散粒體斜坡穩(wěn)定性相關(guān)因素試驗研究

魏麗娜，李 川，3，傅榮華

（1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都610059；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059；3.廣西建工集團基礎(chǔ)建設(shè)公司，廣西南寧530000）

散粒體斜坡穩(wěn)定性相關(guān)因素試驗研究

魏麗娜1，2，李 川1，2，3，傅榮華1，2

（1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都610059；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059；3.廣西建工集團基礎(chǔ)建設(shè)公司，廣西南寧530000）

松散顆粒堆積斜坡的穩(wěn)定性一直是邊坡研究的一個難題且少有涉足，此種災(zāi)害形式在我國西部山區(qū)較為常見。以散粒體斜坡的穩(wěn)定性受控于何種因素作為研究出發(fā)點，以休止角為衡量標(biāo)準(zhǔn)，對散粒體斜坡失穩(wěn)進行試驗研究。試驗結(jié)果表明：顆粒類圓程度越高其堆積休止角越??；休止角隨顆粒的增大有增大的趨勢；粗顆粒的含量增大穩(wěn)定性呈現(xiàn)先增后減的現(xiàn)象；顆粒級配的改良對坡體穩(wěn)定性起到促進作用。對滑動面的角度研究顯示：滑面角度為最大休止角減去2.5°左右，并做了適當(dāng)?shù)男拚幚?。成果對散粒體斜坡穩(wěn)定性的研究以及此類溜砂災(zāi)害的治理有一定的參考意義。

散粒體斜坡；穩(wěn)定性；休止角；相關(guān)因素；試驗研究

散粒體斜坡是一種發(fā)育于山區(qū)道路沿線的特殊坡面地質(zhì)災(zāi)害［1］，強烈的風(fēng)化作用使得處于陡峭基巖坡表面的部位破碎成碎屑狀顆粒，經(jīng)重力及各種動荷載作用，顆粒脫離母巖產(chǎn)生溜滑，日積月累之后富集于坡腳形成持續(xù)增長型的錐狀斜坡［2－4］。散體結(jié)構(gòu)是其典型特征，坡體細顆粒含量很少，粘聚力近乎不存在，完全靠顆粒間的摩擦和嚙合自穩(wěn)［5－6］。散粒體斜坡屬于典型的廣延空間自由度的耗散動力學(xué)系統(tǒng)，具備自組織臨界性［7－9］，即某點失穩(wěn)存在很大概率引起周邊其他區(qū)域，甚至雪崩式的崩坍。其一次性破壞程度雖不如崩滑流災(zāi)害的危害大，但散體坡緩慢、不斷積累的累進性破壞，長期作用，危害性也不亞于其他地質(zhì)災(zāi)害，在強溫差高海拔山區(qū)就更為嚴重。圖1為散體坡碎塊石滾落，對沿線公路擋墻的摧毀及對沿線公路沖擊造成的路面破壞。

圖1 散粒體斜坡溜砂破壞

目前散粒體斜坡穩(wěn)定性的研究還處于探索階段，本文通過室內(nèi)物理模擬試驗的方式，分析了散體坡的形成演變過程及影響其穩(wěn)定性的相關(guān)因素，進而對散粒體斜坡失穩(wěn)的滑動角度進行試驗探索。

1 散粒體斜坡堆積小型試驗研究

1.1 試驗?zāi)康?/p>

人工堆積還原散粒體斜坡的形成過程是目前最為典型也是最為穩(wěn)妥的做法，我們延續(xù)了此種思路并做了一定的創(chuàng)新，首次對堆積縱剖面進行實測，更加直觀的還原顆粒堆積的特點，還原現(xiàn)象并作進一步的分析，所用材料為變質(zhì)砂巖2mm～5mm粒徑。

顆粒磨圓度與流動性成正比，但磨圓度對于流動性的具體響應(yīng)鮮有文章涉及，本次試驗分別采用5 mm的變質(zhì)砂巖及玻璃球，針對性的試驗其不同磨圓度下堆積的差異性。

顆粒大小對于散粒體斜坡穩(wěn)定性的影響已有相關(guān)的研究證明，本文結(jié)合顆粒大小與顆粒粗細混雜比例不同的材料探討其對于此種散體堆積成坡的影響。

