切坡影響下緩傾順層紅層邊坡變形的演化過程

邵銀龍，楊皓然，王俊杰，楊 洋

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098； 2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122； 3.重慶交通大學河海學院，重慶 400074； 4.華東勘測設計院(福建)有限公司，福建 福州 350003)

紅層是經紅色陸相沉積而成的白堊紀、侏羅紀地層，廣泛分布于我國西南地區，以砂泥巖為主，多為軟硬互層結構。由于紅層巖體強度較低，風化程度高，且含有大量蒙脫石、伊利石等礦物成分，因此吸水易軟化，失水易崩解[1-2]，這種特殊巖性往往導致紅層邊坡對外界因素的敏感性較高，穩定性易受擾動。隨著道路及水利工程建設項目的與日俱增，山區及庫岸紅層邊坡切坡失穩案例屢見不鮮[3-4]。

目前對于紅層邊坡切坡失穩機制的研究多以定性分析及數值模擬為主。胡厚田等[5-6]根據巖體結構特征，劃分了紅層巖坡典型類型并分析了其變形破壞模式，同時指出降雨入滲及切坡開挖為紅層坡體主要致災成因；蔣正等[7]基于西南地區紅層邊坡特征統計，采用Sarma法、赤平投影法對坡體穩定性作出了評價，研究表明順層紅層坡體以層面為潛在滑移面，主要失穩機制為拉裂-滑移破壞模式，而反向坡受差異性風化作用影響明顯，易產生危巖體，發生拉裂-崩塌破壞；武鑫等[8]采用數學回歸模型，對坡體變形演化作出了預測；侯李杰等[9-11]采用數值模擬手段對紅層坡體切坡后的變形規律及應力特征進行了研究。然而定性分析無法定量反映外界條件影響下的坡體形態及位移和應力變化特征，數值模擬由于模型邊界尺寸、網格劃分標準及參數選取存在一定差異而導致結果需要進一步驗證，因此需要引入物理模型試驗結合定性分析與數值模擬進行直觀系統的研究。Fumagalli[12]基于意大利瓦意昂拱壩潰壩事件，首次建構了大比例尺(幾何比尺CL=35)下的三維物理模型試驗，較形象地模擬了拱壩壩基巖體滑動失穩過程；Mohammed等[13]建立了三維可變形粒狀滑坡模型，模擬了顆粒料坡體動態滑動過程；Braathen等[14]研究了挪威境內巖石邊坡破壞模式，并提出了邊坡破壞的地質力學模型；何劉等[15]采用單向振動試驗臺模擬了動荷載下順層巖質邊坡物理模型變形破壞過程和加速度分布情況；李祥龍等[16]用離心機分析了小比尺層狀節理巖體邊坡物理模型的動力響應情況；宋婭芬等[17]依據地質分析及相似理論建立紅層軟硬巖互層邊坡室內框架物理模型，模擬了工程切坡和雨水入滲情況下邊坡變形破壞機制，結果表明軟硬巖互層邊坡的變形模式都是前期的滑移拉裂變形和后期的整體蠕滑變形，破壞模式是以深部軟層為滑動面的整體滑移。

上述研究對象多為巖層傾角大于30°的陡傾順層邊坡，而對于巖層傾角處于12°～25°的緩傾順層紅層邊坡研究還比較少。一般認為緩傾順層坡體穩定性較好，然而由于紅層坡體內常含有軟弱泥巖夾層，軟弱結構面經切坡外露于臨空處，上部巖層易沿其發生滑動失穩。2005年6月，在建滬蓉西高速公路三疊系紅層區域受切坡施工擾動，多處緩傾順層邊坡發生滑動失穩，其中朝陽坡服務區更是產生了約800萬m3的滑坡體，迫使18戶約62人居住的村莊整體搬遷。2014年7月，四川省阿壩藏族羌族自治州茂縣國道213線路段山體由于切坡而發生滑塌，塌方體沖垮了超過100 m的國道線路，修復費用高達數億元；同時近年來發生的四川省達州市達川區青寧鄉滑坡、宣漢縣天臺鄉滑坡以及重慶雞尾山滑坡等，都是屬于緩傾順層紅層滑坡，給當地人民的生命財產安全造成了極大的威脅。因此弄清緩傾順層紅層切坡失穩致災機理，對減小紅層滑坡帶來的經濟損失和人員傷亡具有重要意義。本文依托德遂高速公路沿線典型緩傾順層紅層邊坡，采用物理模型試驗方法研究該類邊坡在工程切坡下的變形演化過程，探討緩傾順層紅層邊坡切坡后的坡體形態變化特征、位移變形及應力調整規律，以期為同類邊坡的研究提供參考。

