黃小龍，王志斌，姚 亮，胡錫鵬

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

水平成層土質(zhì)邊坡破壞機(jī)理研究

黃小龍，王志斌，姚 亮，胡錫鵬

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

針對(duì)水平成層土質(zhì)邊坡的成層特性，建立室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)M其承載特性以及破壞機(jī)理，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)與室內(nèi)模型試驗(yàn)相互驗(yàn)證分析，得到了層狀邊坡在坡頂加載情況下的荷載-位移規(guī)律、極限承載力、滑動(dòng)面形態(tài)和位置。研究結(jié)果表明，極限承載力隨分層厚度的增大而增大，而邊坡高度對(duì)極限承載力的影響甚微。再運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行拓展分析，利用成層土坡與均質(zhì)土坡破壞機(jī)理的聯(lián)系得到了成層土坡剪出高度與加載寬度以及坡比的關(guān)系，同時(shí)得到了水平成層土坡不同破壞模式的臨界坡比，所得結(jié)果對(duì)實(shí)際工程具有一定的參考意義。

巖土工程；水平成層土質(zhì)邊坡；破壞機(jī)理；極限承載力；剪出高度

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)的土木工程建設(shè)也隨之高速發(fā)展，如鐵路、高速公路、水電水利設(shè)施、民用建筑的建設(shè)方興未艾。伴隨著工程的建設(shè)，各種開(kāi)挖和堆填的邊坡越來(lái)越多，高度與復(fù)雜性越來(lái)越大。例如北京至福州高速公路中福建段200多公里內(nèi)高度大于40 m的邊坡有180多處；寶成鐵路中陜西省寶雞到四川省綿陽(yáng)區(qū)段，大部分地區(qū)為深山峽谷，山坡陡立，河道蜿蜒，自然斜坡一般均接近其臨界坡度，穩(wěn)定性都較差，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅這段鐵路中開(kāi)挖的邊坡數(shù)量達(dá)293處，累計(jì)長(zhǎng)度有79.7 km。

在實(shí)際工程建設(shè)中，水平成層邊坡是一種常見(jiàn)的工程現(xiàn)象[1-2]，例如填方路堤邊坡[3]、全風(fēng)化沉積巖邊坡[4]等，所涉及的邊坡幾近于水平成層。為了研究該類(lèi)特殊邊坡的破壞模式及其工作性狀[5-6]，本課題組采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法進(jìn)行模擬試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)值模擬分析與室內(nèi)模型相互驗(yàn)證，對(duì)水平層狀土質(zhì)邊坡進(jìn)行拓展研究。

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)

采用室內(nèi)小型模型箱模擬水平層狀土質(zhì)邊坡在外荷載作用下的工作性狀、承載特性以及破壞機(jī)理。模型箱尺寸為220 cm×167 cm×220 cm。試驗(yàn)過(guò)程主要包括：模型制作、模型加載、模型開(kāi)挖。

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康囊约霸囼?yàn)的可行性與有效性，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件和設(shè)備，將本次試驗(yàn)分為5個(gè)方案，坡比均為1:1，坡面無(wú)約束，模型箱底面、左右側(cè)面、后擋板均采用大剛度鋼板焊接，視作無(wú)變形體。各方案模型尺寸如表1所示，圖1是以A-1方案為例的模型填筑示意圖（虛線部分表示軟弱土層）。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀纬叽鏣able 1 Geometric dimension of experimental models

圖1 A-1試驗(yàn)方案示意圖Fig. 1 A-1 test program schematic

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

在模型試驗(yàn)之前，首先對(duì)試驗(yàn)所用的填筑土體以及層間材料進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)，主要包括：含水率試驗(yàn)、土粒比重試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)，以及在后期模型破壞試驗(yàn)中的壓實(shí)度檢測(cè)試驗(yàn)、快剪試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)。試驗(yàn)得到的填土及層間土基本參數(shù)如表2所示。由于模型填筑過(guò)程中存在水分蒸發(fā)，按高于擊實(shí)試驗(yàn)[7]所確定的最佳含水率（20.2%）1%～2%的含水率對(duì)土樣進(jìn)行拌合。將拌合好的土樣按照各方案設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行分層填筑，按照90.2%的壓實(shí)度對(duì)土體進(jìn)行壓實(shí)，利用模版形成坡面。在模型填筑壓實(shí)完畢后，對(duì)坡面進(jìn)行平整度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足要求后開(kāi)始安裝加載裝置以及測(cè)量裝置。采用20 t千斤頂和模型箱上部反力梁來(lái)施加荷載，采用20 t壓力傳感器來(lái)控制加載力的大小，采用量程為50 mm的百分表測(cè)量坡頂沉降和坡面位移。圖2為A-1方案百分表布置圖，其余方案類(lèi)似。