選用三個粒組的材料試驗顆粒大小差異情況堆積特性；5 mm大小的顆粒在工程被認為是粗細顆粒的分界點，試驗選用2 mm～5 mm顆粒代表細粒，以10mm～20mm顆粒代表粗粒，通過兩種材料不同的拌合比例進行試驗研究，探索其在坡體穩(wěn)定性分析中發(fā)揮何種作用。

級配是分析顆粒材料所不可缺少的部分，顆粒堆積體因其組成材料的特點，很多特性的出現(xiàn)跟級配的關(guān)系比較緊密，因此試驗選擇 Cu分別為2.5、3.4、7.0三組按級配漸至良好的趨勢進行試驗。

擋墻是目前治理此類邊坡危害的常用措施，對于弱活動的散體坡的確可以起到防治作用，其工程經(jīng)濟性良好，但是也僅限于此。對于中、強活動的坡體就失去其作用，往往伴隨著顆粒的越頂堆積而失效。王成華認為邊坡天然休止角即為擋墻破壞后墻后坡體的失穩(wěn)滑動面［10］，提出假設(shè)的同時并未進行相應(yīng)的試驗驗證。本次試驗針對擋墻失穩(wěn)后滑動面的角度問題，人為設(shè)置擋墻（用木板模擬），在坡體堆積至其極限后，抽出擋墻，觀測坡體坍滑后的坡面情況，并做實時記錄，材料選用2mm～5mm的變質(zhì)砂巖。

1.2 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

試驗?zāi)Ｐ图苋鐖D2所示，為了便于試驗的操作，模型底部采用拼接，每隔5 cm一塊，模型架上部放置繪有刻度線的玻璃，上下刻度線一一對應(yīng)以便于測量。

圖2 模型架尺寸（mm）

1.3 模擬堆積過程試驗

試驗設(shè)計：采用2 mm～5 mm顆粒沿著模型中軸線下落，起始高度均以斜距計量，試驗依次采用斜距30 cm以及斜距50 cm。試驗過程如圖3所示，顆粒均勻下落后在坡腳堆積形成錐狀坡，斜距每上升至設(shè)計高度后用激光測距儀量測頂面至坡體中軸線的距離，對數(shù)據(jù)進行處理后，即可繪制出坡體縱剖面線，如圖4～圖9所示，圖形之間的對比可直觀的再現(xiàn)堆積過程的坡面起伏情況。

圖3 現(xiàn)場試驗照片

圖4 高度差5 cm縱剖面線

圖5 高度差10 cm縱剖面線

圖6 高度50 cm下料所繪剖面線（粗線）與原剖面線（細線）比較

圖7 高度50 cm下料縱剖面線

圖8 落料高度50 cm所繪成坡綜合曲線

圖9 坡面突出部位放大圖

圖4、圖5均為高度30 cm處下料測得的縱剖面，從圖中可以看出，無論是高度間隔5 cm還是10 cm，均表現(xiàn)出一種現(xiàn)象：頂部堆積所占比重最大，即顆粒堆積過程中，當(dāng)顆粒運動至散體坡上時，摩擦耗能瞬間加大，速度銳減直至停歇，顆粒的運動距離相對較短，此種現(xiàn)象在試驗中表現(xiàn)的尤為明顯。隨著堆積的繼續(xù)，坡體休止角隨之增大，但這種增大的趨勢并非一味的持續(xù)，而是當(dāng)?shù)竭_一定程度后，休止角度無法進一步增大。試驗結(jié)果顯示：2mm～5mm顆粒所能形成的最大角度為38°，在這個角度附近，坡體表現(xiàn)的及其敏感，稍有擾動就有可能出現(xiàn)或大或小的坍滑現(xiàn)象。

在高度30 cm處下料并未引起較大規(guī)模的坍滑，繼而在高度50 cm處繼續(xù)下料沖擊坡體，在其重新堆積至設(shè)計高度后，我們做了一個橫向的對比，如圖6所示：落料沖擊擾動造成頂部顆粒向坡體中下部移動，中部的厚度有了較為明顯的增大，坡體高度回落至25 cm處，少量的顆粒運動至坡腳停歇，增加了坡體的外延。繼續(xù)堆積至30 cm處所顯示的依然是顆粒坡頂聚集現(xiàn)象（如圖7所示）。持續(xù)下料直至顆粒堆積至50 cm處，期間每次到達設(shè)計高度做一次測量，所示縱剖面如圖8所示，在高度增加引起休止角增大的總趨勢下，坡體臨近最大休止角所表現(xiàn)出的不穩(wěn)定性開始顯現(xiàn)，坡體中部捕捉到明顯的突起，具體見圖9。此種突起部位是散粒體斜坡最為敏感的部位，即使不施加擾動，亦有可能引起坍滑的發(fā)生，多次試驗均發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。

