孫立娟,　楊　濤,　成啟航,　吳丁丁

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室, 四川 成都 610031)

我國滑坡地質(zhì)災(zāi)害分布廣泛,牽引式滑坡作為一種重要的的滑坡形態(tài),在工程中十分常見.牽引式滑坡一般是斜坡前緣受到開挖或者侵蝕等出現(xiàn)局部失穩(wěn),邊坡下部土體首先發(fā)生滑動,坡腳支撐削弱,邊坡失穩(wěn)范圍不斷向上部延伸的一種坡體失穩(wěn)滑動[1-3].牽引式滑坡不是一次形成的,具有分級失穩(wěn)、逐漸貫通的破壞過程[4-5].很多大型滑坡通常是在降雨后一段時間內(nèi)發(fā)生,有明顯的滯后性[6-7],其主要原因是：雨水入滲侵入潛在滑帶,使滑帶土抗剪強度逐漸降低,當(dāng)抗滑力小于下滑力,坡體穩(wěn)定性喪失,引發(fā)滑坡災(zāi)害，如鷹廈鐵路K615滑坡[8],病害發(fā)展從坡腳液化泥漿開始,繼而坍塌發(fā)生小范圍滑動,又因降雨導(dǎo)致地下水量增加,使滑帶土飽和軟化,病害逐漸向上發(fā)展擴大,從而造成大規(guī)模的牽引式滑坡.降雨是滑坡失穩(wěn)的重要誘因.據(jù)統(tǒng)計,我國發(fā)生的大型災(zāi)難性滑坡中,約50%由強降雨引發(fā)[9].降雨致滑機理較復(fù)雜,持續(xù)降雨可導(dǎo)致滑體土容重增加,滑帶土飽水軟化及地下水上升等,其中,地表水入滲或地下水浸入潛在滑帶,導(dǎo)致滑帶土飽水弱化是滑坡失穩(wěn)的最主要原因.

以往的模型試驗一般通過坡面降雨逐漸提高滑帶土的含水量,從而模擬地下水對坡體穩(wěn)定性的影響[10-13].這些研究均是通過降雨導(dǎo)致滑體土容重增加、下滑力增大、巖土體抗剪強度降低,從而實現(xiàn)對邊坡降雨破壞的模擬.這種試驗方法對邊坡降雨失穩(wěn)機理研究是適合的.但對于大多數(shù)老滑坡而言,在地質(zhì)歷史時期已經(jīng)形成了滑動面,其復(fù)活失穩(wěn)多是因為滑帶土軟化導(dǎo)致的.因此,對于存在既有滑面的老滑坡,其滑帶飽水模擬比坡體飽水模擬更重要.現(xiàn)有方法難以實現(xiàn)雨水均勻入滲滑帶,多數(shù)情況是坡面淺層已被沖刷破壞,滑帶土卻尚未達到飽和[14-18].由于牽引式滑坡具有逐級失穩(wěn)的破壞特征，其滑帶被軟化過程亦是逐步發(fā)展的.目前的研究方法難以準(zhǔn)確模擬滑坡的漸進破壞過程，尚缺乏合適的試驗手段，仍需進一步探索.

本文設(shè)計研發(fā)了“分段式滑面底滲法”的模型試驗裝置,提出了能夠模擬滑坡體分級滑動的試驗方法,通過在滑帶底部均勻入滲地下水的方法,逐漸降低滑帶土抗剪強度以實現(xiàn)牽引式滑坡的漸進演化過程，并開展多種工況模型試驗,研究牽引式滑坡的變形發(fā)展規(guī)律和可能影響因素,為探索牽引式滑坡漸進失穩(wěn)機理提供新的思路.