1 研究區地質概況

以德陽中江至遂寧高速公路K80+680～K81+280為研究區域，該路段設計長度600 m，剖面左側沿196°方向開挖。研究區屬低山丘陵地貌區，山體坡向約200°，坡度一般25°～30°，地形起伏較大，坡面植被較發育，排水條件較好，經調查，斜坡未發現開裂變形跡象，現狀穩定，區域內未發現滑坡、崩塌、泥石流等不良地質現象，自然斜坡整體穩定性較好，工程現場如圖1所示。

圖1 研究區工程現場

研究區地層巖性主要為白堊系下統白龍組(K1b)砂質泥巖、泥巖及砂巖，由以下幾部分構成：①6-3-2(K1b)強風化砂巖。棕紅色，砂質結構，層狀構造，礦物成分以石英、長石為主，節理裂隙發育，巖芯破碎，多呈短柱狀、塊狀，錘擊易碎，層厚1.30～6.60 m。②6-3-3(K1b)中風化砂巖。棕紅色、灰黃色，砂質結構，層狀構造，礦物成分以石英、長石為主，節理裂隙較發育，巖芯呈短柱狀、柱狀，巖質較硬，錘擊不易碎，RQD為65%，層厚1.60～25.40 m。③6-1-6(K1b)中風化砂質泥巖。紫紅色，泥質結構，層狀構造，礦物成分以黏土礦物為主，泥質膠結，砂質含量較高，節理裂隙稍發育，巖芯完整，多呈柱狀，巖質軟，錘擊易碎，巖芯遇水軟化，失水干裂，RQD為90%，層厚1.40～3.30 m。巖層產狀248°∠20°，坡體上部中風化砂巖層發育多條陡傾裂隙，裂隙面光滑平直，擦痕清晰可見。裂隙傾角處于55°～75°之間，相鄰裂隙間距10～15 m，坡體內含有1.5 m厚的中風化砂質泥巖層，破碎程度較高，遇水易軟化，失水易干裂，是主要控制該坡體穩定性的軟弱泥巖夾層，且開挖后將形成20～30 m緩傾順層邊坡，如圖2所示(圖中水平距離以坡頂處為起點)。

圖2 研究區工程地質剖面

2 模型試驗設計

2.1 相似比設計

原型邊坡范圍：左側坡頂高度約80 m，右側高度約50 m，開挖高度約28 m，層面傾角20°。因此該邊坡物理模型擬設計為二維框架式模型，依據邊坡原型尺寸及室內框架大小，確定試驗中模型與原型幾何相似比為1∶100，即模型邊坡左側高度約80 cm，右側高度約50 cm，開挖高度約28 cm，其中軟弱泥巖夾層厚度約1.5 cm?；谙嗨圃?，選取幾何相似比尺CL=100，容重相似比尺Cγ=1.3，由相似判據求得邊坡模型試驗中的應力相似比尺、抗剪強度相似比尺、彈性模量相似比尺、黏聚力相似比尺均為幾何比尺和容重比尺的乘積，即CLCγ=130，泊松比相似比尺、應變相似比尺、摩擦因數相似比尺和內摩擦角相似比尺均為1。