1.4 顆粒磨圓度影響

表1 試驗材料渾圓度統(tǒng)計

試驗過程為：在高度30 cm處下料，每次100 g至高度30 cm處，量測堆積角度，每組試驗不少于30次，表1所示為試驗采集的數(shù)據(jù)，圖10為材料照片，圖11為堆積休止角之間的比較，圖12為試驗測得的休止角與渾圓度之間的對應(yīng)關(guān)系。

圖10 材料照片

圖11 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖12 渾圓度與休止角對應(yīng)關(guān)系

試驗所用三組樣品采集到的數(shù)據(jù)計算平均值后1、2、3組休止角分別為37.9°、36.3°、28.2°。圖12直觀的反應(yīng)了渾圓度對于坡體堆積穩(wěn)定性的影響，在類圓程度最高的3號玻璃球組比1號的變質(zhì)砂巖組平均休止角小了近10度，當(dāng)然玻璃球表面的光滑度對試驗結(jié)果存在一定的影響，但并不顛覆磨圓度與堆積休止角的反比關(guān)系，2、3組的試驗結(jié)果即表明了此點，在磨圓度差異不大的情況下，磨圓度稍大的1組所測得的休止角較2組為大。

1.5 顆粒大小對散粒體斜坡穩(wěn)定性的影響

試驗過程同1.3節(jié)，材料為2 mm～5 mm、5 mm～10mm、10 mm～20 mm變質(zhì)砂巖，圖13為三個粒組顆粒所堆積的坡度，圖14為顆粒大小對休止角的影響。

試驗結(jié)果為2mm～5mm、5mm～10 mm、10 mm～20 mm三組材料所得休止角度平均值依次為37.69°、38.95°、40.28°（見圖13～圖14）。伴隨顆粒的增大，休止角度穩(wěn)步提升，說明顆粒的大小于堆積的休止角成正比關(guān)系，究其原因在于顆粒的增大使得粒間咬合能力增強，抵御顆粒運動的能力有了一定的提高，堆積所成坡角漸進式增強。換言之，處于同角度的坡體，顆粒小的散粒體斜坡其抗失穩(wěn)能力要較之顆粒大的散粒體斜坡為小，即所能抵御的失穩(wěn)強度較小。

圖13 不同粒組的堆積角度差異

圖14 不同粒組顆粒對休止角的影響

1.6 粗細顆?；祀s程度對散粒體斜坡穩(wěn)定性的影響

試驗材料為10 mm～20 mm變質(zhì)砂巖代表粗粒，2mm～5mm粒徑代表細粒，具體配比見表2，試驗步驟同上節(jié)。

表2 細顆粒與粗顆粒配比方案

圖15為各組試驗結(jié)果，1＃、2＃、4＃三組試驗表現(xiàn)的規(guī)律較為明顯，3＃試驗數(shù)據(jù)大幅突變，結(jié)合圖16，可以發(fā)現(xiàn)粗顆粒的含量增加后，休止角度增大，但是這種增大并不是無限發(fā)展下去的，當(dāng)粗顆粒含量達到60%以后休止角出現(xiàn)衰減，此點說明粗顆粒在其含量占60%附近時，顆粒間咬合能力達到最強值，細顆粒的充填效應(yīng)在此時發(fā)揮最好，系統(tǒng)在粗細顆粒的共同作用下穩(wěn)定性最好。

圖15 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖16 粗粒所占比重與休止角的對應(yīng)關(guān)系

1.7 顆粒不均勻程度對散粒體斜坡穩(wěn)定性的影響

試驗配比見表3、圖17。試驗操作：下料堆積成38°臨界砂坡，坡底距離外延15 cm，在高度80 cm處貼著坡面木板下放重量為120 g石塊，石塊沖擊坡體后勢必造成坍滑，收集滑塌砂礫并稱重，實測值見圖18（a）～18（d）及圖19。

