五盂高速公路順層巖質(zhì)邊坡變形破壞模型試驗(yàn)

王 海, 張梓欽, 楊國香*, 張 彬, 徐能雄, 石 盼

(1.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 太原 030012； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院， 北京 100083)

順層基巖導(dǎo)致的滑坡是山區(qū)及丘陵地區(qū)高速公路等工程建設(shè)中常見的地質(zhì)災(zāi)害，也是基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)中時(shí)常面臨的重大難題。道路及路基工程建設(shè)中，大規(guī)模的巖土開挖不可避免，由此易形成高陡邊坡，加之集中降水的影響，極易形成滑坡災(zāi)害。而順層滑坡一般具有規(guī)模大、破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)，對工程及環(huán)境破壞嚴(yán)重，且勘察設(shè)計(jì)、處治技術(shù)難度大，費(fèi)用高昂，時(shí)至今日，已給工程建設(shè)和人居環(huán)境造成極大的影響和災(zāi)害。例如，2009年“6·5”重慶武隆雞尾山崩滑災(zāi)害[1]造成了10人死亡，64人失蹤，8人受傷的嚴(yán)重后果；2003年7月13日，三峽水庫區(qū)千將坪發(fā)生大規(guī)?；耓2]，導(dǎo)致當(dāng)?shù)?4人死亡，10人失蹤，近千人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá) 5 735萬元。因此，順層巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)理具有非同小可的研究意義，這對于科學(xué)預(yù)測邊坡破壞范圍，及時(shí)提出對應(yīng)的預(yù)防護(hù)加固手段以及如何提升高速公路邊坡整體防護(hù)水平，都具有重要的工程指導(dǎo)作用。

此外，軟弱夾層對邊坡的變形破壞往往起關(guān)鍵性的作用。馬曉輝等[3]整理了大量新安江大壩右岸壩基薄層頁巖的觀測試驗(yàn)資料，總結(jié)得到礦物、化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及滲流對軟巖性狀變化的評價(jià)準(zhǔn)則。李守定等[4]依據(jù)寶塔滑坡區(qū)試驗(yàn)結(jié)果分析了泥化夾層的形成條件，說明了泥化夾層是滑坡發(fā)生的主要原因。Xia等[5]對三峽庫區(qū)的石榴樹包滑坡長達(dá)6年的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)研究表明，淺層滑體變形的主要控制因素為降雨，而深層滑體的穩(wěn)定性主要受庫水位變動影響。依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的研究對滑坡臨滑預(yù)報(bào)具有重大意義，然而缺乏系統(tǒng)性的監(jiān)測手段，難以深入探究滑坡形成的機(jī)理和條件。而對坡體組分的物理化學(xué)性質(zhì)研究有利于揭示坡體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析滑坡成因，但難以對滑坡運(yùn)動過程進(jìn)行闡釋。

