殘余構(gòu)造應力作用下的順層路塹滑坡機理研究

摘要：文章以廣西山區(qū)高速公路某構(gòu)造區(qū)順層路塹滑坡項目為依托，通過殘余構(gòu)造應力分析，結(jié)合數(shù)值模擬，對邊坡在逐級開挖過程中受殘余構(gòu)造應力的影響程度和滑坡演化機理進行研究。研究表明：邊坡開挖中，復雜地質(zhì)構(gòu)造帶孕育的較高殘余構(gòu)造應力瞬時釋放，致使坡體淺層巖石迅速產(chǎn)生裂紋及既有節(jié)理裂隙快速擴大，短時間內(nèi)降低結(jié)構(gòu)面抗剪強度，形成開裂→變形→位移→滑移，并在其他因素綜合影響下，形成完整滑坡。對是否考慮構(gòu)造應力下的邊坡穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬的結(jié)果說明，殘余構(gòu)造應力對邊坡的穩(wěn)定性影響甚大，同時也得出了殘余構(gòu)造應力快速計算方式，可供類似項目參考。

關鍵詞：順層滑坡；殘余構(gòu)造應力；高速公路；數(shù)值模擬；滑坡機理

U416.1+3A020054

0 引言

近些年，工程安全愈發(fā)得到重視，邊坡穩(wěn)定成為工程安全的重要組成部分。邊坡工程領域相關研究成果豐碩，其中邊坡工程的構(gòu)造應力研究在水電站和礦山邊坡工程中較為集中，部分學者采用理論方法研究、數(shù)值模擬等揭示出地質(zhì)構(gòu)造應力場分布規(guī)律及相互影響機理［1-2］；部分學者則依托大型工程研究構(gòu)造應力對地下洞室圍巖和邊坡穩(wěn)定的變形特征、力學機制及控制措施等［3-5］，此類研究往往存在持續(xù)時間長、工程規(guī)模大、場地構(gòu)造作用及應力分布明顯的特點，對于個體規(guī)模相對較小的公路邊坡多因考慮費效比而在構(gòu)造應力方面研究所涉極少，目前尚未見系統(tǒng)研究。

在地質(zhì)構(gòu)造復雜的山區(qū)公路順層路塹邊坡中，眾多巖土學者及工程技術人員對順層高邊坡防護和順層滑坡的設計治理方面開展了系統(tǒng)研究，主要集中在順層坡的變形機理、演化過程、破壞模式、影響因素等方面［6-9］，但鮮見考慮構(gòu)造應力作用對邊坡穩(wěn)定性的附加影響，導致部分復雜構(gòu)造區(qū)的邊坡出現(xiàn)多次變更處治的情況。

由于順層邊坡自身極易破壞失穩(wěn)，為公路工程中最易出現(xiàn)的滑坡類型之一，而復雜場區(qū)構(gòu)造應力對公路順層邊坡的穩(wěn)定性存在不可忽視的負面影響，故深入探究殘余構(gòu)造應力的分布規(guī)律、作用大小及其作用下的順層路塹滑坡機理具有重要的理論意義和實際應用價值。本文以廣西河池大化縣巴羌路某段順層路塹滑坡為研究對象，根據(jù)其宏觀變形特征，采用正向分析、數(shù)值模擬等方法，對殘余構(gòu)造應力深度影響邊坡的穩(wěn)定性進行分析研究，為類似項目提供參考。

1 工程概況

巴羌路某路塹邊坡屬剝蝕丘陵地貌區(qū)，地形起伏較大，高差約88 m，自然斜坡坡度15°～35°，局部有陡坎分布，現(xiàn)狀穩(wěn)定。

場地內(nèi)地層主要為第四系殘坡積（Qel+dl）硬塑狀粉質(zhì)黏土及三疊系中統(tǒng)百逢組（T2b）泥質(zhì)粉砂巖。粉質(zhì)黏土厚度為6.4～13.5 m；強風化泥質(zhì)粉砂巖為薄～中厚層狀構(gòu)造，巖體破碎，節(jié)理很發(fā)育，厚度4.0～40.0 m，巖體質(zhì)量為Ⅴ級～Ⅳ級，鉆探中其巖芯見局部餅化現(xiàn)象；中風化泥質(zhì)粉砂巖埋深較大，巖體質(zhì)量為Ⅳ級。