圖17 材料級配曲線

表3 試驗材料配比

圖18 坍滑序列

圖19 平均坍滑量與Cu對應(yīng)關(guān)系

圖18可直觀的看到各組試驗最大坍滑量的大致區(qū)間，1＃均勻料的最大坍滑量較其余三組試驗大，結(jié)合圖19，從不均勻系數(shù)的角度來考量，結(jié)果顯示不均勻系數(shù)增大后平均坍滑量明顯減小，這就證明了級配對于坡體穩(wěn)定性起到促進的作用。

1.8 散粒體斜坡失穩(wěn)滑動角度研究

材料選用2 mm～5 mm的變質(zhì)砂巖，模擬堆積30°、33°、36°以及38°的砂坡，利用3 cm木板卡在坡腳模擬擋墻，堆積至擋板頂部后停止下料，待坡體穩(wěn)定一段時間未見滑塌的情況下移除擋板，用以演示擋墻失穩(wěn)所造成的坡體坍滑，觀測現(xiàn)象的同時并記錄坍滑后坡面角度，試驗次數(shù)不少于12次／組，數(shù)據(jù)如圖20～圖22所示。

圖20 不同起始角度下的坍滑統(tǒng)計

圖21 坍滑后穩(wěn)定角度對比

圖22 坍滑面控制長度對比

圖20為試驗詳細數(shù)據(jù)，起始堆積角度為30°時，移除擋板后所形成的坡面殘余角度數(shù)據(jù)最大，其它3組在圖上的表現(xiàn)則特別明顯，因此我們對數(shù)據(jù)進行平均化處理后，見圖21、圖22。坍滑后的殘余角度顯示起始坡面角度越小，其數(shù)值反而越大。雖然起始角度增大后這種趨勢變得平緩，但總的規(guī)律依然如此。從另一個側(cè)面反映了散體斜坡對于角度的敏感性，在遠小于最大休止角的情況下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較為可觀。野外散粒體斜坡坡度統(tǒng)計顯示：處于30°以下的散粒體斜坡均為弱活動砂坡，坡體穩(wěn)定性良好。

另外坍滑面的長度也表現(xiàn)出隨起始角度增大而增大的趨勢，坍滑長度越短說明此種起始角度的原坡體在擋墻未失穩(wěn)時其穩(wěn)定性愈好。

通過對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計整理分析，以往認為坍滑角度為最大休止角的結(jié)論較為保守，在此建議計算坍滑面的角度經(jīng)驗公式改為：α＝θmax－2.5（±0.5）（α為坍滑面角度，θmax為最大休止角，±0.5為其修正值）。

坡腳的穩(wěn)定對于邊坡而言至關(guān)重要，對于“脆弱”的散粒體斜坡坡腳的地位更是如此［12－15］。人類工程活動所造成的不合理的坡腳開挖往往會釀成慘痛的結(jié)果，所以對于邊坡的處理務(wù)必做好預(yù)防和監(jiān)控［16］。

2 結(jié) 論

本文采用試驗的方法針對散粒體斜坡的形成過程做了一定研究，探索了材料的磨圓度、大小以及粗細混雜情況對于坡體穩(wěn)定的影響，最后對擋墻損毀后潛在的滑塌角度進行反復(fù)的試驗，所得結(jié)論如下：

（1）散粒體斜坡形成過程中，顆粒堆積于坡體上部的趨勢最為明顯，隨著顆粒補給中上部產(chǎn)生坍滑，其臨界態(tài)受控于堆積休止角，當(dāng)堆積至其最大休止角時，系統(tǒng)表現(xiàn)出一種不穩(wěn)定的特性（即自組織特性）使得坡體隨堆積的不間斷而持續(xù)擴張。

（2）顆粒越接近圓形，由此堆積的散體坡的堆積角愈?。活w粒較小的情況下，成坡角度較小，反之則大；粗細不同比例混雜后，堆積最大角度表現(xiàn)出先增大，至粗顆粒的含量至60%處出現(xiàn)峰值，繼而衰減，后續(xù)衰減幅度較前期小；擾動強度一致的情況下，級配良好的材料表現(xiàn)出較為突出的優(yōu)越性，其坍滑量和坍滑次數(shù)均小于級配不良的的材料。

（3）在模擬擋墻失穩(wěn)試驗的基礎(chǔ)上，分析坍滑角度的范圍，提出坡體滑面角度為最大休止角減去2.5°，并做了適當(dāng)?shù)男拚?/p>

［1］ 賀可強，安振遠.崩滑碎屑流的形成條件與形成類型［J］.河北地質(zhì)學(xué)院學(xué)報，1996，19（3）：344-351.