2.2 相似材料設計

基于現場工程地質勘察資料，并結合《工程地質手冊》[18]可綜合得出該路段邊坡主要物理力學參數值如表1表示。

表1 原型邊坡巖體物理力學參數值

模型試驗中巖體相似材料通常采用分層澆筑和預制塊體兩種方式進行砌筑，由于原型坡體內中風化砂巖體存在多條陡傾裂隙，因此巖體相似材料采用預制長方體塊。模型試塊以鐵精粉、重晶石粉為細骨料，石英砂為粗骨料，石膏、水為膠結材料，其中鐵精粉粒徑為74 μm，重晶石粉粒徑為44 μm，石英砂粒徑為420～840 μm。參考劉曉敏等[19]對巖體相似材料的配比試驗成果，將上述材料按照鐵精粉、重晶石粉、石英砂、石膏、水為0.17∶0.57∶0.11∶0.05∶0.04的比例均勻拌和。將所拌和的相似材料倒入預制的長方體模具并養護晾曬，最后脫模為尺寸15 cm×10 cm×3 cm的巖體模塊，如圖3所示。巖體相似材料容重為21.2 kN/m3，泊松比為0.28，變形模量為120.2 MPa。

圖3 巖體相似材料模塊

基于前人的研究成果[20-21]，選用黏土、混合砂和滑石粉并加入少量水來模擬軟弱泥巖夾層。所選材料應滿足：①黏土粒徑不大于0.1 mm；②混合砂篩選0.25～0.5 mm、0.5～1 mm兩類粒徑砂混合而成；③滑石粉具有微細無砂特性。黏土、混合砂和滑石粉配比為0.52∶0.37∶0.15，并保持試樣的含水率為19%，得到的軟弱泥巖夾層相似材料黏聚力為0.85 kPa，內摩擦角為16.25°。

2.3 試驗方法及過程

根據原型邊坡地質剖面、緩傾順層結構面特征，在模型框內將預制好的巖體相似模塊砌筑成20°緩傾角的順層邊坡模型，左右相鄰巖體模塊間接觸面可視為坡體內潛在的陡傾裂隙，裂隙傾角約70°。模塊間無黏結，模型坡體內一定深度埋設軟弱泥巖夾層相似材料，然后進行切坡開挖模擬，研究坡體變形特征及應力調整規律。

用百分表監測位移，根據邊坡位移來揭示切坡開挖下坡體內的變形規律；在模型體的開挖線附近、坡體中部及后緣共布置5個百分表監測點，每個監測點放置兩個百分表用于測量水平和豎直位移。本文模型試驗是模擬邊坡開挖后不加支護情況下的工況，切坡分3級進行，每級切坡完成后靜置一段時間，在切坡完成后1 h、2 h、3 h、6 h和12 h讀取百分表讀數，然后進行下一級切坡。位移監測點布置和切坡開挖情況如圖4所示。布置位移監測點時，首先在模型體上繪出監測點的位置，將1 cm×1 cm×1 cm的立方體小木塊用502強力膠水粘貼在模型塊位移監測點位置。試驗所用百分表安裝于獨立于模型體外的鋼架上，其布置及安裝如圖5所示。

圖4 測點布置和切坡開挖示意圖

圖5 百分表布置安裝

在軟弱泥巖夾層內埋設應變式微型土壓力盒來監測分級切坡卸荷下坡體應力變化，以此探討切坡后緩傾順層邊坡應力調整規律。應變式微型土壓力盒采用專門定制的南京丹陌電子科技有限公司生產的DMTY系列，直徑為12 mm，厚度為4 mm。應變式微型土壓力盒埋設位置見圖4。

圖7 切坡后坡體形態特征

使用江蘇東華測試儀器公司生產的DH-3821靜態應變測試儀采集數據，該靜態應變測試儀與DMTY應變式微型土壓力盒均采用全橋方式連接，在計算機上安裝DH動態信號采集分析系統，自動記錄DH-3821靜態應變測試儀采集的數據。緩傾順層紅層邊坡模型砌筑完成后，安裝位移測試百分表和DMTY應變式微型土壓力盒，并將土壓力盒數據線采用全橋方式連接至DH-3821靜態應變測試儀。物理模型如圖6所示。