隨著信息技術(shù)的普及和迅速發(fā)展，各類數(shù)值模擬方法在研究順層巖質(zhì)邊坡變形破壞機(jī)理中的重要性也日益凸顯。吳順川等[6]建立了含軟弱結(jié)構(gòu)面土質(zhì)邊坡的離散元顆粒模型，對其進(jìn)行變形破壞模擬，提出了分析軟弱夾層發(fā)展機(jī)理的新方法。黃潤秋等[7]用FLAC3D建立了湯屯高速公路邊坡模型，分析其開挖后的應(yīng)力應(yīng)變特征，結(jié)果表明，坡體中上部沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑動，邊坡的變形主要受巖體結(jié)構(gòu)和層間軟弱夾層的控制。何錚等[8]通過人工合成地震波并建立了邊坡的三維地震反演模型，揭示了順層巖質(zhì)邊坡在地震作用下漸進(jìn)變形的破壞機(jī)制。林杭等[9]使用FLAC3D模擬了層狀邊坡的破壞過程，通過強(qiáng)度折減法分析了結(jié)構(gòu)面傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響。張社榮等[10]以薩爾瑪條分法和強(qiáng)度折減法為手段研究了層狀巖質(zhì)邊坡的破壞規(guī)律，結(jié)果表明，巖層傾角和坡角對邊坡穩(wěn)定性的影響較大，結(jié)構(gòu)面間距影響較小，且兩種方法計(jì)算結(jié)果相近。鄧榮貴等[11]提出了順層邊坡穩(wěn)定性評價(jià)和失穩(wěn)長度分析的新方法，并將其應(yīng)用于319國道和渝懷鐵路的邊坡分析中，證明了分析方法的可靠性。高永濤等[12]基于離散單元法研究了270個(gè)邊坡模型，總結(jié)了4種順層巖質(zhì)邊坡的破壞形式，分析了結(jié)構(gòu)面傾角和邊坡角兩個(gè)參數(shù)在邊坡穩(wěn)定性分析中起到的作用，并得到其與邊坡安全系數(shù)的關(guān)系。但由于其對參數(shù)和本構(gòu)模型準(zhǔn)確性的過分依賴，數(shù)值模擬方法仍缺乏其作為單獨(dú)分析方法時(shí)的可靠性。而物理模型試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫卦佻F(xiàn)滑坡變形破壞發(fā)展的全過程，且便于進(jìn)行系統(tǒng)性的監(jiān)測，已成為研究滑坡變形破壞機(jī)理的成熟方法。

現(xiàn)以山西五盂高速公路順層巖質(zhì)邊坡為原型，依據(jù)相似理論建立大型二維物理模型。并采用SAA陣列式位移計(jì)、三維激光掃描儀、攝影測量技術(shù)和人工變形測量相結(jié)合的方法進(jìn)行監(jiān)測，建立立體式綜合性的位移監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)行覆蓋坡體內(nèi)部和外部位移的測量。同時(shí)采用數(shù)值模擬手段，在宏觀上進(jìn)一步揭示和驗(yàn)證邊坡變形破壞的機(jī)理。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

研究的滑坡原型為五盂高速K23+760滑坡，該滑坡體處于兩條沖溝之間，沖溝構(gòu)成了滑坡體的側(cè)面邊界，滑坡體平面形態(tài)為不規(guī)則橢圓形，總面積0.180 km2，滑體主軸方向?yàn)?45°，滑體厚度范圍10～35 m不等，平均厚度約為20 m，總體積約為 3 600 000 m3，如圖1所示。坡體地形陡緩交替，在變形及人工改造影響下形成多級平臺，局部形態(tài)呈折線型。坡面草本植物較發(fā)育?；w成分主要為強(qiáng)風(fēng)化的黑云斜長片麻巖及絹云母片巖，巖體較為破碎，強(qiáng)度低，巖芯多呈碎塊或薄片狀；滑體表層2～5 m部分為殘坡積粉質(zhì)黏土和碎石土，且堆積松散。選取該滑坡體為研究對象，開展開挖和降雨導(dǎo)致順層巖質(zhì)滑坡的變形演化規(guī)律及孕災(zāi)機(jī)制。

圖1 五盂高速公路滑坡示意圖Fig.1 Sketch of landslide on Wuyu Expressway

1.2 物理模型建立

1.2.1 模型概化

二維物理模型原型選擇K23+874斷面，依據(jù)滑坡體結(jié)構(gòu)特征，將原型概化為東西長400 m，南北寬100 m，高度為200 m的區(qū)域，區(qū)域內(nèi)坡角為23°～26°，巖層傾角約為25°，并存在深度為4～6 m的絹云母層軟弱帶，依據(jù)概化的坡體制作一定厚度的平面應(yīng)力模型。綜合考慮陣列式位移計(jì)(SAA)等監(jiān)測設(shè)備的尺寸和精度以及試驗(yàn)研究范圍、模型制作等條件，最終選取相似比為100，即模型箱尺寸定為400 cm×100 cm×200 cm，同時(shí)在距坡表面30～60 cm深處設(shè)置軟弱夾層，厚度為3 cm。為分別模擬單層軟弱結(jié)構(gòu)層和雙層軟弱結(jié)構(gòu)層的順層巖質(zhì)滑坡，分別設(shè)計(jì)兩個(gè)模型試驗(yàn)組A、B。