該路塹段位于乙圩箱狀背斜的西南翼（見圖1），距離羌圩正斷層最近約500 m，受乙圩箱狀背斜及羌圩斷層影響明顯，場地內(nèi)復式小褶皺發(fā)育。受與路線平行的向斜影響（見圖2），路線左側(cè)邊坡巖層產(chǎn)狀為230°∠5～36°，傾角自下而上漸次增大，由第1級近水平傾角增加至第五、六級的25°～36°，為典型的變傾角順向緩傾高邊坡；同時發(fā)育兩組優(yōu)勢節(jié)理，其產(chǎn)狀分別為J1：347°∠80°、J2：30°∠52°；路線右側(cè)邊坡區(qū)則發(fā)育有多個微小型褶曲，受構(gòu)造影響，該側(cè)巖層產(chǎn)狀雜亂，總體傾向北東側(cè)。

2 滑坡特征

該路塹左側(cè)邊坡在施工階段受多因素影響發(fā)生過兩次主要滑坡，第一次發(fā)生于邊坡開挖早期，尚未實施防護措施；第二次發(fā)生于按第一次變更設計方案自上而下實施三級防護后，并向后牽引至邊坡后緣外側(cè)約15 m處，向前則往下部坡級發(fā)展，典型剖面如圖3所示。兩次滑坡發(fā)育階段均可見坡體淺層在開挖后約2 h內(nèi)產(chǎn)生裂縫（紋）并迅速擴大化現(xiàn)象，滑坡發(fā)育及發(fā)生階段基本處于持續(xù)降雨期。

綜合兩次滑坡狀況，概括其主要要素特征如表1所示。

3 邊坡區(qū)殘余構(gòu)造應力分析

本公路項目地處云貴高原東南緣，為兩廣丘陵帶西部，受造山運動影響，地貌變化大，其下伏地層分布上亦具復雜性和構(gòu)造應力影響普遍存在的特點。而本邊坡處于乙圩箱狀背斜和羌圩正斷層影響范圍，多次構(gòu)造運動的應力場疊加、牽引和改造及其他因素，共同構(gòu)成了場地構(gòu)造應力的復雜性和多變性。綜上考慮，該邊坡最大水平應力與垂直應力的比值約為2.09［10］。

由于邊坡走向與乙圩背斜軸向、附近羌圩正斷層走向及邊坡區(qū)小向斜軸向接近，邊坡區(qū)構(gòu)造應力的最大主應力方向與邊坡坡向（開挖側(cè)臨空面方向）基本一致。而在長期地質(zhì)演化中，場區(qū)初始構(gòu)造應力得以部分釋放，主要存留殘余構(gòu)造應力。

綜上分析，本邊坡區(qū)構(gòu)造應力與垂直應力近似呈線性關系，取邊坡開挖深度H值為30～60 m，坡體巖土層參數(shù)按表2采用，垂直應力σ=0.65～1.365 MPa；構(gòu)造應力按其2.09倍考慮，則σH=1.36～2.85 MPa。

以下結(jié)合前文內(nèi)容及邊坡第二次滑坡情況，通過FLAC 3D軟件對邊坡在自重應力及殘余構(gòu)造應力作用下的失穩(wěn)破壞模式進行數(shù)值模擬分析驗證，為滑坡成因與機理分析提供依據(jù)。

殘余構(gòu)造應力作用下的順層路塹滑坡機理研究/李耀華，劉 猛，黎俊杰，查 俊，韋芳元

4 數(shù)值模擬分析驗證

邊坡施工中按1∶1.5坡率分6級放坡，其中邊坡四至六級已設置錨桿格梁。邊坡地層主要物理力學參數(shù)通過室內(nèi)試驗與反演分析綜合確定，見表2。

根據(jù)圖3中的典型剖面圖建立數(shù)值模型，如圖4所示，邊坡巖土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，巖土層物理力學參數(shù)采用表2中非正常工況Ⅰ條件下參數(shù)以吻合滑坡發(fā)育及發(fā)生階段的降雨場景，第四、五和六級坡已設置的錨桿格梁采用梁單元與錨索單元模擬，坡體模型單元總數(shù)為79 215個，節(jié)點數(shù)為19 765個。

本文模擬中利用應力邊界條件在模型X方向上施加相應荷載以調(diào)試得到第4節(jié)所述構(gòu)造應力場（其中A’點處的X向主應力為4.95 MPa，約為豎向主應力的2.12倍），得到較為符合場區(qū)內(nèi)的初始殘余構(gòu)造應力情況，并在此基礎上對邊坡實施自上而下的多級開挖。其中數(shù)值模型的合理性可由圖5所示的A-A’剖面坡體自重應力場的數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)典理論計算值的一致性得到初步確定。

