支撐拱式鎖固型滑坡變形演化特征的物理模型試驗

姜彤， 賈航， 雷家華， 薛雷

(1.華北水利水電大學,河南 鄭州 450046; 2.中國科學院地質與地球物理研究所 中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室，北京 100029； 3.中國科學院地球科學研究院，北京 100029)

滑坡是全球性的地質災害，給人類生命財產以及經濟建設帶來不可逆的危害[1-2]。長期以來國內外學者在對滑坡的研究中發現：具有鎖固段結構的大型邊坡，其鎖固段具有聚能效應[3]；在鎖固段未貫通之前會儲存大量彈性應變能，當其突發脆性斷裂時轉換為坡體動能，導致邊坡高速滑動，故鎖固型邊坡失穩后往往具有強烈的破壞性。許強和黃潤秋[4]的研究表明，大型滑坡的“鎖固段”在其穩定性機制中具有重要地位；泮曉華等[5]指出大型災難性滑坡多存在鎖固段的應力集中和脆性破壞。因此，鎖固型滑坡一直是邊坡穩定性研究的熱點。

鎖固型滑坡種類多樣且分布廣泛，劉漢東等[6]基于鎖固型滑坡的工程地質特征、鎖固段存在的形式及位置并結合豫西東苗家等幾處滑坡案例，對豫西鎖固型滑坡分布類型進行了劃分。泮曉華等[5]通過對國內18處具有代表性的大型滑坡的綜合比較和全面分析，首次將鎖固型滑坡分為5類，其中包括 “支撐拱”式鎖固類型?！爸喂版i固”是我國滑坡研究領域專家王蘭生等[7]在對新灘滑坡的研究中提出的；新灘滑坡坡體中部的姜家坡一帶滑床凸起，西側縮窄，而東側位于彎道處，這種滑床形態與地形地貌組合形成了橫跨坡體的“支撐拱”結構，對上部坡體起著支撐作用，因其直觀形象，“支撐拱”一詞一直沿用至今。2004年，程謙恭等[8]指出大型堆積層斜坡存在“支撐拱”。也有學者以“束口型”滑坡來命名該類型滑坡[9-10]。支撐拱結構之所以控制著滑坡的穩定性，其兩側拱支座一方面阻擋拱后向下滑移的堆積物，使其在這一帶壓密隆起，成為滑體中的應力集中部位，同時拱圈又將滑體中心的部分下滑推力傳遞至兩側拱座，使拱座成為應力相對更為集中的部位，拱座相當于邊坡的鎖固段，有利于邊坡穩定。當鎖固段結構破壞時，積累在拱支座的能量被釋放，造成邊坡高速滑動。但對于支撐拱式鎖固型滑坡，學者們多以實例總結與理論分析為主要手段，針對此類型滑坡的物理模型試驗及滑坡演化規律的研究較少。

本文通過改進自行設計制作的滑坡物理模型系統[11]，增加鎖固段模型，利用多種非接觸監測設備，監測坡體多維表征信息，揭示支撐拱式鎖固型滑坡的變形演化特征。該研究可為鎖固段支撐拱的形成及作用方面的研究提供一種新的途徑。

1 物理模型試驗

1.1 模型材料

豫西地區是河南省滑坡易發區，試驗選用豫西粉土，室內進行液塑限、擊實及顆分試驗測定其基本物理力學性質。其最優含水率Wopt=15%，液限WL=21.4%，塑限WP=12.6%，塑性指數IP=8.8，最大干密度ρdmax=1.77 g/cm3，顆粒比重Gs=2.7。其顆粒分布曲線如圖1所示，曲率系數Cc=1.39，不均勻系數Cu=8.049>5，級配良好。根據《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)[12]判定該土樣為低液限粉土。

圖1 豫西地區粉土的顆粒分布曲線

1.2 物理模型裝置

試驗設備由自行設計的模型箱、佳能高清攝像機、應力-應變數據采集系統、三維激光掃描儀等設備組成，擺放位置如圖2所示。模型箱尺寸為120 cm×50 cm×80 cm，整體為鋼制框架，側板為有機玻璃。牽引式滑坡啟動的低速電機傳動軸運動速度為0.14 mm/min。模型前緣的拉壓傳感器隨時記錄滑面受力狀態，力傳感器量程為-1 000～1 000 N，精度為0.01 N。圓柱拱支座模型(半徑5 cm，厚度6 cm)采用無甲醛PVC材料，在試驗中設置為固定狀態，模擬堅硬鎖固體。

