習(xí)朝輝，裴向軍，穆成林，陽(yáng) 博

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在工程建設(shè)中，經(jīng)常出現(xiàn)邊坡開(kāi)挖的情況，其中層狀巖質(zhì)邊坡比較常見(jiàn)。層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題是目前需要解決的重大問(wèn)題。層狀邊坡的復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)在不同開(kāi)挖條件下的變形失穩(wěn)模式具有多變性和多樣性。國(guó)內(nèi)外許多專家對(duì)于層狀巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖后的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]指出順層巖質(zhì)邊坡易產(chǎn)生滑動(dòng)變形，在巖質(zhì)邊坡中危害最大。文獻(xiàn)[2-3]對(duì)不同巖層傾角的順層巖質(zhì)邊坡變形破壞機(jī)制進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]通過(guò)底摩擦試驗(yàn)，對(duì)緩傾層狀邊坡變形破壞機(jī)制進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]以一公路邊坡為研究對(duì)象，在室內(nèi)建立相似模型對(duì)順層巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖過(guò)程中坡內(nèi)位移和應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了深入研究。目前的研究主要集中在巖層傾角變化對(duì)邊坡的影響，關(guān)于開(kāi)挖坡角對(duì)順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性及變形破壞特征的研究相對(duì)較少。因此，在現(xiàn)場(chǎng)查明研究區(qū)(貴州織金茶店鄉(xiāng))地質(zhì)情況的前提下，通過(guò)大型框架模型試驗(yàn)研究順層巖質(zhì)邊坡不同開(kāi)挖角度的變形破壞全過(guò)程，分析邊坡變形破壞機(jī)制，根據(jù)模型上布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的變形情況確定邊坡破壞范圍，為邊坡開(kāi)挖設(shè)計(jì)及支護(hù)提供參考。

1 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)位于云貴高原上的低中山區(qū)，四周共有13個(gè)高挖方邊坡，坡腳高程 1 260 m，邊坡最大高差約190 m，最小高差45 m。研究區(qū)處于溶蝕、侵蝕洼地內(nèi)，地質(zhì)條件復(fù)雜。邊坡巖層傾向350°～5°，傾角20°～45°，巖層厚度0.05～2.00 m。邊坡巖性從上至下依次為粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化白云巖、中風(fēng)化白云巖。在邊坡巖層中間含有多層軟弱夾層，厚0.01～0.06 m，強(qiáng)度較低，多呈可塑狀態(tài)。軟弱夾層成為控制邊坡穩(wěn)定性和變形破壞特征的主控結(jié)構(gòu)面。坡體節(jié)理較為發(fā)育，主要有2組，產(chǎn)狀分別為125°∠78°，220°∠76°，節(jié)理間距一般為0.05～0.15 m，張開(kāi)度為微張～張開(kāi)，多有泥質(zhì)填充。整個(gè)坡體結(jié)構(gòu)巖體較為破碎，風(fēng)化嚴(yán)重?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)剖面見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)剖面

2 模型試驗(yàn)

在工程地質(zhì)研究中，采用物理模型試驗(yàn)去揭示和分析地質(zhì)現(xiàn)象的本質(zhì)是解決邊坡變形失穩(wěn)等問(wèn)題的有效手段[6]。應(yīng)用于開(kāi)挖順層巖質(zhì)邊坡分析具有幾個(gè)突出的意義：①邊坡變形破壞失穩(wěn)在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中的演化特征能夠直接再現(xiàn)；②可以通過(guò)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中位移與應(yīng)力的分布及調(diào)整情況，為邊坡演化機(jī)制等分析提供依據(jù)；③對(duì)于不同地質(zhì)條件下的邊坡可以多次試驗(yàn)，總結(jié)分析演化特征，對(duì)于同一地質(zhì)條件的邊坡可以采用差異的開(kāi)挖條件以及外界影響因素來(lái)分析其變形及演化特征。

