某邊坡滑塌地質模型構建及力學參數(shù)選取淺析

薛春梅

（山西省交通建設工程質量檢測中心（有限公司），山西 太原 030032）

0 引言

邊坡穩(wěn)定性問題是巖土工程的基本典型問題，國內外許多科研人員對此進行了大量的分析，并取得了一定的研究成果。目前，關于邊坡穩(wěn)定性的分析方法主要有3種：一是極限平衡理論；二是室內模型試驗；三是數(shù)值模擬方法。極限平衡分析法是最早利用的一種解決方案，在計算中不用考慮土體的應力-應變關系，物理概念清晰，計算簡單。室內模型試驗基于相似模擬，或者模擬重力加速度，能夠對邊坡穩(wěn)定性破壞起到很好的模擬作用，對于判斷邊坡變形過程、破壞模式等起到關鍵作用。數(shù)值模擬通過對邊坡滑動體進行應力-應變（變形）分析，重點分析邊坡的應力應變變化，擬定特定破壞判別條件，進而找到破壞區(qū)域，求得穩(wěn)定性、變形解。

對于常規(guī)邊坡工程，極限平衡分析和數(shù)值分析由于其便于實施、工期短、造價低等特點，可廣泛采用，而室內模型試驗由于周期長、費用高等特性一般用于大型工程中。這就要求在常規(guī)邊坡工程地質勘察中，取得的資料能夠滿足極限平衡分析和數(shù)值模擬的分析方法。

蘇鵬[1]以太佳高速西坡塬上土體外側滑塌為例，通過地質條件分析了產生滑塌的原因，通過極限平衡的傳遞系數(shù)法計算穩(wěn)定性和下滑力，為處治方案提供了理論依據(jù)。

李萬紅[2]采用有限元計算程序NEDAM計算土層以及散粒體地基混凝土防滲墻上土石壩邊坡，算出各種工況的變形、剪應力水平等，評估土工建筑物穩(wěn)定性系數(shù)。

李永亮等[3]采用有限元軟件，通過強度折減法，對含軟弱夾層土坡的穩(wěn)定性進行了數(shù)值分析，為邊坡的支護設計提供了理論依據(jù)。

無論運用傳統(tǒng)極限平衡還是運用數(shù)值分析，對邊坡進行穩(wěn)定性分析時，都需要地質模型構建，都需對地層、物理力學參數(shù)和邊界條件加以界定[4]。這是分析邊坡問題的基本條件，也是邊坡工程地質勘察的重點內容。鑒于此，本文以某高速公路路塹邊坡滑塌為例，在地質模型構建及力學參數(shù)選取方面進行初步探討，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

該邊坡為路塹邊坡，線路方向長度為200 m，最大高度23 m。該邊坡為三級坡，第一級高8 m，坡度1∶0.75；第二級坡高8 m，坡度1∶1；第三級最大高度7 m，坡度1∶1。邊坡平臺為2 m。

該邊坡位于黃土覆蓋丘陵區(qū)，下部為泥巖。根據(jù)養(yǎng)護部門介紹，該邊坡在雨后出現(xiàn)滑塌，邊坡從邊坡一級坡面剪出，造成坡體覆蓋路面，影響交通。清理路面堆積物時，可見泥狀土體。具體滑塌現(xiàn)場見圖1。

圖1 滑塌邊坡

2 工程地質條件

圖2 剖面圖

2.1 地形地貌

該段邊坡位于黃土覆蓋丘陵區(qū)，地形起伏較大，沖溝較發(fā)育，沖溝一般深 6～10 m，寬 2～5 m，呈“V”字型，坡體地面標高約為1 261.21～1 296.84 m，自然坡角最大約為35°。自然邊坡植被不發(fā)育，偶有灌木分布。

2.2 地層巖性

根據(jù)野外地質調繪及鉆探資料成果，該段邊坡主要由第四系上更新統(tǒng)（Q3eol）粉土和下部風化砂泥巖（P）構成，各巖土層情況如下：

a）粉土（Q3eol）黃褐色-紅褐色，稍濕-飽和，稍密-中密，土質較均勻，干強度中，韌性中，表層有植物根系。該地層分布于邊坡的上部，厚度不均勻。

b）泥巖（P） 灰白色，黃褐色，全-強風化，呈土狀或碎塊狀。該部分位于邊坡的下部，構成邊坡的基座。

2.3 地質構造

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），該區(qū)抗震設防烈度為Ⅵ度，地震動峰值加速度0.05g，反應譜特征周期為0.45 s。

由于該邊坡穩(wěn)定性涉及范圍內風化的砂泥巖呈砂土狀和碎塊狀，巖層產狀對邊坡穩(wěn)定性影響較小，故野外勘察時未對巖層產狀進行專門地質調查。

2.4 氣象水文

邊坡工程區(qū)地下水主要為第四系松散層孔隙水，以大氣降水為主要補給方式，以蒸發(fā)和補給為主要排泄途徑，動態(tài)隨季節(jié)性變化較為明顯，水質良好。下部強風化泥巖為隔水層，下部砂巖內未見地下水。

