后緣拉張裂縫對土坡穩(wěn)定性評價的影響研究進展

摘要：探索后緣拉張裂縫對土坡穩(wěn)定性評價的影響有助于邊坡穩(wěn)定性理論的完善。從后緣拉張裂縫對土坡失穩(wěn)模式及穩(wěn)定性的影響兩方面進行回溯總結，為建立邊坡拉剪耦合破壞穩(wěn)定評價體系及為崩塌、階梯狀滑坡等失穩(wěn)模式的判別提供理論依據；通過室內模型試驗對其影響機理進行初探，發(fā)現(xiàn)土坡坡高、坡角及力學參數等因素會直接影響其后緣拉張裂縫起張位置、產狀、深度，從而對土坡穩(wěn)定性產生重大影響，最后對目前關于土坡穩(wěn)定性評價及后緣拉張裂縫研究存在的主要問題進行總結與評述。

關鍵詞：土坡；邊坡穩(wěn)定；穩(wěn)定性評價；拉張裂縫；失穩(wěn)模式

中圖分類號：P642" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：2096-6717（2024）04-0039-11

Impact of back edge tensile cracks on soil slope stability evaluation： State-of-the-art research

TANG Liansheng， ZHENG Dengheng， WANG Yuxi， SUN Yinlei

（School of Earth Science and Engineering； Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory （Zhuhai）； Guangdong Provincial Key Lab of Geodynamics and Geohazards，Sun Yat-sen University， Zhuhai 519082， Guangdong， P. R. China）

Abstract： The impact of back edge tensile cracks on soil slope stability evaluation is explored in this study. This paper mainly summarized the influence of trailing edge tensile cracks on the instability mode， providing a theoretical basis for establishment of slope tensile-shear coupling failure stability evaluation system and identification of instability modes such as collapse and stepped landslide. Moreover， the influence mechanism was preliminarily explored from the results of indoor model testing result， and it was found that the slope height， slope angle and mechanical parameters of soil slope would directly affect the tensile crack initiation position， occurrence and depth of the trailing edge， which would have a significant impact on the slope stability. Finally， the main problems in the current research on soil slope stability evaluation and trailing edge tensile cracks were summarized and reviewed.

Keywords： soil slope； slope stability； stability evaluation； tensile crack； instability mode

土坡失穩(wěn)是常見的地質災害隱患，由此引發(fā)的滑坡、崩塌會給人們的生命、財產及國家建設帶來巨大的損失。土坡發(fā)生失穩(wěn)破壞時，后緣常出現(xiàn)一定深度的拉張裂縫，并伴隨著整個失穩(wěn)過程，其與土坡穩(wěn)定性及失穩(wěn)模式密切相關與[1-2]（圖1）?？v觀人類對土坡失穩(wěn)破壞的認識，邊坡穩(wěn)定性理論經歷了漫長時間的先入為主地將土坡失穩(wěn)的整個破壞面視為剪切面的主流穩(wěn)定性分析方法，如經典的Fellunis法、Taylor法、Bishop法、Janbu法及通用條分法等[3-8]，目前，人們逐漸對土坡后緣產生拉張裂縫伴隨著失穩(wěn)的整個過程有了一定的認識[9-10]。Terzaghi[11]最早注意到土坡后緣常出現(xiàn)一定深度的拉張裂縫，指出應重視土坡后緣拉張裂縫對邊坡穩(wěn)定性的影響。然而，這在當時并沒有引起學術界的響應和充分重視，貫穿邊坡穩(wěn)定性研究歷程的主流思想依舊認為邊坡失穩(wěn)模式為純剪切破壞，邊坡拉剪耦合破壞機理及現(xiàn)象尚未被系統(tǒng)研究，其中的發(fā)展規(guī)律也尚不明確。如何建立考慮拉張裂縫影響的土坡穩(wěn)定性評價體系，依舊困擾著學者們。

從現(xiàn)有的研究來看，土坡失穩(wěn)后緣拉張裂縫產生的原因是多樣的，其形成的力學機制除了拉張作用，還包括風化或弱化作用[12-13]、濕陷作用[14-15]及膨縮作用[16-17]。坡體失穩(wěn)過程中的應力重新分布或壓應力向拉應力轉換的拉張作用產生的拉張裂縫當屬拉張作用，其與外界風化作用、濕陷作用及膨縮作用下產生的裂縫存在本質上差異。目前關于土坡后緣拉張裂縫產生的力學條件及其與土坡坡高、坡角等要素及力學參數之間的量化關系仍然沒有明確的結論，研究者多基于已假設的剪切滑動面計算出豎直拉張裂縫的位置及深度，或者通過數值模擬得到最危險滑動面是拉剪耦合破壞面方向性結果[18-19]。

許多土坡發(fā)生失穩(wěn)破壞時，都會產生不止一條拉張裂縫，拉張裂縫的位置、產狀、深度及數目與土坡的失穩(wěn)模式（崩塌、多級拉張裂縫階梯狀滑坡等）有著密切的關系，并且后緣拉張裂縫與剪切滑動面之間的相互影響關系對土坡破壞面形狀及穩(wěn)定性評價方法起到關鍵性作用。