圖6 緩傾順層紅層邊坡物理模型

3 試驗結果與分析

3.1 坡體形態特征

試驗過程中在采集坡體位移和應力數據的同時，也對切坡過程中坡體形態特征進行觀察。一級切坡完成靜置一段時間后，在距離開挖面10～15 cm處觀察到裂隙逐漸向深部發育，其走向與開挖面平行，傾角為70°左右，但延展深度較淺，如圖7(a)所示；二級切坡完成后，該裂隙不斷向坡體內部延伸，同時坡體后緣多條張拉裂隙緩慢發育，百分表位移讀數變化趨勢較前級切坡更為明顯，如圖7(b)所示；三級切坡后，開挖面附近裂隙逐漸貫通，軟弱泥巖夾層外露，坡體位移增大。一段時間后，上部坡體沿軟弱泥巖夾層面呈現整體滑動特征，如圖7(c)所示。

上述坡體形態特征演化過程可歸納為典型的拉裂-滑移式破壞，即切坡卸荷后，坡體內應力重新調整分布，大小主應力在切坡面附近發生偏轉從而因應力差而在坡腳產生剪應力集中帶，同時坡體頂部及后緣由于拉應力集中而形成張拉應力帶，致使坡內潛在裂隙逐漸發育擴張。隨著切坡卸荷量增大，張拉裂隙向深部延展度增加，當坡體內部軟弱結構面因切坡而外露于臨空面后，張拉裂隙前緣巖體在自重作用下沿下伏軟弱層面出現剪切滑移，且軟弱結構面強度愈低，滑移趨勢愈明顯。

3.2 坡體變形規律

圖8為各位移監測點水平和豎直位移-時間曲線(圖中水平位移向臨空面方向為正，豎直位移向上為正)，可以明顯觀察到緩傾順層軟巖邊坡各監測點位移隨分級切坡而不斷增大，且監測點處水平位移高于豎直位移，這區別于陡傾順層邊坡滑動過程豎直位移高于水平位移的規律，因此緩傾順層邊坡失穩往往規模大、破壞強，且波及范圍更廣。切坡至軟弱泥巖夾層前，位移監測點5的水平和豎直位移分別為0.172 mm和0.069 mm，換算為實際坡體位移為17.2 mm和6.9 mm；三級切坡至軟弱泥巖夾層后，坡體變形速率明顯增大，靜置24 h后，位移監測點5處的水平和豎直位移就增長至4.935 mm和1.893 mm，換算為實際坡體位移為493.5 mm和189.3 mm。

圖8 切坡過程位移-時間曲線

同時在切坡各階段，發現坡體位移監測點5即切坡臨空面頂部變形最大，而位移監測點1即坡體后緣中部變形最小，這也與切坡過程中觀測到的坡體形態特征變化規律相符。其原因在于緩傾順層邊坡的變形破壞是一個漸進式過程，尤其在坡體內陡傾裂隙分布較廣的情況下，一級切坡后靠近卸荷面附近的裂隙擴張并向深部延展，裂隙前緣巖體就已經具備向臨空面滑移的趨勢，而此時后緣巖體裂隙并未擴張，裂隙兩側巖塊結合仍較緊密，因此產生的位移較小。隨著下一級切坡進行，卸荷量增加，前緣巖體向臨空面滑動，恰好作為后緣巖體的臨空面，引發后緣巖體中應力改變，導致拉裂變形破壞依次向后緣坡體發展，從而出現漸進式整體滑移。