滑坡模型如圖3所示，預置滑面傾角35°，邊坡坡角40°。模型土經篩分后按最優含水率15%分層均勻填筑。在預置滑面鋪設間距為1 cm的方格狀鋼絲網作為拉力筋，充當引滑面。為模擬多段牽引，使滑坡體自下而上發展，拉力筋分為單段式與兩段式[13-14]，單段式尺寸80 cm×30 cm，兩段式每段尺寸40 cm×30 cm，中間用緩沖裝置連接，可控制土體分段滑動。通過固定裝置將拉力筋與低速電機和力傳感器連接，在牽引過程中隨時記錄滑面受力狀態。

1.滑面；2.拉力筋；3.拱支座；4.土體；5.連接固定裝置；6.力傳感器；7.低速牽引電機；8.高清攝像機；9.三維激光掃描儀

圖3 滑坡模型示意圖

根據拉力筋分為單段與兩段以及是否加裝鎖固體這兩個變量，一共設置4組試驗，試驗工況見表1。

表1 試驗工況

三維激光掃描儀距模型箱4.5 m，掃描角35°，掃描網格為2 mm×2 mm，掃描間隔為5 min；LED燈箱作為補充光源保證試驗精度。試驗首先對于初始狀態下的坡體進行掃描，獲得邊坡滑動前的初始值。低速電機、高清攝像機、三維激光掃描儀及拉壓傳感器同時開啟，可獲得邊坡滑動全過程的變形場、牽引力等多物理場數據。

2 試驗現象及結果分析

試驗過程采集的數據有：牽引力、坡面位移監測點沿滑動方向縱坐標的變化量。

將應力-應變數據采集系統所采集的數據整理生成牽引力-時間曲線圖；提取高清攝像機所拍攝圖片中位移監測點不同時刻的像素Y坐標，再將坐標數據處理后生成120個監測點在不同時刻的位移變化情況及坡面中間單列10個監測點全過程的位移信息。高速相機拍攝的全過程影像可觀察裂縫演化信息，結合生成的圖樣，可從多角度對滑坡表面變形演化特征進行綜合分析。

2.1 牽引力-時間曲線

圖4為4組模型試驗的牽引力-時間曲線圖，其中圖4(a)與圖4(b)為單段式拉力筋模擬滑坡整體滑動工況，可看出曲線只有1次峰值。圖4(c)與圖4(d)為兩段式拉力筋模擬滑坡局部滑動工況，曲線有2次峰值。

圖4 牽引力-時間曲線

2.1.1 單段式拉力筋

根據牽引力-時間曲線斜率的變化，結合滑坡發育狀態，將整個滑坡演化過程劃分為4個階段：LM為彈性階段，滑坡逐漸受到拉力筋作用；MN為內部破壞階段，滑體與拉力筋完全接觸摩擦，力值迅速增長，此階段坡體表面并無明顯的裂縫出現；NA為裂縫發育階段，此時力值已接近滑體的極限抗滑力，坡面裂縫快速發育；AB為失穩滑動階段，滑體開始破壞，牽引力下降。牽引力曲線詳細信息見表2，此組牽引力曲線在峰值附近僅持續20 s，然后快速跌落，坡體整體發生大滑動。

表2 試驗1牽引力-時間曲線信息

從圖4(b)可以看出，此組牽引力曲線形態與圖4(a)相似，前3個階段劃分與圖4(a)相同，但峰值過后力曲線沒有陡降，此階段(AB)為失穩蠕滑。牽引力曲線詳細信息見表3，此組曲線在峰值附近持續360 s，然后以緩慢的速度下降，坡體整體以蠕滑形式破壞。

表3 試驗2牽引力-時間曲線信息

2.1.2 兩段式拉力筋

從圖4(c)可以看出，曲線可分為拉力筋受力、過渡區和滑面整體受力3部分。過渡區前后兩部分在形態上相似，階段劃分一致。根據試驗現象，兩段式試驗組的表面裂縫在710 s后開始出現，也就是第一段拉力筋對下部滑體雖有完整的作用階段，但由于其作用面積和力值較小，不足以突破滑坡自身的極限抗滑力而使坡面滑動。所以，在此主要對過渡區后的曲線進行分析。牽引力曲線詳細信息見表4，此組曲線在最大峰值附近僅持續20 s，然后快速下跌，坡體發生大滑動。