目前，土坡穩(wěn)定性研究的對象早已不局限于二維簡單邊坡，越來越多的學者開始對三維土坡的穩(wěn)定性進行分析，也有學者對土坡內地下水位、土坡中土質等不均一因素進行研究，但對經典理論的回顧、修正及拓展是對這些新理論的一種完善，能為之后的新理論打下基礎。因此，筆者通過回顧、總結簡單均質二維土坡的穩(wěn)定性分析方法，尤其是后緣拉張裂縫對土坡失穩(wěn)模式及穩(wěn)定性評價的影響，分析目前對于后緣拉張裂縫及土坡穩(wěn)定性研究存在的問題，并通過簡單室內模型試驗對其產生的機理進行初探，為進一步研究土坡后緣拉張裂縫的形成過程、起張位置、擴展機制及其拉剪耦合的破壞過程提供參考，有助于巖土力學邊坡穩(wěn)定性理論的完善。

1 后緣拉張裂縫對土坡失穩(wěn)模式的影響

1.1 土坡失穩(wěn)模式研究現(xiàn)狀

土坡失穩(wěn)破壞模式主要分為崩塌和滑坡，其中滑坡又可分為單一后緣拉張裂縫滑坡和多級拉張裂縫的階梯狀滑坡[20-21]。在觀察土坡失穩(wěn)的破壞過程中，崩塌與滑坡存在明顯不同的表現(xiàn)形式。崩塌破壞常出現(xiàn)在高坡角的土坡中，而觀察介于高坡角與低坡角之間的土坡，通常則會發(fā)現(xiàn)土坡的階梯狀失穩(wěn)，且拉張裂縫的發(fā)育程度與滑坡體滑動的水平位移量相關[22-24]；另外，較深圓弧滑裂面類型的土坡會出現(xiàn)階梯狀的滑坡，而在淺層土坡破壞過程中則不會出現(xiàn)階梯狀滑坡[25]。從定性描述角度出發(fā)，崩塌與滑坡?lián)碛薪厝徊煌谋憩F(xiàn)形式及概念，其中最明顯的兩點：一是崩塌體拉張破壞脫離母體，具有傾覆現(xiàn)象，這是崩塌與滑坡之間的決定性差異；二是二者在破壞過程中產生的張裂縫存在本質上的差異，崩塌是拉張應力產生的，滑坡則多是剪切滑動水平位移產生的。羅博宇[26]綜合對崩塌的研究，從邊坡坡度、發(fā)生位置、邊界及底面特征、運動特征、災害規(guī)模、典型地貌標志以及典型內部結構等角度定性區(qū)分了滑坡與崩塌。但是，盡管有了如此區(qū)分方式，從定量的理論角度分析，這種定性的區(qū)分無法建立不同失穩(wěn)模式之間的嚴格理論判據。對于不同的失穩(wěn)模式來說，土坡表現(xiàn)形式完全不同，特別是不同破壞模式下土坡后緣拉張裂縫的深度以及數目、產狀等重要因素。拉張裂縫在崩塌破壞過程中常表現(xiàn)出一個巨大的深度，而在階梯狀滑坡破壞過程中往往表現(xiàn)出多數目，表明二者因拉張裂縫釋放的能量明顯區(qū)別于單一裂縫的滑坡[27-28]，因此對于不同的邊坡失穩(wěn)模式應該具有不同的穩(wěn)定性評價體系，在對土坡進行穩(wěn)定性評價之前，明確不同失穩(wěn)模式下土坡后緣拉張裂縫形成過程中存在的差異性及對邊坡可能發(fā)生的破壞形式進行可靠的定量判斷十分必要，但目前學術界仍未能給出土質的滑坡與崩塌之間的明確界限，土坡崩塌的穩(wěn)定性量化評價也只好沿用滑坡的方法。

1.2 后緣拉張裂縫對階梯狀滑坡失穩(wěn)模式的影響

土質邊坡失穩(wěn)后，伴隨著拉張裂縫的進一步發(fā)展，常會觀察到滑坡階梯現(xiàn)象，該現(xiàn)象多出現(xiàn)在高傾角的土坡上[29-30]，如圖2所示。由于滑坡體上下各段各塊的滑動時間、滑動速度常常不一致，滑坡體表面往往形成一些錯臺、陡壁，這種微小的地貌稱為滑坡臺階或臺坎，即為滑坡滑落后形成的寬大平緩的臺地，平臺的大小與完整程度反映了滑體厚度的大小。

對于土坡失穩(wěn)后在什么條件下可以形成階梯滑坡，目前暫無定量評價方法，但學界對階梯狀滑坡與土坡后緣拉張裂縫存在密切聯(lián)系達成共識。相關研究發(fā)現(xiàn)，同一土坡由于不同時期的多次失穩(wěn)與土坡一次失穩(wěn)，均可能會形成階梯狀滑坡，雖然二者在形成機理上可能存在本質差異，但每個滑動階梯均是由裂縫進一步發(fā)育而來的，這充分說明了滑坡階梯與拉張裂縫之間的密切聯(lián)系[31-32]。

