，，

(1.中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

滑坡是一種廣泛發(fā)生于山區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害。坡體結(jié)構(gòu)及巖土性質(zhì)的多樣性使得滑坡的成因、發(fā)育機(jī)理及變形特點(diǎn)復(fù)雜多樣。近年來(lái)，在滑坡的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造[1]、環(huán)境條件[2]、人類(lèi)活動(dòng)[3]以及巖土的特殊性[4-5]等方面針對(duì)滑坡機(jī)理的研究取得了豐富的成果。由于滑坡是多種因素耦合作用下的結(jié)果[6]，因此在成因、演化機(jī)理方面難以形成系統(tǒng)性的結(jié)論與認(rèn)識(shí)，同時(shí)也存在理論分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有所出入的情況。

煤系土作為炭質(zhì)頁(yè)巖強(qiáng)風(fēng)化的產(chǎn)物在工程中往往被視作一類(lèi)特殊土。天然狀態(tài)下煤系土邊坡穩(wěn)定性良好，在降雨、開(kāi)挖條件下由于水敏性、易崩解等特性極易誘發(fā)滑坡。官治立[7]總結(jié)了煤系土滑坡的破壞機(jī)制，指出厚層煤系土滑坡一般以擠壓剪切式破壞為主，薄層煤系土滑坡則以順層滑動(dòng)為主。張毅[8]、祝磊[9]通過(guò)對(duì)降雨條件下煤系土邊坡的穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)煤系土邊坡穩(wěn)定性主要受表層風(fēng)化區(qū)和裂隙分布區(qū)控制，兩者通過(guò)影響雨水滲入坡體的量而實(shí)現(xiàn)。李吉東[10]按照“強(qiáng)腰固腳”的原則對(duì)某煤系土滑坡進(jìn)行治理，重點(diǎn)突出了排水措施的重要性，并通過(guò)有限元模擬對(duì)煤系土滑坡治理效果進(jìn)行評(píng)估。已有的研究成果集中于對(duì)單一條件變化的情況下淺層煤系土滑坡的分析，缺少對(duì)復(fù)雜條件下煤系土滑坡的誘發(fā)、變形機(jī)理的分析，對(duì)風(fēng)化層厚度較大的滑坡的變形特征同樣缺少相關(guān)研究。郴州某二疊系煤系土滑坡因其較厚的風(fēng)化層和誘因的多樣性使得其發(fā)育機(jī)理及變形特征十分復(fù)雜。筆者根據(jù)該滑坡地質(zhì)條件及滑動(dòng)特征定性分析了失穩(wěn)原因和破壞機(jī)理，并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)定量闡述滑坡的變形特點(diǎn)和失穩(wěn)機(jī)理，動(dòng)態(tài)地反映了滑坡的發(fā)育過(guò)程及變形特點(diǎn)。

1 滑坡工程環(huán)境及地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)環(huán)境

滑坡地處湘南低山丘陵區(qū)，地貌單元屬侵蝕、剝蝕及溶蝕低山斜坡，形態(tài)受華夏系和新華夏系構(gòu)造所控制。通過(guò)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查發(fā)現(xiàn)，蘇仙嶺東—八里牌壓扭性斷裂構(gòu)造帶在滑坡場(chǎng)地西面約30 m處通過(guò)，長(zhǎng)度約為10 km。

滑體主要為第四系覆蓋層，由殘坡積粉質(zhì)黏土組成，平均厚度約4.6 m?；瑤е饕屎谏柡蜖?，以軟塑狀至淤泥狀煤系土為主。勘察及監(jiān)測(cè)資料反映主滑帶主要沿灰黑色強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖層發(fā)育，滑動(dòng)面產(chǎn)狀21°∠55°，深部位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映坡體上部出現(xiàn)兩條滑帶。煤系地層屬二疊系龍?zhí)督M上統(tǒng)，屬濱海沼澤含煤碎屑沉積，巖性為灰黑、淺灰色炭質(zhì)頁(yè)巖，具有巖層軟硬不均、結(jié)構(gòu)松散和連接性差的特點(diǎn)。巖土交界面處為滑動(dòng)帶的發(fā)育位置，如圖1所示。