模擬中當開挖第六級時，由于坡頂粉質(zhì)黏土層自身抗剪強度低，在開挖后自身應力場迅速改變，粉質(zhì)黏土層向臨空面發(fā)生反彈位移與滑動，至最大0.26 m位移時達到自穩(wěn)狀態(tài)；對于邊坡后緣位置，若考慮拉伸應變?nèi)吭诹芽p處集中，則后緣位移可達0.2 m，如圖6所示，基本吻合現(xiàn)場實況，這也進一步驗證了數(shù)值模擬所取參數(shù)及初始應力場是較為合理的。

在上述第六級達到自穩(wěn)狀態(tài)后，繼續(xù)向下開挖第5～2級邊坡，水平殘余構(gòu)造應力及開挖后位移變化如圖7～8所示。在每開挖一級時，邊坡中的殘余構(gòu)造應力便會進行一次集中和迅速的釋放，其分布變化具體表現(xiàn)為在邊坡開挖最上級時，殘存于坡體中的水平構(gòu)造應力便開始由壓應力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?。隨著開挖深度的加大，水平殘余構(gòu)造應力不斷向下變化，以至于最終整個開挖坡面附近的水平向構(gòu)造應力均由壓轉(zhuǎn)拉，在巖土實體上面則表征出坡面及坡體淺層巖石在開挖后快速顯現(xiàn)裂縫（紋），節(jié)理裂隙迅速擴張等現(xiàn)象，同時坡面與坡腳處發(fā)生較大程度反彈位移，而坡頂處的位移也進一步受到影響增大至0.49 m，但坡體在完成部分應變能釋放后，邊坡整體仍處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

由于最后一級埋深大而受構(gòu)造應力影響較大，隨著殘余構(gòu)造應力的持續(xù)釋放及坡頂處局部滑體的持續(xù)位移作用，使得下部坡體同時受到推擠作用與構(gòu)造應力釋放后變形影響，滑坡后部微裂縫繼續(xù)向下發(fā)展，形成如圖9～10所示深度約13 m的潛在滑面，剪出口位于第二級坡頂附近；當滑坡繼續(xù)發(fā)展時，便可能沿此滑面于二級頂平臺附近完全剪出，但受到上陡下緩的巖層傾角影響，前部近水平的巖層起到一定阻滑作用，滑體在第二級平臺處位移到達0.6～0.75 m后便重新達到自穩(wěn)狀態(tài)，這一結(jié)果也與實際情況較為符合。以上數(shù)值模擬結(jié)果進一步證明坡體內(nèi)部的殘余構(gòu)造應力對邊坡失穩(wěn)破壞有明顯影響。

為進一步驗證殘余構(gòu)造應力對坡體穩(wěn)定性的影響，以下給出了未考慮構(gòu)造應力作用下的邊坡開挖穩(wěn)定情況（即未施加應力邊界條件，坡體處在自重應力場），如下頁圖11所示。由圖11可知，在無水平殘余構(gòu)造應力作用下，第六級邊坡情況與構(gòu)造應力作用下較為相似，但隨著埋深加大，坡體開挖情況出現(xiàn)差異化，僅在自重應力場作用下坡體未形成圖11中的第二次潛在滑面，這也在一定程度上驗證了殘余構(gòu)造應力對坡體穩(wěn)定性的負面影響。

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，坡體X向的殘余構(gòu)造應力最大值σ1（即最大水平主應力）與抗拉強度相近，為4.5～5.0 MPa；在第二次滑坡中，對于距邊坡線約15 m處，若考慮拉伸應變?nèi)吭诹芽p處集中，則開裂縫寬可達0.225～0.25 m，基本吻合現(xiàn)場實況，表明數(shù)值模擬所取參數(shù)及結(jié)果是較為合理的。

5 滑坡成因與機理分析

根據(jù)滑坡宏觀地質(zhì)特征，結(jié)合場地地質(zhì)條件和殘余構(gòu)造應力分析結(jié)果，滑坡成因為多方面因素綜合迭加及影響形成，包括坡體巖土條件、地質(zhì)構(gòu)造及殘余構(gòu)造應力、氣候降雨和人類施工影響，具體如下：