諸多學者對于階梯滑坡形成的誘發(fā)條件也存在不同的見解，Peng等[33]將由水位上漲而誘發(fā)的黑方臺黃土滑坡的破壞模式分為5類，在黃土基巖平面滑動這一類型中，發(fā)現(xiàn)邊坡上有明顯的多級階梯滑坡；Deng等[34]在對三峽庫區(qū)的滑坡進行研究時，發(fā)現(xiàn)庫區(qū)內大型滑坡是由長期重力作用下邊坡變形引起的，其中寶塔坪滑坡基巖的節(jié)理面被拉伸開裂的數目向滑坡方向增加，這些節(jié)理會進一步發(fā)育成階梯滑坡；張江偉等[35]在對滑坡進行調查時發(fā)現(xiàn)，多期不同深度的滑坡會形成滑坡階梯，淺層滑坡形成較低的滑坡臺坎，較深部的滑坡形成較高一級滑坡臺坎，不同滑坡臺坎的形成存在先后順序。上述研究說明：階梯狀滑坡的發(fā)生可能受地層結構、初始結構面以及滑裂面深淺等因素的影響。

已有充分證據顯示，階梯滑坡多是由拉張裂縫發(fā)育而來，并且伴隨多層滑裂面出現(xiàn)的滑坡階梯可能是滑坡拉張破壞的一種突出現(xiàn)象。因此，對階梯滑坡的形成機理及規(guī)律進行定量化研究，將有助于加深對邊坡穩(wěn)定性評價的認識。

1.3 后緣拉張裂縫對崩塌失穩(wěn)模式的影響

崩塌是土坡失穩(wěn)的一類典型現(xiàn)象，是指在較陡斜坡上的巖土體在重力作用下突然脫離母體崩落、滾動、堆積在坡腳（或溝谷）的地質現(xiàn)象，多發(fā)生在60°～70°的斜坡上。崩塌體的運動方式為傾倒、崩落，崩塌體碎塊在運動過程中滾動或跳躍，最后在坡腳處形成堆積崩塌倒石錐。崩塌倒石錐結構松散、雜亂、無層理、多孔隙，并且由于崩塌所產生的氣浪作用，細小顆粒的運動距離更遠一些，因而在水平方向上有一定的分選性，其典型失穩(wěn)模式如圖3所示。

崩塌與滑坡破壞作用都較為急劇、短促及強烈，二者均為斜坡上的巖土體遭受破壞而失穩(wěn)向坡腳方向的運動，常在相同的或近似的地質環(huán)境條件下伴生，并且可以相互包含或轉化，如大滑坡體前緣的崩塌和崩塌堆載而形成的滑坡。但是，崩塌以垂直運動為主，滑坡以水平運動為主，同時滑坡沿滑動面滑動，滑體的整體性較好，有一定外部形態(tài)，而崩塌則無滑動面，堆積物結構凌亂，多呈錐形。另外，對比滑坡有一定的滑動距離而言，崩塌與滑坡最顯著的區(qū)別在于具有失穩(wěn)體傾覆現(xiàn)象。

《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864—2016）[36]將崩塌重新定義為“地質體在重力作用下，從高邊坡突然加速崩落或滾落（跳躍），具有明顯的拉斷和傾覆現(xiàn)象”，這種定義強調土坡失穩(wěn)的拉斷現(xiàn)象，說明在實際工程中，人們已經意識到拉張破壞作用在邊坡變形失穩(wěn)過程中扮演的重要的角色。在土坡發(fā)生崩塌前，崩塌體后部常?？梢杂^察到拉張裂縫，裂縫的發(fā)展過程與崩塌體的規(guī)模密切相關。因此，土坡失穩(wěn)過程中后緣拉張裂縫可能產生的位置及深度，對判斷土坡是否發(fā)生崩塌破壞會起到明確的指示作用。

對于崩塌破壞的發(fā)育過程及機理，Lin等[37]基于UDEC軟件和實際地震荷載對具有節(jié)理的邊坡的崩塌機理進行了研究，并將模擬結果與坡體實際損傷進行對比分析，驗證了UDEC軟件在邊坡裂縫發(fā)育的崩塌分析中的可行性；秦亞斌[38]對河流崩岸進行了研究，考察了坡前水位及地下水位對河岸穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)河岸崩塌主要經歷了水流沖刷、裂隙發(fā)育、整體崩塌的過程，可見土坡后緣拉張裂縫的發(fā)育是崩塌的一個重要過程；鄭光等[39]系統(tǒng)調查了貴州某一崩塌現(xiàn)場，追溯了崩塌發(fā)生的動力學過程及崩塌機理，并對周邊潛在崩塌體進行了分析評估，發(fā)現(xiàn)崩塌體首先受到底部開挖影響，而后導致坡體產生拉張裂縫，在長期重力作用下，山體開始變形破碎最后整體失穩(wěn)。