圖1 滑坡典型剖面Fig.1 Typical profile of landslide

1.2 滑坡基本特征

滑坡最大長(zhǎng)寬均約為160 m，方量約2.4×105m3，總體地勢(shì)西高東低，最大高差40 m，主滑方向SE 136°?；律喜考捌履_處因工程活動(dòng)改變了最初局部的坡形，滑坡上部有棄土堆載于表層并伴有坡面裂縫出現(xiàn)。滑坡發(fā)生后，坡體出現(xiàn)多級(jí)高度不等的臺(tái)階狀平臺(tái)，滑坡后壁形成約65°的拉張陡坎及0.4 m的錯(cuò)落，坡體兩側(cè)可見(jiàn)圈椅狀斷壁。坡體主要裂縫基本呈弧形分布，多見(jiàn)于坡體中上部，方向大致與主滑方向垂直，平均寬度0.3 m，深度0.4 m，張開(kāi)程度及深度較大的裂縫主要位于坡體中上部。坡體下部裂縫呈鋸齒放射狀分布，坡腳處受擠壓略微隆起。坡面相對(duì)于原地形有明顯沉降?；氯踩鐖D2所示。

圖2 滑坡全貌圖Fig.2 Landslide overview

2 滑坡演化機(jī)理及誘發(fā)因素分析

2.1 宏觀特征

滑坡以二疊系下統(tǒng)棲霞組灰?guī)r為基巖。巖層傾角適中，傾向與滑坡滑動(dòng)方向一致，為順層滑坡。由于坡頂建設(shè)棄土堆放于坡面上部，造成坡體應(yīng)力重分布且豎向應(yīng)力的增幅大于橫向應(yīng)力，使得偏應(yīng)力增加。坡體土在上部堆載區(qū)形成應(yīng)力集中帶，導(dǎo)致該處土體發(fā)生蠕變且范圍逐步增加，坡頂出現(xiàn)拉裂縫，土體發(fā)生剪切破壞。堆載區(qū)兩側(cè)則形成拉張破壞區(qū)，兩側(cè)的裂縫與坡頂相連，形成坡體上部的局部滑坡。

坡腳處因工程需要進(jìn)行了修切，形成約6 m高的臨空面。土體缺失后坡腳剪應(yīng)力增大，產(chǎn)生了剪切屈服帶并沿煤系地層向坡體內(nèi)不斷發(fā)展，坡腳處的失穩(wěn)牽引坡面產(chǎn)生裂縫，坡頂處土體同時(shí)產(chǎn)生松動(dòng)。軟弱帶受地形及特殊巖土控制，最終發(fā)育成主滑帶與上部滑帶的連接，整個(gè)滑坡形成兩條滑帶。

2.2 微觀機(jī)理

滑坡滑動(dòng)面形成于二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M頁(yè)巖中，穩(wěn)定性受頁(yè)巖強(qiáng)風(fēng)化產(chǎn)物煤系土的影響顯著。根據(jù)有關(guān)研究，煤系土在無(wú)水狀態(tài)下性質(zhì)良好，遇水則極易發(fā)生軟化引起強(qiáng)度的急劇衰減。文獻(xiàn)[11]分析了不同干密度的重塑煤系土在不同含水率下的強(qiáng)度參數(shù)變化(圖3)。煤系土在含水率較低的狀態(tài)下強(qiáng)度性質(zhì)良好，隨著含水率逐漸增高，抗剪強(qiáng)度參數(shù)首先緩慢下降，在接近含水率的某一臨界值時(shí)突然大幅下降且黏聚力的降幅大于內(nèi)摩擦角的降幅。

圖3 不同含水率時(shí)煤系土的強(qiáng)度參數(shù)變化Fig.3 Change of strength parameters of coal-seed soil with different water contents