3 地質模型構建及參數(shù)選擇

3.1 邊坡現(xiàn)場變形

從現(xiàn)場調查來看，邊坡出現(xiàn)整體滑塌有以下原因：

a）邊坡體上分布張拉下錯裂縫。

b）邊坡前緣以水平變形為主，邊坡后緣以豎向變形為主。邊坡前緣沖毀片石擋墻，水平位移很大，而后緣豎向位移為主，后緣水平裂縫閉合，但豎向錯動最大達120 cm。這主要是由滑面的形狀決定的：前緣較為平緩，故其變形為水平方向為主，后部滑面較為陡峭，故以下錯裂縫為主。同時，該邊坡滑體前部較厚，后緣較薄，前級稍微變形，便引起后部變形較大，加之后部滑面陡峭，所以后緣產生錯臺較大。

c）邊坡兩側翼變形裂縫指向邊坡中線。兩側裂縫不是常見的剪切裂縫，而是張拉下錯裂縫，這個主要是由下部風化巖溝谷對邊坡有控制作用造成的。地質調查可見，邊坡兩側風化基巖出露，而滑體為第四系粉土，即風化巖構成的溝谷對邊坡邊界、深度具有控制作用。

3.2 基于工程地質分析的地質模型構建及穩(wěn)定性分析

3.2.1 地質模型構建

以極限平衡法分析邊坡時，地質模型構建主要有以下幾個方面的內容：a）邊坡三維破壞范圍，在平面上以后緣、側界和前緣剪出口為界，在深度方向上以勘察取得的滑動面為界。b）按照地層分布或者現(xiàn)場深度位移監(jiān)測資料，確定可能的滑動面。c）根據(jù)邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，給定邊坡現(xiàn)有狀態(tài)穩(wěn)定系數(shù)。d）構建邊坡主滑動面，依據(jù)幾何條件，參考不同試驗條件下的試驗數(shù)據(jù)和經驗數(shù)據(jù)，確定牽引段和阻滑段力學參數(shù)，在給定主要滑動段內黏聚力情況下，反算內摩擦角，并最終確定滑動面內摩擦角和黏聚力。e）計算下滑力，考慮支擋結構設置。

3.2.2 工程地質模型與滑動面力學參數(shù)反分析

通過圖3極限平衡方法結合現(xiàn)場地質勘察，認為邊坡滑動面位于一級邊坡坡腳，滑動面位于粉土層和風化泥巖層，產生的滑動模式類似于均質體同生面滑動。根據(jù)現(xiàn)場變形跡象，邊坡穩(wěn)定系數(shù)在0.95～1.0之間，取0.98。由于原支擋結構為護面墻，不考慮其支擋條件，多次計算，反算得滑動面C=20.0 kPa，內摩擦角φ=19.0°，計算得到下滑力為380 kN/m。

圖3 極限平衡法計算滑動面及結果

3.3 基于室內物理力學試驗的模型構建及穩(wěn)定性分析

3.3.1 地質模型構建

以數(shù)值模擬方法分析邊坡時，地質模型構建主要有以下幾個方面的內容：a）邊坡三維破壞范圍，在平面上以后緣、側界和前緣剪出口為界，在深度方向上已超出邊坡可能滑動范圍；b）按照地層和物理力學試驗為模型分層；c）為各力學地層賦予本構模型和試驗參數(shù)；d）初始應力計算；e）開挖計算，自動形成滑動面；f）設置支擋結構。

3.3.2 力學分層的試驗依據(jù)

3.3.2.1 室內試驗取樣

進行現(xiàn)場勘察鉆孔取樣，芯樣土體土質均勻，黃褐色-紅褐色，較濕，土樣起始含水率為14.5%，在芯樣中選取較完整的原狀土樣，制備土樣封存進行室內試驗，包括土性試驗及強度參數(shù)測試試驗。

3.3.2.2 試驗方法及設備

試驗儀器采用立式常規(guī)應變控制三軸儀，可進行固結排水剪切試驗。利用三軸儀進行固結排水三軸試驗，粉土（天然/飽和）、風化泥巖（天然/飽和）均制備4個原狀三軸試樣，圍壓控制為 50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa，當三軸土樣有明顯裂紋時，停止剪切，關閉電源，結束試驗。

3.3.2.3 試驗結果與分析

天然含水量下粉土和泥巖的應力-應變曲線見圖4、圖 5。

圖4 粉土應力-應變曲線

圖5 風化泥巖應力-應變曲線

從圖4與圖5可以看出粉土、泥巖強度與圍壓呈正相關關系，其應力-應變曲線呈現(xiàn)軟化及硬化特性取決于圍壓分界點200 kPa，低于200 kPa時為軟化型曲線，高于200 kPa時為硬化型曲線，且由于泥巖內部含風化夾塊，試驗剪切時存在應力突變的現(xiàn)象，故應力-應變曲線比較曲折。