現(xiàn)有研究表明，崩塌多見于結構性強且坡度較陡的巖體、黃土以及河岸等地區(qū)，在崩塌發(fā)生之前常伴隨著拉張裂縫的出現(xiàn)，了解土坡失穩(wěn)過程中滑體的運動行為對區(qū)分崩塌與滑坡有著重要作用[40-41]。在土坡的深層重力變形作用下，順層平面的穩(wěn)定狀態(tài)將會被改變，可能會導致在起伏相對平坦的山地上發(fā)生崩塌破壞[42]。近年來，學者對崩塌的研究還在繼續(xù)，更多的崩塌影響因素被發(fā)現(xiàn)，但多數研究在預設邊坡為崩塌模式下開展?？傮w來說，崩滑體的運動過程以及，拉張裂縫的大小、產狀、位置，都在崩塌與滑坡之間表現(xiàn)出了明顯的差異性，如果無法明確二者間拉張裂縫變化規(guī)律，也就無法形成崩塌失穩(wěn)模式下邊坡穩(wěn)定性系數計算及評價的方法。

2 后緣拉張裂縫對土坡穩(wěn)定性評價的影響

2.1 土坡后緣拉張裂縫研究現(xiàn)狀

土坡發(fā)生失穩(wěn)時，后緣出現(xiàn)拉張裂縫已逐步被諸多案例研究證實，理論研究、模型試驗及案例分析均表明土坡后緣拉張裂縫主要源于邊坡失穩(wěn)過程中坡體內的拉張作用[43-48]。Lohnes等[44]研究發(fā)現(xiàn)黃土邊坡上層的垂直節(jié)理可能是頂部黃土層受拉張作用的結果；馮連昌等[45]的土坡后緣裂縫模型試驗和Senior[46]基于極限平衡理論開展的研究，都充分表明考慮土體抗拉張過程及其拉張裂縫的形成對土坡穩(wěn)定性存在巨大的影響；戴自航等[47]對土坡拉張力學的分析及數值模擬表明考慮了后緣拉張破壞土坡穩(wěn)定性的確更差而且拉張裂縫近于直立；許強等[49]研究大量滑坡案例表明，滑體整體滑動之前，其后緣會出現(xiàn)拉張裂縫；Michalowski[50-51]引入拉張破壞及拉張截斷理論，通過數值模擬研究了拉張裂縫對邊坡穩(wěn)定性分析結果的影響，提出了抗拉張強度為零（拉張截斷）的邊坡穩(wěn)定性評價方法。由此可見，學者們強烈地意識到邊坡失穩(wěn)破壞面并非Taylor所表述的純剪滑動面，其后緣較多都伴生一定深度的拉張裂縫。

目前，對土坡拉張破壞面位置及深度確定的理論研究陸續(xù)取得一些成果。最早Terzaghi[11]在朗肯土壓力理論基礎上，根據半無限土體的莫爾圓強度包線與土體的抗剪強度關系，將直立土坡拉張應力為零的位置認定為拉張裂縫的開裂深度；Spencer[43]基于平面滑動面的假設，采用平行層間力法獲得了與Terzaghi一樣的直立坡后緣拉張裂縫深度計算公式，但二者一致地認為裂縫深度應為坡體中拉張應力達到零的深度，即視坡體抗拉強度為0；Terzaghi等[52]在通用條分法理論框架下，推導出了滑面頂部裂縫深度的估算公式，然而其只適用于直立邊坡。針對非直立土坡，Chowdhury等[53]提出了任意傾角的簡單邊坡后緣拉張裂縫深度的估算公式，但基于郎肯半無限空間土壓力理論，其拉張裂縫深度與邊坡形狀無關，這顯然不合理；Baker[54]運用極限平衡理論框架下變分析法，通過尋找最危險純剪切滑裂面分析了土坡后緣裂縫的深度，相比前人的研究，考慮了邊坡幾何形狀對拉張裂縫深度的影響，但僅考慮了部分形狀的改變以及是否充水對邊坡極限高度的影響。同時，目前基于極限平衡原理得到的裂縫深度，其對剪切破壞與裂縫深度是分步考慮的，即先確定最危險純剪切失穩(wěn)面并計算該失穩(wěn)面上的應力分布，進而根據剪切模式下的應力分布確定裂縫深度。這種處理本質上只是對邊坡純剪切破壞模式的一種優(yōu)化，沒有考慮土坡失穩(wěn)時拉張裂縫破壞過程對邊坡穩(wěn)定性的影響，而且只能得到豎直產狀裂縫的深度。