1.2.2 相似條件與模型材料

因模型相似材料自身容重滿足重力梯度條件，容重比選取為1即可。再由相似理論推導(dǎo)得到模型材料各相似常數(shù)。應(yīng)力σ、抗剪強(qiáng)度τ、彈性模量E相似常數(shù)為

Cσ=Cτ=CE=100

(1)

應(yīng)變ε、泊松比μ、內(nèi)摩擦角φ相似常數(shù)為

Cε=Cμ=Cφ=1

(2)

坡體主要巖體的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，模型試驗(yàn)選取的相似材料對應(yīng)參數(shù)則如表2所示。

表1 邊坡主要巖體的物理力學(xué)參數(shù)

經(jīng)過常用材料的對比，最終選取重晶石粉和石英砂為骨料、石膏為膠結(jié)劑以及甘油作為摻加劑，以制備目標(biāo)黑云斜長片麻巖的相似材料，采用4因素6水平的均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)表2中列出的目標(biāo)屬性。對于每個(gè)配比組合，制作10個(gè)直徑為50 mm，高度為100 mm的圓柱體試樣(圖2)并測試其密度、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。制備控制室溫為(20±2)℃，濕度為60%±10%。測試中需要保證最大限度滿足主要物理力學(xué)性質(zhì)近似要求，盡可能滿足次要物理力學(xué)性質(zhì)近似要求。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該材料的質(zhì)量比例為48∶35∶9∶2(重晶石粉∶石英砂∶甘油∶石膏)時(shí)，對應(yīng)物理力學(xué)性質(zhì)如表3所示，符合相似材料要求。由此確定該組合物即可用于作為目標(biāo)黑云斜長片麻巖的相似材料。另外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原型中的絹云母層具有遇水軟化及強(qiáng)度降低的特點(diǎn)，據(jù)研究表明，馬蘭黃土遇水后也會有類似的強(qiáng)度降低的特點(diǎn)，因此模型試驗(yàn)中采用鋪設(shè)一定厚度的馬蘭黃土來模擬軟弱夾層。

表2 目標(biāo)材料物理力學(xué)參數(shù)

圖2 圓柱體試樣Fig.2 Cylinder test sample

表3 相似材料物理力學(xué)參數(shù)

1.2.3 模型制作

設(shè)計(jì)模型箱尺寸為400 cm×100 cm×200 cm，模型箱側(cè)壁采用透明有機(jī)玻璃材料，可作為可視窗口，便于實(shí)時(shí)觀測試驗(yàn)過程滑坡體變形情況。采用分層夯實(shí)法進(jìn)行模型砌筑，保證每層模型材料厚度均為20 cm，坡度為25°。砌筑時(shí)將每層體積所對應(yīng)質(zhì)量的相似材料夯實(shí)到模型箱中，填滿預(yù)定的分層，并保證模型材料密度為2.3 g/cm3。為模擬巖層層理，在層與層之間撒上厚度為2 cm左右的干重晶石粉，確保坡體模型分層砌筑。

A組模型在高度170 cm處設(shè)置兩根預(yù)制水管，分別距坡體兩側(cè)側(cè)壁25 cm。兩根預(yù)制水管長度均為170 cm，順層面鋪設(shè)，預(yù)制水管近坡頂端連接注水口，且每隔15 cm設(shè)置直徑4 mm的出水孔，水管末端封閉處理。模擬過程中通過控制注水口閥門模擬降雨，水流通過水管出水孔滲透至模型各處，以此來模擬雨水在軟弱夾層中的滲流。隨后在水管上部鋪設(shè)厚度為5 cm的干燥馬蘭黃土以模擬軟弱夾層。