試樣抗剪強度包線見圖6～圖9。

圖6 天然含水率下粉土抗剪強度包線

圖7 暴雨后粉土抗剪強度包線

圖8 天然含水率下泥巖抗剪強度包線

圖9 暴雨后泥巖抗剪強度包線

根據(jù)固結排水三軸試驗應力峰值，繪制莫爾圓，對比不同含水率條件下強度參數(shù)，飽和條件下黏聚力及內摩擦角均降低較多。

3.3.3 基于室內試驗的模型構建及計算結果

結合室內試驗成果，各層基本物理力學參數(shù)見表1。

表1 土體基本物理力學參數(shù)

通過有限元計算，天然狀態(tài)下穩(wěn)定系數(shù)1.06，暴雨后穩(wěn)定系數(shù)0.96。有限元計算變形結果如圖10，可以看到邊坡塑性破壞區(qū)呈圓弧狀，坡腳破壞首先開始，位于風化泥巖和泥巖的交界面處，隨著應力的重新分布，逐步呈現(xiàn)與現(xiàn)場破壞相一致的弧形滑動破壞。這種破壞面受地質參數(shù)的影響較大，參數(shù)決定了滑動弧面的形狀，當勘察不精確，取樣密度及試驗所得參數(shù)與實際相差較大時，所得結果往往不符合現(xiàn)場實際變形。

圖10 有限元計算滑動面及結果

對于參數(shù)選擇，所用參數(shù)應該盡量與現(xiàn)場的實際應力狀態(tài)相吻合，進行固結排水剪切時，不同的埋深應該取相應深度的圍壓參數(shù)。

3.4 兩種模型分析結果對比分析

從兩種方法的構建模型、參數(shù)選取及計算中可以看到，兩種方法是完全不同的工作思路：一種以破壞模式為出發(fā)點，以現(xiàn)有穩(wěn)定狀態(tài)為依據(jù)，反算參數(shù)，最終取得結構物設計值；另一種從原始狀態(tài)出發(fā)，以試驗數(shù)據(jù)作為主要依據(jù)，從邊坡破壞機理出發(fā)進行數(shù)值分析，最終得到破壞面和結構物設計值。

a）地質分析的方法重在根據(jù)變形的蛛絲馬跡，構建正確的破壞面，進而取得結果。這種方法的優(yōu)勢是滑動面確定，計算簡單，便于手算，但是對現(xiàn)場調查的要求較高。

b）基于試驗數(shù)據(jù)的方法，對現(xiàn)場變形行跡的調查要求相對較低，但取樣質量、數(shù)量及室內試驗設置相對復雜，存在較大的不確定性因素，對取值的經驗要求較高。

c）兩種分析方法都可作為以后設計中的分析手段加以運用，只是需要與現(xiàn)場變形情況對比，調整模型、參數(shù)，達到符合實際變形情況。

4 結語

地質模型構建和參數(shù)選取是邊坡工程實踐中最為重要的內容，本文對某高速公路邊坡進行現(xiàn)場勘察，并分別依據(jù)工程地質分析和室內試驗參數(shù)兩種方法分別構建地質模型，并對穩(wěn)定性分析和變形結果進行對比分析，形成的主要結論如下：

a）在邊坡穩(wěn)定性分析中，工程地質條件的調查是重中之重，無論何種分析方法，都涉及地質模型構建問題（邊坡的幾何形狀、物理邊界、變形特征和力學參數(shù)），故采用合理的、針對性的勘察手段，取得準確的工程地質條件是穩(wěn)定性分析的前提。

b）傳統(tǒng)極限平衡方法是在準確構建地質模型的基礎上，通過變形分析，確定邊坡變形范圍、破壞區(qū)域、運動模式，以穩(wěn)定性系數(shù)為準繩，反算破壞面參數(shù)，最終為支擋結構計算提供依據(jù)。

c）基于室內試驗參數(shù)的模型計算結果顯示，邊坡的變形和破壞模式與所取參數(shù)變化敏感，有時甚至產生與現(xiàn)場不相符的變形特征或者破壞模式，室內試驗及地層分布構建的模型計算結果需與現(xiàn)場匹配，否則得到錯誤的結果。

d）室內固結排水三軸試驗顯示，粉土、泥巖強度與圍壓呈正相關關系，其應力-應變曲線呈現(xiàn)軟化及硬化特性取決于圍壓分界點200 kPa，低于200 kPa時為軟化型曲線，高于200 kPa時為硬化型曲線。構建地質模型時，應根據(jù)地層埋深，分別賦予本構模型和取值。

e）傳統(tǒng)極限平衡方法對現(xiàn)場變形特征、破壞模式和范圍需要有敏銳的洞察力；數(shù)值分析方法則對參數(shù)選取較為敏感，在實踐中，兩種方法相互對照，往往可以取得較好的效果，防止出現(xiàn)未能預見的破壞模式，造成工程失敗。