表4 試驗3牽引力-時間曲線信息

從圖4(d)中可以看出，力曲線形態與圖4(c)相似，可分為3部分，但最大峰值過后力曲線變為緩慢下降。此組試驗同樣對過渡區后的曲線進行分析，牽引力曲線詳細信息見表5，此組曲線在最大峰值附近持續400 s，然后以緩慢速度下降，坡體以蠕滑形式破壞。

表5 試驗4牽引力-時間曲線信息

綜上可知，支撐拱的存在改變了滑坡的破壞模式，對邊坡的穩定有較強的控制作用。

2.2 坡面變形場

設定坡面的滑動方向為Y軸正方向，對坡面監測點位移信息的分析有兩種方式：第一種是所有監測點不同時刻與初始時刻Y坐標差值的變化趨勢；第二種是中間1豎列10個監測點每一刻的位移變化趨勢。將這兩種方式處理得到的位移信息與高速相機拍攝的裂縫演化過程相結合，可以更準確地觀察分析坡面不同位置的運動狀況及記錄裂縫演化的時刻。

圖5、圖6分別為無鎖固體條件下與有鎖固體條件下，兩種不同分析方式的監測點點號布置情況。

圖5 無鎖固體時監測點布置圖

圖6 加裝鎖固體時監測點布置圖

2.2.1 單段式無鎖固體

利用軟件處理后的坡面位移信息如圖7所示，坡面裂縫信息如圖8所示。

圖7 坡面位移信息綜合圖

圖8 坡面裂縫信息圖

由圖7和圖8可知，在480 s前坡表面無裂縫和位移信息，480 s時其牽引力達到峰值(圖7)，且在滑坡后緣突然出現長裂縫(圖8(a))，隨后幾秒快速擴展到邊界(圖8(b))，然后坡面整體發生大滑動(圖8(c))。本組試驗說明在無鎖固體的單段拉力筋條件下的坡體滑動具有整體性和突發性。

2.2.2 單段式有鎖固體

該組試驗坡面位移信息如圖9所示，坡面裂縫信息如圖10所示。從圖9和圖10可以看出，在單段式有鎖固體條件下，坡面裂縫和位移信息均具有階段性。結合其牽引力-時間曲線的階段劃分，對該組試驗的分析結果如下：

1)彈性階段LM(0～500 s)：滑坡表面無任何位移及裂縫信息。

2)內部破壞階段MN(500～1 000 s)：在此階段后期，滑坡后緣、拱間和前緣出現左右對稱的裂縫信息，隨后裂縫發育并于該階段末尾時成型，如圖10(a)所示；在此階段末尾時刻滑坡表面大部分監測點開始移動。

3)裂縫發育階段NA(1 000～1 600 s)：除滑面后緣第一排外，其他測點均加速運動；在牽引力-時間曲線初到峰值(1 237 s)時，拱后出現拱形裂縫，如圖10(b)所示；隨后在一小段時間內(1 310～1 530 s)，坡面保持穩定，因為此時土拱剛形成且具有一定的自身抗滑作用，在一定程度上抵擋了土體的滑動；隨后坡面繼續運動，拱形裂縫越來越明顯，且能看出拱形裂縫與前緣裂縫均向支座處延伸，有貫通的趨勢；末尾時刻滑坡周界形態已較為清晰，如圖10(c)所示。

4)失穩滑動階段AB(1 600～5 660 s)：拱前后裂縫穿越拱支座而貫通，土拱支撐部位被破壞已無支撐效果，拱后土體向下移動，與拱間橫縫接觸，使之逐漸閉合，如圖10(d)所示；滑坡周界于2 210 s完全形成，拱間橫縫完全消失，如圖10(e)所示；隨后坡面無新裂縫出現，滑坡周界內的土體加速蠕滑，裂縫加深，滑體前緣兩排位移監測點下滑最快，周界內的坡體基本破壞，滑面最大像素位移為85，鎖固段以上部位最大像素位移為53。

