěn)破壞機理，得到以下結(jié)論。

(1)調(diào)查研究表明，臨縣“5·3”大型黃土滑坡主要由坡腳工程開挖導(dǎo)致關(guān)鍵阻滑塊體缺失所引發(fā)，坡體沿近乎水平軟弱卵石夾層滑動破壞，地下水與降雨條件對黃土邊坡失穩(wěn)破壞所帶來的影響甚微。

(2)實際滑坡變形活動跡象特征明顯，并通過理論分析與數(shù)值分析驗證了具有水平軟弱夾層地層條件的黃土滑坡形成機制，總結(jié)形成機制主要表現(xiàn)為：①水平軟弱夾層應(yīng)力集中；②牽引沉陷后緣拉裂；③裂縫滑面貫通失穩(wěn)破壞。

(3)具有水平軟弱夾層黃土邊坡的坡腳開挖啟動角度介于35°～40°，數(shù)值模擬結(jié)果與實際臨縣“5·3”大型黃土滑坡案例結(jié)果一致。