文獻(xiàn)[12]對(duì)不同地區(qū)煤系土的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)煤系土在天然狀態(tài)下結(jié)構(gòu)松散、孔隙率大，通常呈團(tuán)狀或片狀結(jié)構(gòu)，層間膠結(jié)程度較差。靜水狀態(tài)下，煤系土內(nèi)中、小孔隙被水充滿(mǎn)，顆粒之間的膠結(jié)物被溶蝕，膠結(jié)程度變?nèi)酰w粒連接方式由原來(lái)的面與面接觸逐漸發(fā)展為邊與邊、邊與面、邊與角的接觸，導(dǎo)致了結(jié)合力下降。隨著含水量進(jìn)一步增大，在水力梯度作用下，坡體內(nèi)部形成沿巖土交界面的徑流通道。在動(dòng)水壓力下，土體骨架被水沖擊，加劇了土體結(jié)構(gòu)的失效，同時(shí)動(dòng)水?dāng)y帶被溶蝕的膠結(jié)礦物成分沿徑流通道流動(dòng)，帶走了骨架物質(zhì)，使得孔隙進(jìn)一步加大，又促進(jìn)了水流路徑的發(fā)展。骨架結(jié)構(gòu)的損失令作用于殘留骨架上的有效應(yīng)力大幅增加，土的強(qiáng)度因此急劇降低。

煤系土礦物成分中含有一定量的親水性黏土礦物，如蒙脫石、伊利石等，在遇水條件下，親水礦物發(fā)生軟化并沿炭質(zhì)頁(yè)巖的層理和垂直節(jié)理方向膨脹，因此該類(lèi)巖土具有較強(qiáng)的膨脹性和崩解性[13]。高嶺石、伊利石礦物顆粒小，水分子能夠進(jìn)入層狀礦物之間形成極化水分子層，同時(shí)水分子進(jìn)入礦物晶胞之間，形成礦物內(nèi)部層間水層[14]。在兩種作用下黏土礦物發(fā)生內(nèi)外部膨脹，引起了土體結(jié)構(gòu)的破壞和空隙率的增大，而膨脹的各向異性和不均勻性使礦物內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，加劇了微空隙的產(chǎn)生。

成分及結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了在遇水條件下煤系土力學(xué)參數(shù)的變化與黏土力學(xué)參數(shù)的變化存在差異。胡昕等[15]對(duì)比了不同含水率下高液限黏土和煤系土強(qiáng)度性質(zhì)的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)黏土黏聚力減小過(guò)程曲線(xiàn)存在分段性不明顯特征，而煤系土黏聚力減小過(guò)程曲線(xiàn)分段性相對(duì)明顯。因黏土黏粒含量多，水膜連接及顆粒間膠結(jié)作用強(qiáng)烈，而煤系土的水膜連接作用因顆粒的松散而導(dǎo)致黏結(jié)程度變差，溶蝕過(guò)程表現(xiàn)出速度的不均勻性，因此隨含水量升高的過(guò)程中黏聚力下降的趨勢(shì)表現(xiàn)出明顯的階段性。煤系土顆粒粒徑較大，粗粒含量較多，在一定條件下含水率的變化不會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)和顆粒大小的顯著變化，故在內(nèi)摩擦角的變化上煤系土所受影響較黏土而言相對(duì)較小，下降趨勢(shì)較為緩和。而黏土因大量細(xì)顆粒的存在，在內(nèi)摩擦角的變化上則體現(xiàn)出了階段性持續(xù)下降。

根據(jù)氣象記錄，滑坡發(fā)育于郴州地區(qū)降雨較為集中的季節(jié)，降雨強(qiáng)度較小但歷時(shí)較長(zhǎng)，單月累計(jì)降雨量達(dá)200 mm?；掳l(fā)育階段中坡面出現(xiàn)多條裂縫，雨水沿坡面裂縫滲入坡體，直接導(dǎo)致坡體土含水量升高并逐漸飽水，重度增大引起坡面荷載的增加。雨水下滲過(guò)程中遇到不透水層產(chǎn)生淤積，在水力梯度的作用下，水沿不透水層界面徑流導(dǎo)致巖土分界面處煤系土遇水軟化，加速滑帶的形成。水的徑流同時(shí)會(huì)導(dǎo)致坡腳處含水量升高，軟化坡腳使坡體臨空處失去了支撐作用，坡腳土體最先失穩(wěn)，帶動(dòng)后側(cè)土體順勢(shì)滑動(dòng)。與此同時(shí)，無(wú)降雨時(shí)在維持正常地下水及坡面水排泄情況下，坡體處于靜水壓力狀態(tài)。而長(zhǎng)期降雨條件下，孔隙水壓力的變化導(dǎo)致坡體應(yīng)力的重新分布。兩者的共同作用促進(jìn)了滑動(dòng)面的發(fā)育和滑坡的發(fā)生。