B組模型在高度170 cm處時(shí)，鋪設(shè)第1層厚度為5 cm的黃土軟弱層，其上再鋪設(shè)厚度15 cm的模型材料。隨后設(shè)置3根預(yù)制水管，其中兩根順層面設(shè)置，分別距坡體兩側(cè)側(cè)壁25 cm，一根順坡體走向設(shè)置于模型坡頂處。第2層黃土軟弱層鋪設(shè)于預(yù)制水管上部，厚度為5 cm，順層面鋪設(shè)。最后以密度控制法鋪設(shè)模型材料至模型預(yù)定高程。A、B組試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿S圖如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿S圖Fig.3 3D diagram of test model

1.3 測試方案及監(jiān)測

1.3.1 試驗(yàn)方案

A組為含單一軟弱結(jié)構(gòu)面順層巖質(zhì)邊坡模型，首先對其進(jìn)行分步開挖模擬，整個(gè)試驗(yàn)過程分5次開挖。第1次開挖從坡腳到坡體內(nèi)部，總進(jìn)尺 23 cm，監(jiān)測并確保坡體無位移后進(jìn)行第2次開挖；第2次開挖范圍為軟弱結(jié)構(gòu)面以上巖體深度 45 cm；第3次開挖沿第2次開挖面豎直向下開挖至模型底面，監(jiān)測并確保穩(wěn)定后進(jìn)行第4次開挖；第4次開挖范圍為軟弱面上方巖體，開挖深度45 cm，最后一次開挖沿第4次開挖界面豎直向下開挖至軟弱面，開挖完成后及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測。開挖步驟如圖4所示。

圖4 A組模型開挖步驟Fig.4 Model excavation steps of group A

開挖步驟結(jié)束后開始降雨模擬，對預(yù)制水管進(jìn)行注水，與此同時(shí)進(jìn)行水量監(jiān)測。根據(jù)邊坡模型表面積和注水量可以計(jì)算得到模擬降雨量。第1次降雨模擬的降雨量為5.5 mm/d，模擬單層軟弱結(jié)構(gòu)面順層巖質(zhì)邊坡在小雨下的狀態(tài)。第2次降雨模擬的降雨量為15 mm/d，模擬程度為中雨。第3次模擬大雨下的邊坡狀態(tài)，降雨量為30 mm/d。降雨停止后，繼續(xù)對模型邊坡變形進(jìn)行監(jiān)測，直至邊坡位移不再增大，試驗(yàn)結(jié)束。

B組為雙層軟弱結(jié)構(gòu)面順層巖質(zhì)邊坡模型，首先進(jìn)行開挖模擬，開挖進(jìn)尺為60 cm。待坡體沒有明顯滑動15 min后開始降雨模擬，降雨模擬流程與A組一致。

1.3.2 監(jiān)測布置

采用陣列式位移傳感器(SAA)監(jiān)測坡體內(nèi)部位移，SAA布置于距坡頂水平距離80 cm，高度 2.5 m 處；采用三維激光掃描儀監(jiān)測坡面位移，三維激光掃描儀布置于模型坡面正前方2 m處，高度1.8 m處，如圖5所示；采用攝影測量技術(shù)監(jiān)測模型邊坡整體的變化情況。試驗(yàn)開始前先將模型箱側(cè)壁進(jìn)行坐標(biāo)網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格大小為20 cm×20 cm。在試驗(yàn)過程中，以坐標(biāo)網(wǎng)格為參照對預(yù)先埋置的染色小立方體塊進(jìn)行絕對位移測量，然后對試驗(yàn)過程進(jìn)行攝影監(jiān)測，攝影時(shí)確保每兩張相鄰照片的重疊度在2/3以上。最后統(tǒng)計(jì)整理試驗(yàn)不同階段各染色小立方塊體的相對位移關(guān)系，繪制得到邊坡側(cè)面相對位移圖，進(jìn)而分析模型側(cè)面變形量。

圖5 模型邊坡及攝影測量控制點(diǎn)Fig.5 Model slope and photogrammetric control point

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 A組試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 SAA位移監(jiān)測分析