近年來，有不少學者通過極限分析法確定土坡后緣拉張裂縫位置及深度，Michalowski[55]預設邊坡最危險破壞面由拉張破壞的豎直線與剪切破壞的對數螺旋曲線面構成，分別計算了不同性質破壞面的能量耗散，據此探討了不同類型拉張裂縫對邊坡極限高度的影響；Utili[56]指出極限平衡法在邊坡穩(wěn)定性分析過程中需要事先假定裂縫的深度和位置的缺點，分析了有水和無水作用下邊坡后緣豎直拉張裂縫的位置及深度的臨界機制。相比極限平衡方法，極限分析法通過邊坡失穩(wěn)過程中裂縫產生時的能量耗散建立了裂縫形成與邊坡失穩(wěn)之間的聯(lián)系，此方法對拉張裂縫作了豎直的假設，未考慮土體的抗拉張強度或抗剪強度對裂縫產狀的影響。根據Michalowski的研究，在假設邊坡拉張裂縫為豎直的情況時，即使假設土體的抗拉張強度為0并出現(xiàn)拉張截斷時，其拉張裂縫的產生依然有能量消耗，究其原因主要是垂直的裂縫上依然有剪切作用。根據實際滑坡與室內試驗的觀察，嚴格的垂直裂縫較為少見，順坡向裂縫居多，負角度也偶有出現(xiàn)。土坡材料的抗拉張強度及抗剪強度對土坡失穩(wěn)后緣拉張裂縫的產狀有一定的影響，僅假設邊坡失穩(wěn)面為垂直裂縫與剪切滑動面的組合并不合理。

顯然，在土坡失穩(wěn)過程中，拉張破壞與剪切破壞應是協(xié)同伴生、相互影響或耦合開展的，故土坡最危險破壞面是否為豎直拉張破壞面與剪切滑裂面的組合形式，剪切面與拉張面是否存在明確的界限以及裂縫如何起裂、如何發(fā)展等諸多問題仍需進一步研究。

2.2 后緣拉張裂縫在土坡穩(wěn)定性評價中的作用

建立土坡拉剪耦合破壞的穩(wěn)定性評價體系，是將土坡后緣拉張裂縫相關理論與實踐結合起來的重要一環(huán)。戴自航等[57]采用張拉剪切復合破壞準則進行了大量數值分析算例，研究表明，邊坡最危險滑動面是由近乎直立的張拉破壞面和近似圓弧或非圓弧的剪切破壞面組合而成的復合滑動面；Utili等[58]采用極限分析上限法和偽靜態(tài)方法，基于對數螺旋線剪切破壞面，以圖表的形式給出了后緣拉張裂縫豎直的土坡拉剪耦合破壞的穩(wěn)定性分析方法；Gao等[59]比較了含拉張裂縫邊坡穩(wěn)定性的幾種計算方法，將后緣拉張裂縫的形成機制歸結為內部能量耗散；劉鋒等[60]采用極限分析上限法研究了豎直拉張裂縫對邊坡穩(wěn)定性的影響，構建了考慮滲流場作用含垂直拉張裂縫的破壞模式，對比發(fā)現(xiàn)裂縫臨界深度隨著坡率、內摩擦角和黏聚力的增大而增大；Park等[61]將拉張截斷理論應用于三維狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性分析；陳曉冉等[62]基于土體的變形參數、單軸抗拉應力和朗肯主動土壓力理論，假設拉張裂縫的方向僅為豎向，得到了邊坡裂縫深度的上限；Stockton等[63]基于極限分析方法開展了各向異性對拉張裂縫和邊坡穩(wěn)定性影響的研究；He等[64]采用極限分析上限法研究了三維邊坡的裂縫位置和深度對邊坡穩(wěn)定性的影響。上述研究中，拉張截斷及嚴格垂直拉張裂縫的設定可以得到更加保守的邊坡評價，一定程度上有助于邊坡失穩(wěn)模式的預測，但這種做法是否符合工程實際，還需要對邊坡拉剪耦合破壞及后緣拉張裂縫的本質有更深刻認識。

對于拉剪耦合破壞的研究，學者們主要從極限平衡法及修正土體強度性質和破壞準則兩種方式入手。目前從土體性質入手的分析多是基于數值模擬或試算得到一個定性的結果，未能形成完整的邊坡拉剪耦合破壞穩(wěn)定性分析體系；對于極限平衡法，其本質是對泰勒邊坡穩(wěn)定性分析方法的一種改進，之后的學者多以Baker的理論為框架進行微小的調整，該分析方法不僅假設出了最危險拉剪耦合滑裂面，也假設剪切滑裂面上的支持力是線性分布的，這些假設都會使理論結果與實際結果有一定的出入。

相較極限平衡方法，極限分析方法能夠從能量耗散的角度協(xié)同考慮裂縫與滑裂面的伴生過程。從本質上來說，這種方法假設失穩(wěn)破壞面為垂直線與對數螺旋曲線剪切面組合，違背了考慮邊坡拉剪耦合破壞的初衷，且忽略了邊坡材料抗拉強度及其與抗剪切強度的組合對拉張裂縫的形成及其發(fā)展的影響，其穩(wěn)定分析結果也與實際情況存在差距。值得注意的是，即使按垂直裂縫情況，是否考慮邊坡的抗拉張強度其邊坡的穩(wěn)定系數相差甚大，且可能還與裂縫的產狀選擇有關，后緣拉張裂縫形成以拉張破壞還是剪切破壞為主導將影響拉張裂縫的產狀及深度，并嚴重影響邊坡穩(wěn)定性系數的計算及潛在失穩(wěn)破壞面的搜索。