根據(jù)文獻(xiàn)[16]對(duì)郴州該地區(qū)二疊系煤系土的研究，煤系土天然狀態(tài)下含水率約為12%，飽和含水率21%，滑坡發(fā)育過(guò)程中達(dá)到極限飽水狀態(tài)，飽和度為100%。隨著含水率升高，該地區(qū)煤系土強(qiáng)度參數(shù)降低，其計(jì)算式為

c=-263.42θ+97.683 5%≤θ≤35%

(1)

φ=-334.71θ2+55.981+36.555 5%≤θ≤35%

(2)

式中：θ為體積含水率；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。強(qiáng)度參數(shù)的驟減對(duì)滑坡的發(fā)生起到了決定性作用。

綜上，該滑坡的發(fā)生是由于人為因素造成的坡體形態(tài)改變引起坡體應(yīng)力重分布后，在降雨的條件下特殊土軟化導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低而誘發(fā)的，該滑坡的發(fā)生是多種因素耦合作用下的共同結(jié)果。

3 煤系土滑坡變形的數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型及原理

利用有限元模擬軟件Abaqus建立煤系土滑坡主滑動(dòng)剖面二維平面計(jì)算模型，通過(guò)Abaqus軟件中的場(chǎng)變量來(lái)實(shí)現(xiàn)滑坡滑帶土抗剪強(qiáng)度的不斷損失從而完成模擬過(guò)程。所建二維模型的尺寸采用實(shí)際滑坡的長(zhǎng)度和高度，經(jīng)網(wǎng)格劃分后得到示意圖(圖4)，共有個(gè)1 191 個(gè)網(wǎng)格，1 267 個(gè)節(jié)點(diǎn)?；峦馏w材料采用摩爾—庫(kù)侖模型，基巖材料為彈性模型，荷載為巖土體自重，底部邊界條件為限制水平及豎直方向位移，兩側(cè)邊界條件限制水平方向位移。

圖4 網(wǎng)格劃分圖Fig.4 The image of mesh

計(jì)算按照有限元強(qiáng)度折減理論進(jìn)行[17]，抗剪強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算式為

(3)

(4)

3.2 材料屬性

根據(jù)滑坡勘察資料確定粉質(zhì)黏土及基巖的物理力學(xué)參數(shù)。對(duì)于煤系土強(qiáng)度參數(shù)的確定，首先通過(guò)對(duì)主滑面的穩(wěn)定性反算得到強(qiáng)度參數(shù)的范圍，再結(jié)合式(1，2)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析后得出。煤系土飽水狀態(tài)下，黏聚力可取4.2 kPa，內(nèi)摩擦角取27°。力學(xué)參數(shù)均采用降雨后的參數(shù)，土體重度、強(qiáng)度參數(shù)為飽和狀態(tài)下的值。具體參數(shù)如表1所示。

表1 主要巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Main rock and soil physical and mechanical parameters

3.3 模擬結(jié)果分析

滑坡整體位移分布如圖5所示。結(jié)果表明：滑坡變形場(chǎng)分布符合斜坡變形場(chǎng)分布的普遍規(guī)律。變形區(qū)廣泛分布在表層，表層前緣及堆載區(qū)前部為擠壓式破壞，而后緣主要表現(xiàn)為拉裂破壞。總位移趨勢(shì)為滑坡上部位移大于下部位移，位移等值線(xiàn)基本按圓弧形向坡內(nèi)擴(kuò)散并逐漸減小。位移云圖反映出最大變形出現(xiàn)在坡體堆載處，為1.73 m。坡腳臨空面由于剪出作用同樣出現(xiàn)較大位移，約為1.01 m。

圖5 坡體位移分布Fig.5 The image of slope displacement distribution

滑坡體最大豎向位移同樣出現(xiàn)在坡面堆載區(qū)，達(dá)到1.58 m(圖6)，實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為1.63 m。模擬結(jié)果所反映的變形趨勢(shì)接近實(shí)際監(jiān)測(cè)值變化趨勢(shì)(圖7)?；掳l(fā)育過(guò)程中，后緣處土體因基巖面陡峭及不良的滲水條件，出現(xiàn)了較大程度的錯(cuò)落。由于堆載引發(fā)滑動(dòng)，中部滑體豎向變形較大。坡腳剪出口處因坡體上部的擠壓作用發(fā)生了豎向的位移及變形，導(dǎo)致臨空面的隆起。因此豎向變形具有滑坡坡頂、坡腳處土體小于中間土體的特點(diǎn)。