圖9 坡面位移信息綜合圖

圖10 坡面裂縫信息圖

2.2.3 兩段式無鎖固體

該組試驗坡面位移信息如圖11所示，坡面裂縫信息如圖12所示。

由圖11和圖12可知，在兩段式拉力筋無鎖固體條件下，坡面裂縫信息和位移信息均具有階段性。結合其牽引力-時間曲線的階段劃分，對該組試驗的分析結果如下：

1)第一部分(0～710 s)：該部分牽引力-時間曲線形態上雖然有完整的4個階段，但坡體表面并沒有位移信息，只在末期時有細微裂縫出現。

2)過渡區(710～877 s)：滑體下半部7、8、9、10排監測點有位移信息，該區域表面裂縫發育，形成左右對稱的形態，如圖12(a)所示。

3)第三部分(877～1 760 s)：滑體下半部裂縫繼續發育；于1 690 s時刻滑面整體加速移動，其中上半部土體加速度更快；經過短暫的70 s后，滑體后緣迅速出現橫裂縫，于1 760 s完全貫穿模型，滑體發生整體破壞，之前下半部表面的裂縫由于上部土體加速下滑而被掩蓋，如圖12(b)所示，上、下部土體相接以整體形式繼續下滑。

圖11 坡面位移信息綜合圖

圖12 坡面裂縫信息圖

2.2.4 兩段式有鎖固體

該組試驗坡面位移信息如圖13所示，坡面裂縫信息如圖14所示。

從圖13和圖14可以看出，在兩段式拉力筋有鎖固體條件下，坡面裂縫信息和位移信息均具有階段性。結合其牽引力-時間曲線的階段劃分，對該組試驗的分析結果如下：

1)第一部分(0～700 s)：該部分牽引力-時間曲線形態上雖然有完整的4個階段，但坡體下部表面并沒有位移信息，只在此階段末期下部表面有細微裂縫出現。

圖13 坡面位移信息綜合圖

圖14 坡面裂縫信息圖

2)過渡區(700～900 s)：780 s滑體下部8、9、10排監測點有位移信息，該區域出現左右對稱形態的表面裂縫并逐漸擴展，如圖14(a)所示。

3)第三部分(900～5 800 s)，可細分為以下4個階段：

①彈性階段(900～1 400 s)，滑體下部表面裂縫繼續擴展，于該階段末期基本成型。

②內部破壞階段(1 400～2 200 s)，該階段下部裂縫形態無變化，而深度和寬度逐漸增加。

③裂縫發育階段(2 200～2 800 s)，拱間開始出現拱形裂縫1，如圖14(b)所示。其余坡面監測點也開始有位移信息，第4、5、6、7排區域的土體下滑速度與8、9、10排區域的一致，拱上1、2、3排區域的土體運動速度最小。

④失穩滑動階段(2 800～5 800 s)，拱支座的存在使拱后土體擠壓形成土拱，一定程度上阻擋拱后土體(即1—3排位移監測點區域的土體)下滑。拱支座以下土體由于沒有阻擋，其運動速度比拱后土體的快。當土體下滑到一定程度，第一個土拱被沖破貫穿破壞，于3 000 s又出現拱形裂縫2，如圖14(c)所示。隨后拱形裂縫1逐漸被覆蓋，于3 800 s完全消失，如圖14(d)所示。隨著拱形裂縫2與拱后裂縫逐漸貫通，拱后又出現更大的拱形裂縫3，且拱形裂縫 2與拱形裂縫3之間有相互融合的趨勢，如圖14(e)所示。之后滑坡將勻速蠕滑直至完全破壞，滑面最大像素位移為90，鎖固段以上部位最大像素位移僅為15。

3 滑坡演化規律分析

3.1 牽引力曲線規律分析

4組試驗的牽引力時程曲線數據見表6，通過數據對比尋找規律。

表6 牽引力-時間曲線數據

對比試驗1(單段式無鎖固體)與試驗2(單段式有鎖固體)的數據可知：在單段式滑坡類型條件下，由于鎖固體的存在，牽引力-時間曲線的極限力值提升了41%，維持時間提升了1 790%。對比試驗3(兩段式無鎖固體)與試驗4(兩段式有鎖固體)的數據可知：兩段式滑坡類型條件下，由于鎖固體的存在，牽引力-時間曲線的極限力值提升了40%，維持時間提升了1 900%。以上對比分析說明，鎖固體對滑坡的穩定性有一定的控制作用。

對比試驗1與試驗3的數據,無鎖固體滑坡類型條件下，單段式與兩段式兩組試驗極限力值接近且在峰值持續時間均較短，均發生了大滑動。對比試驗2與試驗4的數據,有鎖固體滑坡類型條件下，單段式與兩段式兩組試驗極限力值同樣接近且持續時間較長，且均無大滑動。以上對比分析說明，拉力筋段數不影響牽引力，鎖固體對邊坡的穩定性有一定的控制作用。