1　“分段式滑面底滲法”試驗裝置

模型試驗裝置主要有模型箱、滲透裝置和注水裝置.模型箱尺寸為120 cm(長)×30 cm(寬)×80 cm(高).模型箱內(nèi)部主要用來實現(xiàn)滑體和滑帶的模擬,底部滑床認(rèn)為是固定不變的.按確定的滑面形狀固定好滲透盒后,在其上面鋪設(shè)2 cm厚滑帶土,在滑帶上填筑滑體土.模型箱四周均為透明鋼化玻璃,用以觀測滑坡體漸進破壞過程,并測量滑坡體裂縫位置和坡體變形.模型箱如圖1所示，圖中，1～11為滲透盒編號.

圖1　試驗?zāi)Ｐ拖?單位:cm)Fig.1　Model casing for test (unit: cm)

裝置主體是由11個滲透盒構(gòu)成滲透系統(tǒng),用來模擬分段式滑面.滲透盒內(nèi)部空置,平面尺寸30 cm(長)×12 cm(寬)×2 cm(高),由壁厚1 mm的鋼板制作而成.滲透盒頂部為細(xì)孔均布的蓋板,孔徑和孔距分別為1.0 mm和1.5 mm.滲透盒底部連注水管,內(nèi)部用泡沫和毛巾填充,以保證滲透盒表面均勻透水.試驗時,滲透盒內(nèi)支架下部保持空置,從底部引出注水管.注水流量保持在0.4 L/h.在分段式滑面上部依次填筑滑帶土、滑體土.從注水管外端注入設(shè)計水量,從頂部小孔均勻入滲至滑帶土中.隨著滑帶土含水量不斷提高,土體強度逐漸降低,通過向不同區(qū)段滲透盒注水實現(xiàn)滑體分級失穩(wěn).注水時,保持1 m高不變水頭,持續(xù)勻速注水至設(shè)計水量,并記錄加水量.試驗時,不同注水管需保持相同注水量和水流速度,并確保水管流速均勻.

2　模型試驗設(shè)計

本試驗采用60目石英砂和山東濰坊膨潤土為原材料,配置滑帶土和滑體土.共設(shè)計12組試驗方案,分別考慮坡面形態(tài)、滑面形態(tài)、滑體性質(zhì)、滑帶性質(zhì)、注水量、失穩(wěn)滑段區(qū)段等因素的影響并開展不同工況,逐級實現(xiàn)牽引式滑坡的漸進失穩(wěn)過程.

2.1　模型制作

為減小模型的邊界效應(yīng)對試驗的影響,在模型箱兩側(cè)玻璃上涂抹了一層凡士林材料進行處理.試驗采用分層擊實填筑的方法:首先采用自行設(shè)計的V型漏斗將滑帶土均勻鋪設(shè)在滑帶上,采用自制鐵質(zhì)滾筒進行壓實,滾筒長度與模型寬度一致,滾筒重4.5 kg.將滑體土每隔10 cm厚度均勻分層,共分6層,采用滾筒分層壓實后,用環(huán)刀在不同部位取樣,確保土體濕密度誤差在±3%左右,土體填筑完成后通過人工削坡得到設(shè)計坡型.

2.2　試驗方案設(shè)計

滑體土采用砂土比 10∶1和 2∶1的比例配置,滑帶土采用砂土比 0∶1、1∶1和 2∶1的比例配置.滑帶土和滑體土含水量均保持在10%左右,試驗方案1～12如表1所示.分別測試了滑體土和滑帶土的物理力學(xué)參數(shù),各組試驗指標(biāo)如表2所示.

表中:γ為天然重度;,Es為壓縮模量;c為黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角;e為孔隙比.

表1　試驗方案設(shè)計表Tab.1　Test scheme design table

表2　模型土物理力學(xué)參數(shù)表Tab.2　Physical and mechanical parameters of model soil

注:表中各組前后數(shù)據(jù)分別表示滑體土和滑帶土參數(shù),如:15.51/14.19,分別表示滑體土、滑帶土的天然重度.

坡體材料滲透系數(shù)為(3～5)×10-5m/s,能夠吸收全部滲入水量.滑面形態(tài)分為3種:圓弧型、折線型和直線型;坡面線分為3種:多段線、三段線和兩段線,如圖2所示.