總體來看，無論是Baker在極限平衡理論框架下的變分析法研究，還是Michalowski基于裂縫為垂直的假設條件的極限分析法，都是基于一個已有的純剪滑裂面（圓弧滑動面或是對數螺旋面）進行穩(wěn)定性分析，由此分析出坡體中的拉應力分布，從而得到垂直拉張裂縫的位置及深度，這種根據滑裂面的受力大小求取穩(wěn)定性系數最小值來反推豎直拉張裂縫的位置及深度做法，只能算是純剪滑裂面的一種補充和改進。雖然土坡后緣拉張裂縫的確定及拉剪耦合破壞的穩(wěn)定性分析取得了一定進展，也有學者對拉張裂縫的形成機理進行了初步探討，但這些基于最危險剪切滑動面來確定豎直拉張裂縫的分析方法只能說明拉剪耦合破壞面的穩(wěn)定性系數小于純剪滑動面而已，暫未能從根本上解釋拉張裂縫的形成條件、產生機理、擴展機制及其與剪切滑動面之間的相互伴生關系。需要明確的是，土坡后緣拉張裂縫與剪切滑動面并非在破壞的瞬間就完全形成，拉張裂縫有一個擴展的過程，拉張裂縫與剪切滑動面相互伴生的關系不僅說明了拉張裂縫在土坡失穩(wěn)過程中扮演著重要角色，同時也影響土坡的穩(wěn)定性[65-66]。

3 后緣拉張裂縫對土坡穩(wěn)定性影響的機理

根據大量的野外現(xiàn)場調研工作，發(fā)現(xiàn)土坡坡高、坡角及力學參數等因素會直接影響其后緣拉張裂縫起張位置、產狀、深度，從而會對土坡穩(wěn)定性產生重大影響[63， 67-69]。相關研究表明，由于拉張裂縫真實存在，邊坡更容易以拉剪耦合模式破壞，拉張裂縫的出現(xiàn)會對邊坡失穩(wěn)時的剪切面產生影響，并且由于拉張裂縫受邊坡傾角及高度影響，邊坡失穩(wěn)模式存在差異，邊坡失穩(wěn)體不同位置處的穩(wěn)定性也存在差異。目前關于土坡失穩(wěn)時后緣拉張裂縫的產生機理尚不明確，研究者難以觀察到邊坡破壞時拉張裂縫的發(fā)展過程，對拉張破壞現(xiàn)象不能產生直觀認識，因此首先應以探究單因素（重力）下后緣拉張裂縫的機理為基礎，再進一步探究多因素（地震、降雨、人為開挖等）作用下的邊坡失穩(wěn)破壞過程。

前人主要針對是否考慮拉張裂縫對邊坡穩(wěn)定性的影響進行數值分析及理論研究，對于土坡坡高、坡角等因素是如何影響拉張裂縫的產狀、位置等問題仍需進一步探討?；谏鲜隼碚摲治?，采用自行研制單一誘因（重力作用）的土坡失穩(wěn)室內模型裝置，對土坡的失穩(wěn)過程、失穩(wěn)現(xiàn)象、拉張破壞過程進行簡單的試驗研究，初步開展了不同坡高、坡角的室內土坡失穩(wěn)模型試驗，總結土坡后緣拉張裂縫的變化規(guī)律，以此初步分析土坡后緣拉張裂縫及其穩(wěn)定性間的機理關系。

試驗裝置采用一個立方箱體（100 cm×100 cm×100 cm），此箱體由4塊2 cm厚的透明亞克力板拼裝而成，其頂部及正面是開放式的。在立方箱體的前側，使用了兩個可旋轉的門折頁將擋土墻（98 cm×120 cm）安裝在立方箱體的底板上，該擋土墻可以確保使用該裝置制作的邊坡傾角在0°～90°間隨意設定。試驗所采用試樣為花崗巖殘積土，天然密度為1.97 g/cm3，天然含水率為16.72 %，土粒密度為2.54 g/cm3，塑性指數為31.4。試驗步驟如下：

1）試驗準備：首先在模型箱的內壁和擋土墻上均勻地涂上一層凡士林，減少邊坡材料與模型箱、擋土墻之間的摩擦力對實驗結果的影響；然后將試驗所用重塑土樣與水均勻混合，使其含水量達到不飽和的狀態(tài)，以確保邊坡材料均勻低黏聚力。

2）安裝模型箱：擋土墻的底部安裝在模型箱的地板上，且可以固定端為軸轉動，同時擋土墻的活動端可通過鎖扣固定于模型箱箱體的不同位置，進而預設邊坡模型的角度；在模型箱的側壁上設置有銷釘插孔，通過銷釘和固定桿的組合形式對擋土墻進行固定。