陣列式位移計(jì)SAA監(jiān)測結(jié)果顯示，邊坡模型坡表面的X方向(邊坡走向)累計(jì)位移為18 mm，Y方向(順坡方向)累計(jì)位移為-97 mm；在軟弱結(jié)構(gòu)面處，X方向累計(jì)位移為5 mm，Y方向累計(jì)位移為-78 mm。圖6(a)表示X方向位移沿SAA從坡體表面向坡內(nèi)變化不大，在坡體表面和軟弱結(jié)構(gòu)面處的偏移方向相反，且偏移量較小，表現(xiàn)為無明顯規(guī)律性；圖6(b)表示坡體表面的Y方向位移量最大，向坡體內(nèi)部逐漸減小。邊坡累計(jì)位移如圖6所示，測量位移與時(shí)間關(guān)系如圖7所示。

圖6 SAA累計(jì)位移Fig.6 SAA cumulative displacement

圖7 位移與時(shí)間關(guān)系Fig.7 Displacement versus time

2.1.2 三維激光掃描儀監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

首先用Trimble TX8三維激光掃描儀獲取試驗(yàn)過程中不同狀態(tài)下的坡體表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)云處理軟件cyclone進(jìn)行建模和數(shù)據(jù)處理，使用MATLAB對數(shù)據(jù)量過大的模型進(jìn)行適當(dāng)抽稀。以第1次掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用之后各次掃描結(jié)果與之進(jìn)行差值計(jì)算，以此作不同狀態(tài)下的模型邊坡沉降圖，如圖8所示。

圖8 模型邊坡沉降Fig.8 Model slope settlement

據(jù)沉降圖顯示，對模型邊坡進(jìn)行5階段開挖后，邊坡無明顯沉降。模擬降雨時(shí)開始出現(xiàn)沉降，且模型邊坡的沉降量隨降雨量增加而增加。坡腳位置首次發(fā)生滑塌是在模擬小雨?duì)顟B(tài)下，滑塌位置為坡體Y軸方向-1.25～-1.5 m處，沉降值均在0.2～0.25 m范圍內(nèi)；模擬中雨?duì)顟B(tài)下，滑塌范圍擴(kuò)大至Y軸方向-1.5 m處軟弱結(jié)構(gòu)面以上的全部巖體，沉降值均大于0.2 m；模擬大雨?duì)顟B(tài)下，坡體滑塌范圍再次擴(kuò)大，Y軸方向-2.5 m處軟弱結(jié)構(gòu)面以上全部巖體下滑，沉降值均大于0.2 m。

2.1.3 人工攝影測量數(shù)據(jù)分析

根據(jù)預(yù)先在模型箱側(cè)面玻璃板設(shè)置的坐標(biāo)網(wǎng)格，通過攝影監(jiān)測測量各立方塊在不同階段下的絕對坐標(biāo)，將其標(biāo)記在CAD圖中，并把滑動前和滑動后坐標(biāo)進(jìn)行指向性連接即可作邊坡的位移矢量及趨勢圖，如圖9所示。

圖9 單層軟弱結(jié)構(gòu)面順層巖質(zhì)邊坡滑動趨勢Fig.9 The slide trend of the rock slope with single weak structural plane

可以看出，單層軟弱結(jié)構(gòu)面順層巖質(zhì)模型邊坡在開挖和模擬降雨后，模型邊坡在軟弱結(jié)構(gòu)面以上發(fā)生滑裂，隨著降雨量不斷增大，模型邊坡滑動量逐漸增大。模型邊坡從坡體內(nèi)至坡體表面位移逐漸減大，從坡頂至坡腳位移也逐漸減大，表現(xiàn)為坡腳滑動牽引坡體滑動，說明該邊坡屬于牽引拉裂式破壞。

2.2 B組試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 SAA位移監(jiān)測分析

SAA監(jiān)測結(jié)果顯示，模型邊坡表面的X方向累計(jì)位移為7 mm，Y方向累計(jì)位移為4 mm；在軟弱結(jié)構(gòu)面處，X方向累計(jì)位移為4.5 mm，Y方向累計(jì)位移為4 mm。X方向位移在邊坡表面為最大值，沿SAA豎直方向向坡體內(nèi)部逐漸減??；Y方向位移從邊坡表面到軟弱結(jié)構(gòu)面基本保持不變，沿SAA從軟弱結(jié)構(gòu)面至坡體內(nèi)部逐漸減小。SAA邊坡累計(jì)位移如圖10所示。位移與時(shí)間關(guān)系如圖11所示。