滲透盒從剪出口開始編號,向坡頂逐漸增大,編號依次為1，2，3，…，11(圖1).從剪出口處滑帶開始,逐漸擴大滲透盒的注水范圍,模擬牽引式滑坡的逐級失穩(wěn)過程.

(a) 方案1～7(b) 方案8(c) 方案9(d) 方案10(e) 方案11(f) 方案12圖2 坡體形態(tài)(單位:cm)Fig.2 Morphology of slope(unit: cm)

分3階段設(shè)計滑坡工況,觀測各級滑坡體后緣面破裂傾角.工況1～3及試驗觀測到的破裂傾角如表3所示.

第1級滑帶即為各組試驗的工況1對應(yīng)的滑帶組合,第1級滑體為第1級滑帶軟化引起的變形坡體部分,依此類推.

表3　后緣面破裂傾角試驗值Tab.3　Inclinations of trailing edge of test values

2.3　試驗過程

本次試驗共設(shè)計12組試驗方案,各組試驗均從滑帶前端滲透盒開始,按照一定的分級滑段區(qū)段依次向各級滲透盒內(nèi)注水.滑帶土吸水軟化后,滑坡發(fā)生局部滑動,觀測滑坡體變形和后緣面破裂傾角的變化規(guī)律.第1級滑體土變形穩(wěn)定后,向第2級滑帶組合注水,依此順序逐級進行,直至坡頂.需注意的是,剪出口處的滲透盒1并未注水,考慮到其位于坡體前端,注水易導(dǎo)致滑帶底面受到?jīng)_刷產(chǎn)生流通孔洞,影響試驗效果.

模型試驗主要通過地下水軟化滑帶導(dǎo)致滑帶土抗剪強度降低,從而實現(xiàn)滑坡體分級失穩(wěn)的,因而需測試含水率對滑帶土抗剪強度參數(shù)的影響,以確定注入水量.通過室內(nèi)直剪試驗,測得了不同含水率條件下滑帶土體的強度特性,圖3和圖4分別為滑帶土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率變化的趨勢曲線.

圖3　滑帶土的黏聚力-含水率關(guān)系曲線Fig.3　c-ω curve of slip soil

圖4　滑帶土的內(nèi)摩擦角-含水率關(guān)系曲線Fig.4　φ～ω curve of slip soil

由圖3、4可知：滑帶土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含水率的增加而迅速降低，砂土比 2∶1和 1∶1的滑帶土含水率由10%增加至25%時,黏聚力基本為0,內(nèi)摩擦角減小至原來的60%;砂土比 0∶1的含水率由10%增加至35%時,黏聚力和內(nèi)摩擦角均大幅度減小,接近至0.根據(jù)上述關(guān)系曲線,向滑帶土緩慢注水至設(shè)計水量,使其抗剪強度逐漸降低,實現(xiàn)牽引式滑坡分級失穩(wěn)過程.

3　滑坡孕育發(fā)展過程試驗分析

模型試驗的主要目的是模擬牽引式滑坡漸進失穩(wěn)演化過程,并探討滑坡形成過程的主要影響因素，根據(jù)試驗現(xiàn)象,總結(jié)滑坡變形發(fā)展規(guī)律,分析各因素對牽引式滑坡漸進破壞過程的影響.

3.1　模型變形過程分析

各組滲透試驗均耗時較長,目的是使水在滑帶土中均勻緩慢地滲透,符合滑坡體實際飽水過程.各滑帶分級組合通常累計注水至200～400 mL時首次產(chǎn)生裂縫.持續(xù)注水,滑體前端下錯滑移,裂縫逐漸張開,并向滑帶處延伸.注水至滑帶土強度不再降低,滑體變形趨于穩(wěn)定.若繼續(xù)注水,裂縫仍會擴張,但不會出現(xiàn)變形明顯的新裂縫.圖5反映了滑坡體變形發(fā)展過程.