［2］ 常 旭，吳國雄，郭 遷.溜砂坡形成機制及防治措施研究［J］.公路，2006，1（1）：89-91.

［3］ 卜祥航，傅榮華，李 川，等.溜砂坡防治措施之棚硐和擋砂墻工程研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報，2013，11（2）：82-85.

［4］ 卜祥航.散粒體斜坡地質(zhì)災(zāi)害擋排固砂工程防治技術(shù)研究［D］.成都：成都理工大學(xué)，2013.

［5］ 陳希哲.土力學(xué)地基基礎(chǔ)（第二版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1989.

［6］ 陳希哲.粗粒土的強度與咬合力的試驗研究［J］.工程力學(xué)，1994，11（4）：56-63.

［7］ 蔣良濰，姚令侃，蔣忠信，等.溜砂坡動力學(xué)特性實驗及防治［J］.山地學(xué)報，2004，22（1）：97-103.

［8］ 李仕雄，姚令侃，蔣良濰.松散邊坡演化特征及其應(yīng)用［J］.四川大學(xué)學(xué)報（工程科學(xué)版），2004，36（2）：7-11.

［9］ 成思危.復(fù)雜科學(xué)與系統(tǒng)工程［J］.管理科學(xué)學(xué)報，1999，2（2）：1-7.

［10］ 王成華，闕 云，徐 駿，等.粒狀碎屑溜砂坡運動方程與砂坡土壓力計算［J］.巖土力學(xué)，2007，28（7）：1299-1303.

［11］ 李 川.散粒體斜坡破壞機制及破壞判據(jù)研究［D］.成都：成都理工大學(xué)，2013.

［12］ 何 娜.撒落型散粒體斜坡變形破壞機制試驗研究［D］.成都：成都理工大學(xué)，2013.

［13］ 闕 云，王成華.溜砂坡工程固砂機理簡析［J］.水土保持通報，2006，26（6）：44-47.

［14］ 朱漢華，尚岳全，金仁祥，等.川藏公路西藏境內(nèi)典型病害防治技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［15］ 趙其華，彭社琴.巖土支擋與錨固工程［M］.成都：四川大學(xué)出版社，2008.

［16］ 張元才，傅榮華，郭素芳.天山公路溜砂坡防治工程參數(shù)試驗研究［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，2007，18（4）：7-10.

Experimental Research on Related Factors for Stability of Granular M ixture Slope

WEILi-na1，2，LIChuan1，2，3，F(xiàn)U Rong-hua1，2
（1.College of Environmental and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu，Sichuan 610059，China；2.State Key Laboratory of Geological Hazard Prevention and Geological Environment Protection，Chengdu，Sichuan 610059，China；3.Foundation Construction Co.，Ltd.of Guangxi Construction Engineering Group，Nanning，Guangxi 530000，China）

The stability of loose granular pile slope has been a difficult problem and less involved in slope research，and this kind of disaster is common in thewesternmountains of China.Here，takingwhat factors are the control ones for the granularmixture slope as the starting point in the research and taking the repose angle as themeasuring standard，the instability of the granular slope is tested and studied.The test results show that the repose angle is smallerwhen the particle grinding degree is higher；the repose angle has a increasing trend along with the increase of particle；as the content of coarse particle is increased，the stability is increased first and then decreased；themodified grain composition has promoting effect on the stability of slope.The study of the sliding surface angle shows that the sliding surface angle is about themaximum repose angleminus 2.5°，and the appropriate correction ismade.This results has a certain reference significance on the granular slope stability studies and the disastermanagement as such sliding sand.

granular m ixture slope；stability；repose angle；relevant factor；experimental investigation

TU457

A

1672—1144（2014）01—0055—07

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.012

2013-07-01

2013-09-01

國家自然科學(xué)基金資助項目（41072228）

魏麗娜（1986—），女，新疆烏魯木齊人，碩士研究生，研究方向為地質(zhì)災(zāi)害評價與預(yù)測。