3）邊坡模型制作：試驗箱安裝完后，將均質非飽和土樣按照預設的模型箱形狀進行逐層堆砌，每隔10 cm壓實一次，并控制每一層的壓力強度，壓實次數、壓實時間以及材料的堆積速率，當邊坡模型達到預定的高度時，打開高速攝像機。

4）邊坡失穩(wěn)試驗：在試驗開始之前，施加足夠大的力預防擋土墻移動，后迅速拔出銷釘并卸下固定桿，迅速旋轉土墻使其與邊坡模型分離，進而引發(fā)邊坡模型破壞。此時高速攝像機實時記錄滑坡過程，記錄的破壞現(xiàn)象圖像可作為研究滑坡特征的基礎數據。

土坡失穩(wěn)的試驗過程如圖4～圖6所示。結合已知結果分析，發(fā)現(xiàn)不同傾角及高度的土坡在破壞過程中存在一定的相似性與差異性。在坡角為55°～75°的土坡中，當擋土墻脫離坡體的瞬間，土坡模型并未立即破壞，而是保持短暫的穩(wěn)定；擋土墻撤除后，邊坡模型頂部率先出現(xiàn)拉張裂縫，坡體其他部分保持完整和輕微變形，被裂縫分離的失穩(wěn)體前緣上部出現(xiàn)局部下陷及向前蠕動，進而拉張裂縫逐漸變寬，并出現(xiàn)多條裂縫；而后邊坡上部坡體繼續(xù)局部下滑變形，并對坡腳位置有向下壓縮作用，此時坡腳出現(xiàn)了輕微局部鼓脹現(xiàn)象；坡腳膨脹達到一定變形極限后，失去穩(wěn)定性，失穩(wěn)塊體開始整體下滑，在下滑過程中拉張裂縫會逐漸變大并增多，最后出現(xiàn)滑坡階梯。

在坡角為90°的土坡中，擋土墻被撤除的瞬間，邊坡模型頂部前緣會瞬時出現(xiàn)拉張裂縫；隨后邊坡體小幅度水平向前膨脹及垂直向下運動，拉張裂縫數量有所增加；土坡不穩(wěn)定體整體出現(xiàn)大幅垂直運動，拉張裂縫迅速變寬，坡頂出現(xiàn)明顯下沉現(xiàn)象，同時坡腳出現(xiàn)垂直擠壓變形并發(fā)生剪切破碎；最終滑動體底部觸碰到地面并發(fā)生破碎，隨著滑動體與地面接觸面積增大，下滑體會迅速發(fā)生整體傾覆現(xiàn)象，類似于自然界中出現(xiàn)的崩塌傾覆。

總體來看，滑動體在迅速向前推移的過程中會逐漸失去完整性。當土坡傾角較小、高度較低時，滑坡產生的滑動面較淺，較薄的滑動體在運動過程中與地面接觸的部位會首先失去結構性，同時滑動體在下滑過程中會逐漸變薄，至坡腳位置停止滑動后，僅保留未破碎部分；而土坡傾角較大、高度較大時，滑坡產生的滑動面較深，較厚的滑動體在運動過程中會逐漸出現(xiàn)階梯滑坡，階梯滑坡的間距也會逐漸被拉大，同時失穩(wěn)體的下部也會率先出現(xiàn)破碎，隨著失穩(wěn)體運動距離的增加，其破碎面積也會增大，甚至整個失穩(wěn)體完全失去結構性，同時靠近滑坡舌位置的滑坡階梯也會消失，僅保留后緣的部分階梯滑坡。

通過對不同高度、不同角度的土坡失穩(wěn)過程的研究，發(fā)現(xiàn)滑坡破壞面是由拉張裂縫與剪切破壞面貫通后形成的，即滑坡破壞面的頂部是拉張裂縫，而拉張裂縫以下才是滑動破壞面。土坡坡高、坡角、土質及力學參數等因素是如何影響后緣拉張裂縫的產生，進而影響邊坡的穩(wěn)定性，仍需通過更系統(tǒng)的室內試驗及數值模擬等手段進行進一步的研究。

4 存在的主要問題

現(xiàn)有對土坡穩(wěn)定性評價及后緣拉張裂縫的研究主要存在以下幾個主要問題：

1）土坡拉剪耦合穩(wěn)定評價體系尚未完善，土坡失穩(wěn)模式定量評價缺乏研究：由于對土坡后緣拉張裂縫產狀及影響因素認識的局限性，現(xiàn)有拉剪耦合穩(wěn)定性評價方法也存在一定的不足，現(xiàn)有研究中對與土坡拉剪耦合失穩(wěn)模式密切相關的滑坡狀階梯、崩塌現(xiàn)象還認識不足，尚無定量方法對土坡可能產生的失穩(wěn)模式進行評價。