(a) 側(cè)視圖

(b) 俯視圖圖5　方案8后緣拉裂縫形態(tài)Fig.5　Morphology of tension crack of No.8 trailing edge

裂縫C1是軟化滲透盒2～4時產(chǎn)生,裂縫位于滲透盒6上方,在滑帶軟化過程中,伴隨有滑體前移、裂縫持續(xù)張開且向滑帶處延伸等現(xiàn)象.滲透盒2～4變形穩(wěn)定后,繼續(xù)向滲透盒5～7注水,在滲透盒8對應(yīng)的坡面位置產(chǎn)生裂縫C2,繼續(xù)注水,C2不斷張開和延伸,而后變形趨于穩(wěn)定，此時,C1受后 1級滑體擠壓,逐漸變窄.裂縫C3是軟化滲透盒8、9時產(chǎn)生,該裂縫位于滲透盒10上方坡面處,在滑帶被軟化過程中,C2逐漸變窄,C1逐漸閉合,并伴隨明顯的下錯位移.試驗表明,從前至后分段軟化滑帶,形成分級失穩(wěn)滑塊,引起各級滑體變形前移,且后緣破裂面逐漸向滑帶處貫通,滑坡體發(fā)生局部失穩(wěn).

歸納各組試驗現(xiàn)象,可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律:

(1) 不同失穩(wěn)滑帶段分別對應(yīng)一條主裂縫.第n級滑帶失穩(wěn),將在其后側(cè)坡面處出現(xiàn)一條裂縫,并向被軟化滑帶末端延伸.假定m為第n級失穩(wěn)滑帶的末端滑塊,則裂縫出現(xiàn)的范圍約為m～m+2滑塊所對應(yīng)的坡面位置.例如,第1級滑帶包括滲透盒2、3和4,即滲透盒4為末端滑塊,此時裂縫通常出現(xiàn)在滲透盒4和6之間的坡面位置處.

(2) 根據(jù)分級滑體變形可知,第1級滑體穩(wěn)定性最差,表現(xiàn)為坡體下錯位移和裂縫張開均較大,局部破壞較為嚴(yán)重.第1級滑體前端出現(xiàn)明顯的鼓脹裂縫和滑體前移(見圖6).

(a) 方案3鼓脹裂縫(b) 方案10滑體前移圖6 坡體局部破壞Fig.6 Local failure of slope

(3) 坡面裂縫沿邊坡走向近似平行分布(見圖7),表明土體壓實度基本一致,滲透盒出水均勻,滲透裝置設(shè)計可行,可操作性好.同時,坡體模型的寬度約為其長度的1/4,能夠反映坡體的空間變形特征.

(a) 方案4第1級裂縫(b) 方案7第2級裂縫圖7 裂縫形態(tài)特征Fig.7 Morphology of cracks

(4) 后一級滑塊失穩(wěn)會導(dǎo)致已形成裂縫寬度變窄或消失,說明滑帶軟化導(dǎo)致坡體局部失穩(wěn).圖8(a)為第1級滑體變形出現(xiàn)的裂縫C1,當(dāng)?shù)?級滑體形成時,因滑體失穩(wěn)前移,C1逐漸變窄(圖8(b)),至第3級滑體形成時,C2逐漸變窄,C1基本消失(圖8(c)),滑坡體呈現(xiàn)出自下而上的漸進式牽引破壞模式.

(5) 滑體性質(zhì)對坡體變形有顯著影響,滑體土砂土比越小,坡體變形越大(見圖9).

砂土比 10∶1時,裂縫張開約2～7 mm,下錯2～8 mm,裂縫通常延伸至1/3滑體厚度處.砂土比 2∶1 時,裂縫張開約5～18 mm,下錯6～23 mm,裂縫通常向滑帶處延伸1/2滑體厚度或至與滑帶貫通.

(6) 坡面幾何特性對滑坡體漸進破壞趨勢影響較大.圖10(a)、(b)分別為多段線坡面線和兩段線坡面線,其他條件相同,兩段線坡面形態(tài)的坡體失穩(wěn)變形較為顯著,裂縫向滑帶處延伸較長.