表2 土樣物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanics parameters of soil samples

圖2 方案A-1百分表布置圖Fig. 2 Layout of dial indicator for scheme A-1

在模型填筑完畢，測(cè)量裝置安裝就位之后，將模型靜置2 d，使模型內(nèi)部土體達(dá)到初始應(yīng)力平衡，并且記錄初始平衡狀態(tài)的儀器讀數(shù)作為初始值；接下來(lái)開(kāi)始加載，初期加載等級(jí)[8]為5 kN（約33 kPa），破壞期為1 kN（約7 kPa）。當(dāng)邊坡開(kāi)始出現(xiàn)比較明顯的裂縫時(shí)，降低加載等級(jí)，加大觀測(cè)頻率。至無(wú)法施加更大荷載時(shí)停止加載。待模型破壞之后，拆除加載及測(cè)量裝置，將模型對(duì)半開(kāi)挖，觀察其破壞面，并且拍照記錄。加載裝置和測(cè)試設(shè)備安裝如圖3所示。

圖3 模型試驗(yàn)加載裝置和測(cè)試設(shè)備Fig. 3 Loading equipment and testing equipment for model experiments

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

模型試驗(yàn)完成之后，將各試驗(yàn)方案得到的位移、沉降數(shù)據(jù)整理得到荷載-位移曲線，用計(jì)算機(jī)對(duì)破壞面進(jìn)行擬合。

2.1 荷載-坡頂沉降

圖4為5組試驗(yàn)坡頂沉降隨荷載變化的曲線。由圖可以看出，5組曲線變化趨勢(shì)基本相同，在施加荷載的過(guò)程中，以2個(gè)界限荷載將邊坡位移特征區(qū)分為3個(gè)階段，即壓密變形階段、局部剪切階段和整體破壞階段。通過(guò)對(duì)比5組方案的位移-荷載曲線發(fā)現(xiàn)，土層厚度越大，邊坡極限承載力越高，反之則承載力越低；而在坡率、加載方式及分層厚度相同的情況下，邊坡高度對(duì)極限承載力的影響不明顯。

圖 4 各試驗(yàn)方案頂面荷載-坡頂沉降變化曲線Fig. 4 The variation curves of top load-top settlement for all experiment schemes

2.2 荷載-坡面位移

圖5為方案A-1各百分表荷載-位移變化曲線，其中圖5a為坡面沉降與施加荷載的關(guān)系曲線， 圖中2#, 3#, 4#百分表距坡頂?shù)母叨确謩e為20, 40, 60 cm；圖5b為坡面水平位移與荷載的關(guān)系曲線，圖中6#, 7#, 8#, 9#百分表距坡頂?shù)母叨确謩e為20, 40, 60, 80 cm。

由圖5a可知，2#百分表坡面沉降隨荷載的增加而呈負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，3#百分表曲線基本保持水平，4#百分表沉降值隨荷載增加有增大的趨勢(shì)，可見(jiàn)當(dāng)邊坡破壞時(shí)，局部破壞主要發(fā)生在距離坡頂0～40 cm范圍內(nèi)。

由圖5b可知，4條曲線變化趨勢(shì)基本相同，只是變化幅值相差較大，其中7#百分表變化幅度最大，6#, 8#, 9#百分表幅度依次減小，7#百分表位置恰好處于滑動(dòng)面剪出位置。