2）對土坡后緣拉張裂縫產狀、深度及影響因素認識不足：現(xiàn)有研究中，無論是極限平衡理論還是極限分析理論，對土坡拉張破壞面的設定均為垂直產狀，僅考慮土坡幾何參數及材料的抗拉張強度等對其位置及垂直深度的影響，忽視對其產狀形態(tài)的影響，然而垂直裂縫設定與實際滑坡及模型試驗現(xiàn)象存在差異，同時后緣拉張裂縫產狀對土坡失穩(wěn)模式影響巨大，故在土坡拉剪耦合失穩(wěn)模式及穩(wěn)定性評價體系的研究中，不能忽視土坡幾何形狀及抗拉張強度等對后緣拉張裂縫產狀的影響。

3）土坡后緣拉張裂縫與剪切滑裂面間的耦合影響被忽視：土坡的拉剪耦合失穩(wěn)過程是拉張破壞與剪切破壞協(xié)同進行耦合發(fā)展的過程，剪切面與拉張破壞面也會相互影響，二者不應被分開考慮，或者分開考慮后需要考察二者之間的相互影響，因此在建立土坡拉剪耦合穩(wěn)定性評價體系時，應綜合考慮拉張裂縫與剪切滑裂面之間的耦合作用，而不能忽視二者間的相互影響。

4）對土坡的失穩(wěn)過程、拉張破壞過程以及失穩(wěn)現(xiàn)象認識存在不足：目前實驗室所開展的邊坡失穩(wěn)模型試驗多是通過施加外力條件誘發(fā)滑坡，研究者難以觀察到單因素誘發(fā)的邊坡的破壞過程、破壞現(xiàn)象，故對拉張破壞過程及現(xiàn)象不能產生直觀認識，導致對邊坡拉-剪耦合破壞機理認識不清，且在對拉張破壞現(xiàn)象進行研究時考慮的影響因素并不全面，致使無法對諸多失穩(wěn)現(xiàn)象進行合理解釋。

5 結論與展望

1）土坡的失穩(wěn)破壞是一個動態(tài)發(fā)展的過程，拉張裂縫與剪切滑動面并非在破壞的瞬間就完全形成，拉張裂縫有一個發(fā)展的過程，且拉張裂縫與剪切滑動面的形成也有先后順序并相互影響，其相互伴生的關系不僅說明了拉張裂縫在邊坡失穩(wěn)破壞過程中扮演著重要角色，同時也對土坡穩(wěn)定性有著重要影響。

2）不同土坡失穩(wěn)模式下，后緣拉張裂縫存在明顯的差異性，后緣拉張裂縫的形成過程會直接影響剪切破壞面的形狀及土坡失穩(wěn)模式，因此對土坡失穩(wěn)過程中后緣拉張裂縫的產生及擴展機理、起張位置及深度的系統(tǒng)研究，將有助于對土坡崩塌及階梯狀滑坡等不同失穩(wěn)模式及其穩(wěn)定性評價理論的探究，也是建立土坡最危險拉剪耦合破壞面的搜索方法的一次重要嘗試。

3）根據室內模型試驗研究結果發(fā)現(xiàn)，土坡坡高、坡角及力學參數等，會直接影響其后緣拉張裂縫起張位置、產狀、深度等，也影響著土坡的失穩(wěn)模式，從而會對土坡穩(wěn)定性產生重大影響?，F(xiàn)有成果對土坡后緣拉張裂縫的形成過程研究尚不深入，土坡坡高、坡角、土質及力學參數等因素與后緣拉張裂縫之間的邏輯關系仍需通過試驗及理論等手段進一步研究。

4）邊坡穩(wěn)定性評價體系的建立，應著重關注失穩(wěn)過程中后緣拉張裂縫的作用機理及其與之密切相關的土坡失穩(wěn)模式的判斷方法。在對土坡后緣拉張裂縫深度、產狀及機理等因素進一步認識的前提下，可結合土坡拉張裂縫擴展與剪切面耦合過程的力學分析方法及其最危險破壞面，建立崩塌、階梯狀滑坡等不同失穩(wěn)模式的土坡穩(wěn)定性評價方法，并進一步構建更為完善的土坡拉剪耦合破壞模式體系及穩(wěn)定性評價分析方法。

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（編輯" 胡玲）

收稿日期：2021?11?13

基金項目：國家自然科學基金（41877229）；廣東省自然科學基金（2018B030311066）；中國博士后科學基金（2019M663241）

作者簡介：湯連生（1963- ），男，教授，博士生導師，主要從事巖土工程研究，E-mail：eestls@mail.sysu.edu.cn。

Received： 2021?11?13

Foundation items： National Natural Science Foundation of China （No. 41877229）; Natural Science Foundation of Guangdong （No. 2018B030311066）; China Postdoctoral Science Foundation （No. 2019M663241）

Author brief： TANG Liansheng （1963- ）， professor， doctorial supervisor， main research interest： geotechnical engineering， E-mail： eestls@mail.sysu.edu.cn.