圖10 SAA累計(jì)位移Fig.10 SAA cumulative displacement

圖11 SAA位移與時(shí)間關(guān)系Fig.11 Displacement versus time

2.2.2 三維激光掃描儀監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

三維激光掃描儀監(jiān)測方法同A組，處理所得各狀態(tài)下模型邊坡沉降值如圖12所示。邊坡沉降圖表明：模型邊坡開挖后，在Y軸方向-0.5～-1 m處出現(xiàn)小范圍滑塌現(xiàn)象，沉降量為0.05～0.1 m。隨著降雨量逐漸增大，模型邊坡沉降量也逐漸增大。模擬小雨?duì)顟B(tài)下滑塌范圍增大，為Y軸方向-0.5～-1.1 m處，同時(shí)沉降量增大至0.05～0.15 m；模擬大雨?duì)顟B(tài)下，模型邊坡出現(xiàn)大規(guī)?；片F(xiàn)象，Y軸方向-1.5～-3 m處大量滑體發(fā)生滑塌，沉降值為0.2～0.3 m；同時(shí)坡頂處在卸荷作用下也發(fā)生少量滑塌。

2.2.3 人工攝影測量數(shù)據(jù)分析

用人工攝影測量數(shù)據(jù)作出邊坡的位移矢量及趨勢圖，如圖13所示。雙層軟弱結(jié)構(gòu)面順層巖質(zhì)模型邊坡在開挖和模擬降雨后，模型邊坡發(fā)生大型滑坡，模型邊坡沿軟弱結(jié)構(gòu)面中下部全部滑下，坡頂巖體在卸荷后穩(wěn)定性也隨之減小，發(fā)生小規(guī)?；?。對比圖9與圖13，含雙層軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡較含單層軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡在相同工況下，滑動范圍更大，滑動體積更大，造成的危害也就更大。同時(shí)觀測結(jié)果顯示，滑體多呈流塑態(tài)，前緣可見典型的鼓張裂隙，滑移時(shí)表現(xiàn)出流速高、流程長的特點(diǎn)。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

選取K23+921斷面作為基礎(chǔ)斷面，根據(jù)選取部分的體積尺寸(730 m×225 m×30 m)，采用3DEC數(shù)值模擬軟件建立了計(jì)算模型，如圖14所示，劃分網(wǎng)格時(shí)設(shè)置長度為15 m。邊坡模型選取適當(dāng)?shù)目刂泣c(diǎn)分成開挖巖土體、滑體、滑床3個(gè)部分，其中滑體與滑床本構(gòu)模型采用基于彈塑性理論分析的摩爾-庫侖模型，潛滑面采用庫侖滑移模型。

圖14 邊坡模型示意圖Fig.14 Schematic diagram of slope model

3.2 邊界條件與計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型的邊界條件采用位移約束條件，X方向分別選取X=-100 m和X=630 m兩個(gè)垂直界面；Y方向分別選取Y=0和Y=30 m兩個(gè)垂直界面；模型底部選取Z=0水平邊界；模型頂部則表面則設(shè)為自由面。綜合參考各級巖質(zhì)圍巖基本物理力學(xué)參數(shù)和邊坡勘察報(bào)告，得到本次模擬計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)，如表4所示。

表4 模擬計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

對原狀、開挖后、擋墻支護(hù)和擋墻抗滑樁支護(hù)這4種不同工況條件下的邊坡進(jìn)行了模擬，在模擬過程中記錄最大不平衡力和4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的位移變化。最大不平衡力模擬監(jiān)測結(jié)果如圖15所示，位移與穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖15 最大不平衡力監(jiān)測曲線Fig.15 Maximum unbalanced force monitoring graph