圖5 方案A-1荷載-位移變化曲線Fig. 5 The variation curve of load-displacement for scheme A-1

2.3 破壞面形態(tài)與位置

將破壞后的模型對(duì)半開(kāi)挖，結(jié)合對(duì)試驗(yàn)過(guò)程以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的觀察與分析，滑動(dòng)面首先在坡頂加載板后緣附近出現(xiàn)，隨著荷載的增大，滑動(dòng)面逐漸以圓弧的形式向邊坡內(nèi)部延伸，延伸至分層面位置時(shí)，開(kāi)始沿分層面滑動(dòng)，直至從坡面剪出，邊坡發(fā)生局部破壞?；瑒?dòng)面整體形態(tài)為圓弧滑動(dòng)面與直線段的組合型滑動(dòng)面。以A-1試驗(yàn)方案為例，滑動(dòng)面整體形態(tài)如圖6所示。

圖6 方案A-1模型滑動(dòng)面圖Fig. 6 Model sliding surface of A-1 scheme

通過(guò)對(duì)比分析5組方案的滑動(dòng)面，發(fā)現(xiàn)在坡比一定時(shí)，邊坡剪出高度（剪出面距坡頂?shù)木嚯x）主要與坡頂加載的方式（如加載梁的剛度、寬度、位置）以及邊坡分層厚度相關(guān)。A-3模型盡管剪出位置高于其它模型，但其滑動(dòng)面的圓弧曲面曲率更大，平面段更長(zhǎng)。幾組模型剪出位置如表3所示。

表3 各試驗(yàn)方案滑動(dòng)面剪出位置Table 3 The shear positions of sliding surface for each scheme

3 數(shù)值模擬分析

3.1 概述

FLAC3D基本原理是采用有限差分中的拉格朗日連續(xù)介質(zhì)法。對(duì)于高邊坡失穩(wěn)而言，該方法能夠跟蹤高邊坡中任一點(diǎn)的歷史，分析影響高邊坡失穩(wěn)的主導(dǎo)因素。利用FLAC3D解決實(shí)際問(wèn)題，主要有模型建立與計(jì)算求解2個(gè)步驟。模型建立主要包括：設(shè)計(jì)模型尺寸、劃分網(wǎng)格、設(shè)定材料參數(shù)、設(shè)置邊界條件等。計(jì)算主要采用強(qiáng)度折減法，以滑體由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及產(chǎn)生較大塑性變形且變形值不為定值作為邊坡失穩(wěn)判據(jù)。

本文在采用FLAC3D中的強(qiáng)度折減法求解時(shí)，將巖土體假設(shè)為理想的彈塑性材料，本構(gòu)模型采用Mohr -Coulomb準(zhǔn)則，土樣物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。3.2 加載寬度對(duì)剪出位置的影響

圖7為A-1方案以及均質(zhì)土坡剪出位置與加載寬度的關(guān)系。

圖7 層狀邊坡剪出位置與加載寬度的關(guān)系Fig.7 Relationship of load width and cut-out position of layered slope

由圖7中層厚為20 cm時(shí)的曲線可知，對(duì)于水平成層土質(zhì)邊坡，其滑動(dòng)面與坡面交點(diǎn)距離坡頂?shù)木嚯x與加載寬度的關(guān)系曲線主要呈階梯型上升趨勢(shì)。

由室內(nèi)模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬分析可知，水平成層在坡比為1:1時(shí)，其破壞方式為圓弧+直線型破壞，其剪出位置與均質(zhì)土坡剪出位置存在聯(lián)系。當(dāng)均質(zhì)土坡與水平成層邊坡具有相同幾何形態(tài)及相同土力學(xué)性質(zhì)時(shí)（軟弱夾層除外），假設(shè)作用于2種邊坡坡頂?shù)木己奢d寬度相同。運(yùn)用前面得到的均質(zhì)土坡剪出位置與加載寬度之間的關(guān)系曲線，可以得到均質(zhì)土坡的剪出位置。將均質(zhì)土坡的滑動(dòng)面與坡面交點(diǎn)位置映射至水平成層邊坡坡面上，當(dāng)該點(diǎn)恰好位于軟弱夾層位置時(shí)，剪出位置為該點(diǎn)位置；當(dāng)該點(diǎn)位于2個(gè)軟弱夾層之間的坡面上時(shí)，如果該點(diǎn)距上層軟弱夾層距離小于距下層軟弱夾層距離，則滑動(dòng)面沿上層軟弱夾層剪出，反之則沿下層軟弱夾層剪出。