(a) 第1級(b) 第2級(c) 第3級圖8 方案1滑帶失穩(wěn)過程Fig.8 Instability process of sliding zone of No.1

(a) 方案5砂土比 10∶1(b) 方案10砂土比 2∶1圖9 裂縫形態(tài)特征Fig.9 Morphology of cracks

(a) 方案7多段線坡面(b) 方案8兩段線坡面圖10 坡體變形特征Fig.10 Deformation characteristics of slope

(7) 滑帶性質(zhì)對坡體變形影響并不明顯.例如,方案2、3和4的滑帶性質(zhì)不同,其他條件相同,坡體變形程度無顯著區(qū)別.

3.2　后緣面破裂傾角演化規(guī)律

滑坡體后緣面破裂傾角是穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵參數(shù),其空間形態(tài)特征對滑坡體破壞模式有重要影響.因此,充分認(rèn)識和掌握破裂傾角的變形發(fā)展規(guī)律具有重要意義.定義破裂傾角為坡面破裂點和失穩(wěn)滑帶末端連線與水平面的夾角.

將各組試驗方案進行對比,探討坡面形態(tài)、滑面形態(tài)、分級滑段區(qū)段和滑體性質(zhì)4個因素對后緣面破裂傾角形成規(guī)律的影響.

(1) 考慮坡面形態(tài)的影響.選取方案7、9進行對比,僅坡面形態(tài)一個可變因素,滑面形態(tài)、分級滑段區(qū)段和滑體性質(zhì)均相同.其中,方案7為多段線坡面,方案9為三段線坡面,各組試驗方案的后緣面破裂傾角如圖11所示.

(a) 方案7多段線坡面(b) 方案9三段線坡面圖11 后緣面破裂傾角(單位:cm)Fig.11 Inclinations of the trailing edge(unit: cm)

根據(jù)表3，方案7、9的結(jié)果對比如圖12所示.由圖12可知,三段線型滑坡體的各級破裂傾角明顯大于多段線型滑坡體的破裂傾角,前者表現(xiàn)為由陡變緩的變化趨勢,后者表現(xiàn)為先增大再減小,呈波動式變化.由此表明,坡面形態(tài)對后緣面破裂傾角影響較大,坡面形態(tài)較陡的滑坡體具有更大的破裂傾角.

圖12　方案7、9結(jié)果對比Fig.12　Results comparison of No.7， 9

(2) 考慮滑面形態(tài)的影響.選取方案8、10、11、12進行對比,僅滑面形態(tài)一個可變因素.其中:方案8為圓弧型滑帶;方案10為折線型滑帶,方案11為直線型滑帶(30°);方案12為直線型滑帶(20°).根據(jù)表3，各組方案的后緣面破裂傾角如圖13所示.

根據(jù)表3,可繪制方案8、10、11、12的破裂角結(jié)果對比,如圖14所示.

由圖14可知：滑面形態(tài)對后緣面破裂傾角影響較大,滑面形態(tài)越陡,后緣面破裂傾角越大;方案8 的各級破裂傾角依次增大,其工況1的破裂傾角為各組中最小;方案10和12的破裂傾角呈斜“V”字型變化,表現(xiàn)為先減小再增大;方案11的各級破裂傾角均為最大,且從前至后依次遞減.總體來說,各組方案的第1級滑體后緣面破裂傾角差異最大,第2級次之,第3級較為接近,表明滑面形態(tài)對第1級滑體的后緣面破裂傾角影響最大,越向滑坡體后側(cè)影響越小.

(3) 考慮不同滑段的影響.選取方案1、2、5、6進行對比,僅滑段區(qū)段不同,對第1級滑體后緣面破裂傾角進行對比,各組試驗方案的后緣面破裂傾角如圖15、16所示.