5.1 坡體巖土條件

邊坡坡體主要由強風化泥質(zhì)粉砂巖組成，局部見泥化夾層，該部分造巖礦物中含有大量親水性黏土礦物，在降水入滲后與水結(jié)合性好而致其膠結(jié)物被軟化或溶解，導致其粘聚力大為降低；且?guī)r體節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體質(zhì)量等級低，揭露后淺層極易崩解軟化，強度迅速降低，同時易使降水入滲，此因素構(gòu)成滑坡產(chǎn)生的基礎條件。

5.2 地質(zhì)構(gòu)造及殘余構(gòu)造應力影響

邊坡屬典型的順層邊坡，層面傾角自下而上漸次增大，形成上陡下緩的變傾角順向緩傾結(jié)構(gòu)，加之泥化夾層影響，形成極不穩(wěn)定組合。而邊坡受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及自身小構(gòu)造影響，殘余構(gòu)造應力分布明顯，其最大水平主應力方向與坡向基本一致，對邊坡開挖的卸荷影響很大，具體表現(xiàn)為邊坡開挖中殘余構(gòu)造應力的應力釋放十分快速，致使坡體淺層巖石迅速產(chǎn)生裂紋或致節(jié)理裂隙迅速擴大，短時間內(nèi)即可降低結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度和抗剪強度，形成開裂→變形→位移→滑移，直至最終成為滑坡，構(gòu)成滑坡產(chǎn)生的主因。

5.3 降雨影響

項目區(qū)屬亞熱帶季風氣候，雨季降水豐沛，降水沖刷影響及節(jié)理裂隙中雨水入滲降低了巖塊和結(jié)構(gòu)面的抗剪強度，特別是滲水在泥化層面易形成水膜效應而對滑面形成潤滑劑作用，加速滑坡發(fā)育。

5.4 人類施工影響

實際施工中未嚴格按照設計方案實施（如未形成地表截排水系統(tǒng)的暢通性、未落實逐級開挖及防護而采用大坡面開挖等）亦是構(gòu)成滑坡產(chǎn)生的一大因素。

綜上，本邊坡滑坡的誘發(fā)機理為多因素的耦合作用，主要表現(xiàn)為邊坡在巖土結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、順層結(jié)構(gòu)、殘余構(gòu)造應力和降雨等共同作用下，經(jīng)人工開挖后，邊坡后部坡體淺層受應力快速釋放、卸荷回彈致結(jié)構(gòu)面及巖塊裂隙短時間內(nèi)擴大而崩解弱化，出現(xiàn)依附原層面的滑移拉裂，脫離原巖的坡體部分在自重應力和水平構(gòu)造應力的牽引下沿軟弱層面向臨空面產(chǎn)生滑動，形成局部溜坍。而后未作及時處理，滑坡規(guī)模則繼續(xù)擴大，在下部某變傾角位置形成滑移彎曲變形；滑坡性質(zhì)亦出現(xiàn)變化，由最初的牽引式滑坡向推移式滑坡轉(zhuǎn)變，滑坡規(guī)模進一步擴大。在滑坡推移過程中，滑坡以上已防護的坡面由于失去坡腳支擋形成臨空面，牽引產(chǎn)生新滑坡，最終形成影響范圍較廣的順向滑坡。

6 結(jié)語

基于前述內(nèi)容，得出主要結(jié)論如下：

（1）復雜地質(zhì)構(gòu)造孕育的殘余構(gòu)造應力，對場地內(nèi)邊坡穩(wěn)定性影響甚大；殘余構(gòu)造應力大小可按其與垂直應力的比值平均值×2.09估計。

（2）場地滑坡產(chǎn)生為多方面因素綜合迭加及影響形成，坡體巖土條件、地質(zhì)構(gòu)造、殘余構(gòu)造應力、降雨、人類活動等均構(gòu)成滑坡產(chǎn)生的影響因子；變傾角順向緩傾結(jié)構(gòu)、殘余構(gòu)造應力為主因。

（3）通過數(shù)值模擬對比分析有無殘余構(gòu)造應力作用下邊坡穩(wěn)定性，進一步證明坡體內(nèi)部的殘余構(gòu)造應力對邊坡失穩(wěn)破壞有明顯影響。

（4）邊坡開挖中殘余構(gòu)造應力釋放具備瞬態(tài)性，致使坡體淺層巖石迅速產(chǎn)生裂紋及既有節(jié)理裂隙迅速擴大，短時間內(nèi)即可降低結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度和抗剪強度，形成開裂→變形→位移→滑移，產(chǎn)生滑移彎曲變形，構(gòu)成上陡下緩式順層-切層滑坡的變形機制。

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