3.2 變形場規律分析

對比分析試驗1與試驗2可知：單段式鎖固型滑坡的坡面位移量大大減小，位于拱支座以上的監測點位移量和速度均為最小，坡面整體沒有大滑動，滑體后緣裂縫未橫跨模型；后緣土體在向下滑動通過拱支座時會在拱間相互擠壓，形成土拱效應[15]，進而調動自身抗滑效應對拱后的土體有一定的支撐作用，拱間的橫裂縫就是因為拱前后土體運動速度不一致而形成的；當裂縫發育貫穿拱支撐部位后，拱后的土體會失穩與拱前土體相接并一起加速運動，拱間橫縫完全消失。

對比分析試驗1與試驗3可知：兩組試驗在大滑動前幾秒坡體后緣拉裂縫均為突然出現，且快速貫穿模型，隨后整體發生大滑動；在發生大滑動時后緣位移監測點位移量均最大。不同之處在于，單段式大滑動前坡面無位移信息，而兩段式其下部先有裂縫信息，但在大滑動時上部土體快速下滑與下部土體相接，下部土體裂縫被掩蓋，然后以整體形式繼續下滑。說明兩段拉力筋在滑坡整體滑動前可觀察到更多的裂縫信息，無鎖固體條件下邊坡的滑動具有突發性和整體性。

對比試驗2與試驗4可知：兩組試驗的支撐拱形成的時間與拱后土體監測到位移信息的時間一致，均為牽引力-時間曲線峰值時刻；土拱與拱后裂縫貫穿被破壞的時刻均為牽引力-時間曲線峰值過后；拱后最大像素位移值分別為53與15，拱前最大像素位移值分別為85與90，拱后土體的像素位移量最小，而且后緣拉裂縫延伸擴展均較弱，說明支撐拱在一定程度上阻止土體的下滑，具有抗滑作用；其中兩段式鎖固效果更好，原因是兩段式在第一個土拱被破壞后又能繼續形成新的土拱來抵抗拱后土體的下滑。對于試驗2單段式拉力筋而言，拱支座位于滑面的中上部。而試驗4兩段式拉力筋，由于滑坡的中下部先運動，此時拱支座不起作用，當第二段拉力筋受力對中上部滑體作用時，拱支座相當于處在第二段拉力筋的中部位置。

對比試驗3與試驗4可知：兩組兩段式拉力筋試驗的前期，與第一段拉力筋作用時期的試驗現象相同，均為中下部土體出現對稱的裂縫信息，上半部土體出現位移信息時刻均為牽引力-時間曲線峰值時刻。不同之處在于，無鎖固體條件下，在大滑動時上半部土體會快速滑動與下部土體相接，然后以整體形式發生大滑動；而存在鎖固體時，上半部土體為蠕滑，并不會快速與下半部相接，下半部土體的裂縫繼續發育，不以整體的形式破壞。

4 結論

1)未加鎖固體條件下，單段和兩段式坡體的牽引力-時間曲線峰值過后陡降，坡體發生大滑動，破壞形式具有整體性和突發性。加裝鎖固體條件下，單段和兩段式坡體的牽引力-時間曲線峰值過后均為慢速下降，坡體的破壞形式為慢速蠕滑。

2)未加鎖固體條件下，單段和兩段式坡體的最大牽引力分別為39.5 N和35.7 N，后緣裂縫貫穿模型。加裝鎖固體后，單段和兩段式坡體的最大牽引力分別為55.7 N和50.0 N，極限力值提升40%，拱后土體位移最小且后緣裂縫發育較弱，鎖固體對拱后土體的穩定性有一定的控制作用。

3)在牽引力-時間曲線初到峰值時，土拱形成；在峰值維持階段拱間橫縫閉合度保持穩定，此時支撐拱對拱后土體有支撐作用。隨后，牽引力-時間曲線下降，拱前后裂縫逐漸穿過拱支座而貫通，支撐拱被破壞，拱后土體下滑使拱間橫縫逐漸閉合。

本文初步探索了單段和兩段式拉力筋條件下支撐拱式鎖固型滑坡的變形演化特征，對于不同間距和位置的拱支座等變量所形成的支撐拱,其對拱后土體支擋的效果有待進一步研究。