圖6 坡體豎向位移模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of vertical displacement of slope

圖7 坡體豎向位移監(jiān)測(cè)變化Fig.7 Monitoring of vertical displacement of slope

滑坡塑性區(qū)分布圖(圖8)給出滑坡的參考滑動(dòng)面位置。淺部滑帶深度約為6.7 m，堆載體在降雨條件下壓應(yīng)力增大同時(shí)壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，坡體內(nèi)形成拉應(yīng)力帶，坡體上部產(chǎn)生滑動(dòng)面。主滑帶埋深約11.6 m，因土體遇水后軟化而產(chǎn)生塑性變形，煤系土內(nèi)的拉應(yīng)力帶形成并不斷向上發(fā)展，最終與淺層滑帶相連。出現(xiàn)深部位移最大值的監(jiān)測(cè)孔位于滑體中上部距坡頂63 m處，該孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的兩次突變印證了兩條滑帶的存在，分別在深度為6.9 m及12.0 m處，監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了模擬的合理性(圖9)。

圖8 坡體塑性區(qū)分布Fig.8 The image of plastic zone distribution of slope

圖9 滑坡發(fā)生后不同時(shí)間深部位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.9 Deep displacement monitoring data at different times after landslide

受坡形改變的影響，坡體產(chǎn)生應(yīng)力的不均勻分布。降雨一方面導(dǎo)致滑體土遇水后重度不均勻增加從而產(chǎn)生不均勻沉降，坡體中心產(chǎn)生向臨空面方向的外移，堆載體處局部滑坡由此引發(fā)；另一方面降雨導(dǎo)致煤系土軟化后強(qiáng)度性質(zhì)驟降，促進(jìn)軟弱帶發(fā)育并貫穿整個(gè)坡體，剪出口軟弱帶向上發(fā)育時(shí)與淺層滑帶在埋深約5.4 m處相連。塑性區(qū)的位置與巖土分界面的位置接近。模擬和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映出的變形特點(diǎn)主要為滑坡上部變形大于前、后緣處的變形。在滑坡發(fā)育過(guò)程中，豎向位移的變化較橫向顯著。變形數(shù)值首先經(jīng)歷緩慢增長(zhǎng)，當(dāng)達(dá)到某一條件時(shí)數(shù)值急劇增大，這也印證了煤系土在強(qiáng)度變化過(guò)程中存在使強(qiáng)度突變的臨界含水率。模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比也印證了機(jī)理分析的合理性。

4 結(jié) 論

依據(jù)滑坡區(qū)域地質(zhì)背景及煤系土工程性質(zhì)，結(jié)合滑坡的發(fā)育、變形特征，分析出滑坡發(fā)生的機(jī)理為人工堆載導(dǎo)致坡體形態(tài)的改變及降雨引起土體重度變化使滑體應(yīng)力重新分布，同時(shí)受煤系土性質(zhì)的影響，雨水對(duì)煤系土的軟化對(duì)滑坡的發(fā)育起到?jīng)Q定性作用。煤系土遇水后結(jié)構(gòu)上的損失使得土顆粒間的膠結(jié)程度降低，溶蝕作用導(dǎo)致煤系土骨架的損失加劇了結(jié)構(gòu)的破壞，兩者引起煤系土抗剪強(qiáng)度的急劇降低從而在坡體內(nèi)形成軟弱帶。通過(guò)Abaqus有限元模擬軟件對(duì)降雨后的煤系土滑坡進(jìn)行二維應(yīng)力應(yīng)變分析，并結(jié)合相關(guān)監(jiān)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)滑坡發(fā)育過(guò)程中的豎向變形大于橫向變形且變形集中于滑體上部及坡腳處，兩者均超過(guò)1.0 m。塑性區(qū)的分布反映滑坡產(chǎn)生兩條滑帶，驗(yàn)證了定性分析的結(jié)果，為滑坡治理結(jié)構(gòu)的布設(shè)提供了參考位置。