表5 不同工況下邊坡的位移與穩(wěn)定性

模擬分析可知，原狀邊坡的應(yīng)力集中程度和變形均較小，坡肩處出現(xiàn)較小拉應(yīng)力，但坡體可維持總體穩(wěn)定。坡腳開挖后，坡體將無法繼續(xù)維持穩(wěn)定，滑體上開始出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，直至破肩拉斷，于是滑體開始整體下滑，坡肩處拉應(yīng)力釋放，應(yīng)力集中點(diǎn)轉(zhuǎn)移至二級滑體中部。由于坡腳一級滑體下滑規(guī)模明顯大于二三級滑體，可判別為牽引式滑坡。這說明坡腳削方對坡體整體的穩(wěn)定性影響較大，削坡后需要及時(shí)采取防護(hù)措施。

坡腳開挖后，為防止坡體發(fā)生進(jìn)一步破壞，工程中采用了修筑擋土墻的防護(hù)手段。但據(jù)模型計(jì)算顯示，擋土墻對減小坡體滑移量具有一定的積極作用，但單一采用擋土墻防護(hù)的坡體仍然難以保證穩(wěn)定性，坡體發(fā)生整體變形的現(xiàn)象依舊存在，因此修筑擋土墻不能單獨(dú)作為該邊坡的抗滑措施。并且，在實(shí)際工程中，修筑擋土墻更多的是作為應(yīng)急的坡體防護(hù)手段，以阻止坡體的快速變形，若要維持該邊坡的長期穩(wěn)定性，仍需要結(jié)合抗滑樁對坡體進(jìn)行治理。

4 結(jié)論

通過對順層巖質(zhì)邊坡破壞過程的模型試驗(yàn)和機(jī)理分析，以及數(shù)值模擬的驗(yàn)證，得到如下結(jié)論。

(1)含單層軟弱結(jié)構(gòu)面順層巖質(zhì)邊坡的破壞以沿軟弱結(jié)構(gòu)面的多級牽引式滑動破壞為主。在開挖和降雨作用下，坡腳附近巖體因卸荷作用開始出現(xiàn)以橫向拉張裂縫為主的小范圍變形；軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度隨著雨水入滲逐漸減弱，以致上覆巖體沿結(jié)構(gòu)面下滑，形成一級滑動，并同時(shí)沿橫向裂縫發(fā)生拉裂。隨著降雨入滲作用不斷增大，坡體進(jìn)一步發(fā)生多級滑動直至邊坡完全破壞。

(2)含雙層軟弱結(jié)構(gòu)面的順層巖質(zhì)邊坡的破壞過程分為以下3個(gè)階段：局部變形階段，即開挖卸荷作用下坡腳處產(chǎn)生局部滑塌；蠕滑變形階段，坡體上層軟弱結(jié)構(gòu)面上覆巖體隨降雨入滲強(qiáng)度顯著下降，并沿上層軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生蠕滑變形，同時(shí)坡體表面發(fā)生出水現(xiàn)象，并伴有貫穿裂縫的出現(xiàn)；整體滑動破壞階段，在降雨量不斷加大的條件下，巖體強(qiáng)度顯著降低并逐漸趨于流塑態(tài)，最后坡體沿著上層軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動破壞。

(3)軟弱結(jié)構(gòu)面對巖質(zhì)邊坡滑動破壞的作用主要有兩方面：一方面表現(xiàn)為軟弱結(jié)構(gòu)面在雨水入滲作用下的進(jìn)一步軟化，最終發(fā)展形成坡體滑動破壞的滑帶；另一方面，軟弱結(jié)構(gòu)面具有減弱雨水向下層巖體入滲的作用，在降雨量足夠大的條件下，將導(dǎo)致上覆巖體迅速飽和，強(qiáng)度急劇降低，隨即沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生大規(guī)模的整體破壞。

(4)相較于開挖卸荷作用，強(qiáng)降雨的入滲作用是含軟弱結(jié)構(gòu)面順層巖質(zhì)邊坡破壞的主要誘發(fā)因素和致災(zāi)因素，且含雙層軟弱結(jié)構(gòu)面順層巖質(zhì)邊坡的滑動破壞受雨水入滲的影響尤為明顯。