此外從各階段位移-時間曲線可以發現不管是豎直位移還是水平位移，切坡完成后坡體變形速率會在短時間內突然增大，而后隨靜置時間變長而趨于穩定。因此可將試驗過程中坡體的變形分為兩個部分，即切坡階段所產生的卸荷變形及靜置階段所產生的蠕滑變形。對于卸荷變形而言，其屬于淺表生改造的結果，雖然產生時間短但卸荷變形值甚至超過了長時間靜置的蠕滑變形值。正因為卸荷改造降低了結構面的強度特性，使一定范圍內結構面的強度從峰值降低到殘余值，從而為邊坡后續蠕滑變形創造了條件。而蠕滑變形值在前兩級切坡后增長緩慢，原因在于砂巖雖已中風化但結構面殘余強度仍較高，同時結構面傾角處于緩傾狀態，因此蠕滑速率較低。但三級切坡至軟弱泥巖夾層后，坡體蠕滑變形速率迅速增大而接近于卸荷變形速率，從而使坡體呈現整體蠕滑變形特征，圖7(c)也可以觀察到這種整體滑移現象。

上述邊坡變形規律表明含軟弱泥巖夾層的緩傾順層紅層邊坡切坡后若不及時采取相應的支護措施，就很容易引發滑坡工程地質災害。因此緩傾順層紅層切坡之前應對邊坡地質環境進行詳細勘察，尤其要探查清楚坡體內是否存在軟弱夾層及破碎帶，如有軟弱夾層及破碎帶應采用抗滑樁或預應力錨索等措施提前支護，并在坡面設置截排水系統，同時切坡后應在坡腳及坡頂等易發生大變形部位設置監測點對位移進行監測。

3.3 坡體應力調整分析

基于DH-3821靜態應變測試儀對坡體內部應力采集結果，繪制應力監測點沿層面方向的應力-時間曲線如圖9所示。圖9表明模型坡體內部監測點應力隨切坡進程總體呈現下降趨勢，即坡內應力受切坡擾動而出現應力釋放現象。同時可以看出切坡面附近應力監測點3處應力釋放量最大，而坡體中部應力監測點2及坡體后緣應力監測點1處應力釋放量較小，說明坡體前緣受切坡擾動較為明顯而坡體后緣擾動較小，這也從側面證明了緩傾順層邊坡失穩是由卸荷牽引后緣巖體逐漸向臨空面滑移的漸進性過程。但從持續量測過程可以發現坡體內各監測點處應力并不是單調降低，而是增減交互出現的。究其原因在于切坡過程中內部大小主應力發生偏轉使監測點附近的應力出現暫時增大的現象，但坡體應力隨時間推移還是呈現整體降低的趨勢，即應力隨切坡逐步釋放。

圖9 切坡過程應力-時間曲線

4 結 論

a.緩傾角20°的順層紅層邊坡的破壞模式為典型的拉裂-滑移式，即切坡后，坡體前緣阻滑段臨空，巖層結構面外傾于臨空面，因卸荷松弛導致坡體后緣出現拉應力集中而產生張拉裂隙，隨著進一步切坡，張拉裂隙不斷發育并向坡體深部延展，且愈靠近切坡面張拉裂隙發育程度愈高。當張拉裂隙貫通至潛在滑移面后，滑移面上部巖體在重力作用下沿滑移面發生滑動。

b.緩傾順層紅層邊坡坡體位移均隨分級切坡而不斷增大，且水平位移均高于豎直位移，同時切坡面附近產生的位移相對于坡體其他部位較大。

c.緩傾順層紅層邊坡的總體變形主要由切坡階段卸荷變形及靜置階段蠕滑變形兩部分組成，切坡卸荷降低了結構面的強度特性，使一定范圍內結構面的強度從峰值降低到殘余值，從而為邊坡后續蠕滑變形創造了條件。切坡至軟弱泥巖夾層前卸荷變形大小及速率均高于蠕滑變形，切坡至軟弱泥巖夾層后坡體卸荷變形低于蠕滑變形，且蠕滑變形速率遠高于切坡至軟弱泥巖夾層前。

d.切坡面附近部位應力受切坡擾動較為明顯，而坡體中部及后緣應力受切坡擾動較小。同時切坡過程坡內應力有增有減，但總體呈現下降趨勢，即應力隨切坡逐步釋放。

e.緩傾順層紅層邊坡切坡之前應對邊坡地質環境進行詳細勘察，若遇不良工程隱患，應提前采取相關措施進行處理，以防止坡體切坡后產生較大變形。