由圖16可知,首先失穩(wěn)的第1級滑帶越長,后緣面破裂傾角越小.隨著滑帶區(qū)段長度遞增,相鄰滑段間的破裂傾角差值變大,即破裂傾角減小速率變快.

(4) 考慮滑體性質(zhì)的影響.選取方案2、7進行對比,僅滑體性質(zhì)不同,各組試驗方案的后緣面破裂傾角見表3.對比發(fā)現(xiàn),滑體性質(zhì)對后緣面破裂傾角影響并不明顯.兩組方案的破裂傾角變化規(guī)律較為接近,均為先陡后緩,且變化幅度較小.

(a) 方案8(b) 方案10(c) 方案11(d) 方案12圖13 后緣面破裂傾角Fig.13 Inclinations of the trailing edge

圖14　方案8、10、11、12結(jié)果對比Fig.14　Results comparison of No.8, 10， 11， and 12

綜合上述,歸納出后緣面破裂傾角的變化規(guī)律:(1) 坡面形態(tài)、滑面形態(tài)、不同滑段區(qū)段3個因素對后緣面破裂傾角影響最為顯著,滑體性質(zhì)對破裂傾角的影響并不明顯.(2) 坡面形態(tài)較陡的滑坡體具有更大的破裂傾角.(3) 滑面形態(tài)越陡,后緣面破裂傾角越大.滑面形態(tài)對第1級滑體的后緣面破裂傾角影響最大,越向滑坡體后側(cè)影響越小.(4) 首先失穩(wěn)的第1級滑帶越長,其后緣面破裂傾角越小.隨著滑帶區(qū)段長度遞增,各相鄰區(qū)段破裂傾角差值變大.

(a) 滲透盒2+3(b)滲透盒 2～4(c) 滲透盒2～5(d) 滲透盒2～6圖15 后緣面破裂傾角Fig.15 Inclinations of the trailing edge

圖16　No.1、 2、 5、 6結(jié)果對比Fig.16　Results comparison of No.1, 2, 5， and 6

4　結(jié)論與討論

本文通過室內(nèi)模型試驗?zāi)M牽引式滑坡漸進失穩(wěn)過程,研究牽引式滑坡演化發(fā)展規(guī)律,并探討滑坡分級失穩(wěn)的影響因素,得出結(jié)論如下:

(1) 研發(fā)了能夠模擬牽引式滑坡漸進破壞過程的“分段式滑面底滲法”試驗裝置,用于模擬各種幾何形態(tài)的滑面,通過向不同分段的滲透盒注水,可使滑帶分級軟化,模擬各種滑坡破壞模式.

(2) 設(shè)計12種試驗方案,模擬了圓弧型、折線型和直線型滑面,多段線、三段線和兩段線坡面線以及多種坡體材料.從前至后逐步分段軟化滑帶,通過改變滑帶土含水量而降低土體強度,形成分級失穩(wěn)滑塊,觀測滑坡體變形特征及后緣破裂面形態(tài).

(3)各級失穩(wěn)滑帶分別對應(yīng)1條主裂縫.坡面裂縫沿邊坡走向近似平行分布.第1級滑坡體穩(wěn)定性最差.滑體性質(zhì)和坡面幾何特性對滑坡漸進破壞趨勢影響較大.兩段線坡面形態(tài)的坡體失穩(wěn)變形最為顯著,且滑帶越陡,滑坡體越容易發(fā)生失穩(wěn)滑移.

(4) 坡面形態(tài)、滑面形態(tài)、不同滑段區(qū)段3個因素對后緣面破裂傾角影響最為顯著.坡面形態(tài)較陡的滑坡體具有更大的破裂傾角.滑面形態(tài)對第1級滑體的后緣面破裂傾角影響最大,且滑面形態(tài)越陡,后緣面破裂傾角越大.首先失穩(wěn)的第1級滑帶越長,后緣破裂面傾角越小.

目前,后緣面破裂傾角僅采用坡面裂縫位置與被軟化滑帶末端相連接的方式,這種簡化方法尚有不足,需進一步探索.