根據(jù)上述關(guān)系結(jié)合均質(zhì)土坡滑出位置與加載寬度關(guān)系的擬合方程，對(duì)水平成層土坡滑動(dòng)面和坡面的交點(diǎn)距坡頂?shù)拇怪本嚯x與加載寬度之間關(guān)系的方程為

式中：y為滑動(dòng)面與坡面交點(diǎn)距坡頂?shù)拇怪本嚯x；

H為均質(zhì)土坡在坡頂加載寬度為x時(shí)的剪出高度， ；

h為成層土坡分層厚度；

n為H/h的最大整數(shù)解。

3.3 不同坡比對(duì)滑出位置的影響

由室內(nèi)模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬分析可知，在保持加載范圍不變，層厚不變的情況下，不同的坡比對(duì)滑出位置的影響較明顯。方案A-1剪出高度跟坡比的關(guān)系如圖8所示；坡比為2:1和2:3時(shí)，剪出高度與加載寬度的關(guān)系對(duì)比曲線如圖9所示。

圖8 剪出高度與坡比的關(guān)系Fig. 8 The relationship of slope ratio and cut height

圖9 不同坡比下剪出高度與加載寬度的關(guān)系對(duì)比Fig. 9 The relationship of height cut and load width for different slope ratios

由圖8可知，當(dāng)坡比小于1.4時(shí)，滑動(dòng)面均從第二個(gè)夾層剪出（即距坡頂40 cm處），當(dāng)坡比大于1.4時(shí)，滑動(dòng)面則沿兩軟弱夾層之間的均質(zhì)土層剪出。通過(guò)圖9對(duì)比坡比為2:1和2:3的層狀邊坡在不同加載寬度作用下滑出位置的曲線，結(jié)合上述分析可知，當(dāng)層狀邊坡坡比越大時(shí)（邊坡越陡峭），水平層狀邊坡的剪出高度與加載寬度的“階梯式”關(guān)系越不明顯，其破壞面受軟弱夾層的影響越小，其破壞機(jī)理與均質(zhì)土坡破壞機(jī)理較相似（如圖10）。當(dāng)坡比越?。ㄟ吰略狡骄彛綄訝钸吰碌钠茐拿媸苘浫鯅A層的影響越大，甚至同時(shí)沿2條軟弱夾層滑出破壞（如圖11）。通過(guò)多組室內(nèi)模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬分析可知，層狀邊坡在改變坡比時(shí)，同樣具有一個(gè)“臨界坡比”，使得當(dāng)邊坡坡比大于該“臨界坡比”時(shí)，水平成層邊坡具有與均質(zhì)土坡相同的破壞模式；反之則以層狀邊坡的破壞機(jī)理破壞。而該“臨界坡比”大多在1.3～1.5范圍內(nèi)。

圖10 坡比為2:1時(shí)剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig. 10 Cloud chart of shear strain increment for slope ratio of 2:1

圖11 坡比為1:2時(shí)剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig. 11 Cloud chart of shear strain increment for slope ratio of 1:2

4 結(jié)論

1）在坡頂逐級(jí)加載的情況下，水平成層土質(zhì)邊坡的滑動(dòng)面，首先出露于坡頂加載板后緣；再以圓弧的形式向邊坡內(nèi)部延伸，延伸至分層面時(shí)沿分層面向坡外發(fā)展，最終從坡面剪出；最終滑動(dòng)面形式為圓弧+直線型。

2）在坡頂相同的條形荷載作用下，水平成層土質(zhì)邊坡分層厚度越大，其極限承載力越高；反之，極限承載力越低。在坡比、加載方式及分層厚度相同的情況下，坡體高度對(duì)極限承載力的影響不明顯。

3）水平成層土質(zhì)邊坡剪出高度隨坡頂加載范圍的增大呈階梯形增長(zhǎng)趨勢(shì)，且與相同條件下的均質(zhì)土坡的剪出高度存在緊密聯(lián)系。

4）水平成層土質(zhì)邊坡具有“臨界坡比”，當(dāng)坡比大于“臨界坡比”時(shí)，滑動(dòng)面呈圓弧型；反之則為圓弧+直線型。

[1] 楊淑碧，徐 進(jìn)，董孝壁. 紅層地區(qū)砂泥巖互層狀斜坡巖體流變特性研究[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，1996，7(2)：12-24. Yang Shubi，Xu Jin，Dong Xiaobi. Rheological Feature of Slope Rockmass Composed of Alternating Beds of Sandstone and Mudstone in Red Beds Area[J]. Journal of Geological Hazards and Environment Preservation，1996，7(2)：12-24.

[2] 周應(yīng)華，邵 江，羅陽(yáng)明. 近水平紅層邊坡變形破壞的力學(xué)機(jī)制分析[J]. 路基工程，2006(1)：6-7. Zhou Yinghua，Shao Jiang，Luo Yangming. Mechanical Mechanism Analysis of Approximate Level Red Bed Slope Deformation Failure[J]. Subgrade Engineering，2006(1)：6-7.

[3] 邵 江，李仁成，周德培，等. 近水平紅層路塹邊坡滑動(dòng)機(jī)理和防治對(duì)策[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2005，13(2)：174-178. Shao Jiang，Li Rencheng，Zhou Depei，et al. Preliminary Study of the Slip Mechanism and the Stoping Method on the Land Slide of the Approximately Horizontal Excavated Slope in Red Beds[J]. Journal of Engineering Geology，2005，13(2)：174-178.

[4] 劉才華，陳從新. 層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性[M]. 北京：科學(xué)出版社，2012：35-40. Liu Caihua，Chen Congxin. Layered Rock Slope Stability [M]. Beijing：Science Press，2012：35-40.

[5] 王志斌. 巖質(zhì)斜坡地基上填方路堤穩(wěn)定性研究[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2007. Wang Zhibin. Stability Analysis of Fill Embankments on Rock Slope[D]. Changsha：Central South University，2007.

[6] 王志斌，李 亮，楊小禮，等. 水平條分法在貼坡高填方路堤穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2007，20(3)：29-34. Wang Zhibin，Li Liang，Yang Xiaoli， et al. Application of Horizontal Slice Method in Stability Analysis of High Fill Embankments at Slope[J]. China Journal of Highway and Transport，2007，20(3)：29-34

[7] 南京水利科學(xué)院. SL237—1999 土工試驗(yàn)規(guī)程[S]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，1999：19-72 Nanjing Water & Power Institute. SL237—1999 Geotechnical Test Specification[S]. Beijing：China Water & Power Press，1999：19-72

[8] 白憲臣. 土工試驗(yàn)教程[M]. 開(kāi)封：河南大學(xué)出版社，2008：45-92. Bai Xianchen. Geotechnicall Test Tutorial[M]. Kaifeng：Henan University Press，2008：45-92.

（責(zé)任編輯：鄧光輝）

Mechanism of Horizontal Layered Soil Slope Failure

Huang Xiaolong，Wang Zhibin，Yao Liang，Hu Xipeng
（School of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan Hunan 411201，China）

For horizontal layered soil slope into a layer characteristics, establishes model tests to simulate the bearing characteristics and failure mechanism. By means of the mutual verification analysis of FLAC3Dnumerical simulation and indoor model tests, gets load - displacement law, ultimate bearing capacity and the sliding surface shape and position under the top loading of layered slope. The results show that the ultimate bearing capacity increases with the layer thickness increment, and the influence of slope height to the ultimate bearing capacity is minimal. Applies FLAC3Dfor expand analysis and uses the contact of failure mechanism between layered slope and homogeneous slope to obtain the relationship between layered slope cut height with load width and slope ratio, meanwhile obtains the critical slope ratio in different failure modes. The results have certain reference significance to the actual project.

geotechnical engineering；horizontal layered soil slope；failure mechanism；ultimate bearing capacity；cut height

TU449

A

1673-9833(2015)02-0026-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.02.005

2015-01-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51208523）

黃小龍（1990-），男，湖南湘潭人，湖南科技大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)閹r土與地下工程，E-mail：283854103@qq.com