2.1 模型相似比確定

相似比是現(xiàn)場(chǎng)原型和室內(nèi)模型之間具有相同量綱的物理量的比值[7]。本文采用二維室內(nèi)框架模型試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)條件和原型邊坡地質(zhì)情況，建立室內(nèi)物理模型。根據(jù)相似原理確定幾何相似常數(shù)Cl=60，重度相似常數(shù)Cr=1.0。根據(jù)相似原理可以獲得其他相關(guān)參數(shù)的相似比：Cσ=ClCr=60；Cl=Cδ=60；Cμ=Cε=Cf=Cφ=1；CE=CC=CRt=CRC=Cτ=55；Ct=(Cl)1/2=7.75。式中：Cσ為應(yīng)力相似常數(shù)；Cδ為位移相似常數(shù)；Cμ為泊松比相似常數(shù)；Cε為應(yīng)變相似常數(shù)；Cf為摩擦系數(shù)相似常數(shù)；Cφ為內(nèi)摩擦角相似常數(shù)；CE為彈性模量相似常數(shù)；CC為黏聚力相似常數(shù)；CRt為抗拉強(qiáng)度相似常數(shù)；CRC為抗壓強(qiáng)度相似常數(shù)；Cτ為抗剪強(qiáng)度相似常數(shù)；Ct為時(shí)間相似常數(shù)。

2.2 試驗(yàn)材料及配比

邊坡模型采用具有一定厚度的試驗(yàn)塊體搭建。試塊制作采用預(yù)制模具壓制而成。主要材料為水泥、石英砂、石膏和水。采用不同的材料配置強(qiáng)風(fēng)化白云巖，中風(fēng)化白云巖。試驗(yàn)材料的質(zhì)量配比見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)材料的質(zhì)量配比

考慮巖層厚度的差異，采用 3種厚度來(lái)模擬不同的巖體，尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)分別為0.15 m×0.10 m×0.03 m；0.15 m×0.10 m×0.02 m；0.15 cm×0.10 cm×0.01 cm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，軟弱夾層相似材料要具有強(qiáng)度低、遇水易軟化等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)研究，采取貴州高嶺土摻加部分細(xì)顆粒河沙作為軟弱夾層相似材料。

2.3 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鋬?nèi)框尺寸(長(zhǎng)×高×寬)為2.5 m×2.4 m×0.6 m，前無(wú)遮擋后有擋板。模塊養(yǎng)護(hù)好之后，按照原始擬開(kāi)挖邊坡的坡型、坡體結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建。首先，在模型底部采用混凝土磚塊搭建前低后高，巖層傾角25°的邊坡作為基礎(chǔ)，形成原始邊坡傾斜巖層，然后依次鋪設(shè)試塊。在鋪設(shè)過(guò)程中每一組的分界面鋪設(shè)軟弱夾層的相似材料。軟弱夾層厚度設(shè)置為1～5 mm，盡量做到平整。軟弱夾層模擬材料內(nèi)摩擦角15°，黏聚力太小，可忽略不計(jì)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛罱ㄍ瓿梢院笮枰o置6 h以上，待模型整體趨于穩(wěn)定后，按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行開(kāi)挖。

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦吰聵?biāo)示擬開(kāi)挖坡形線，由上至下依次開(kāi)挖。每開(kāi)挖一級(jí)后，位移計(jì)和壓力計(jì)分別在30 min，1 h，2 h，4 h，8 h進(jìn)行讀數(shù)，直至監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，再進(jìn)行下一級(jí)開(kāi)挖。此外，除了位移計(jì)監(jiān)測(cè)外，在模型表面貼紙片，構(gòu)成監(jiān)測(cè)網(wǎng)，平行層面方向間隔0.15 m，垂直層面方向間隔0.10 m，在不利于布置位移計(jì)處進(jìn)行監(jiān)測(cè)，位移大小采用標(biāo)尺直接測(cè)量，是對(duì)位移計(jì)的補(bǔ)充監(jiān)測(cè)。

3 開(kāi)挖方案設(shè)計(jì)

方案1：緩坡分級(jí)開(kāi)挖。設(shè)計(jì)開(kāi)挖坡角30°，每一級(jí)邊坡高10.0 m，共9級(jí)，設(shè)計(jì)平臺(tái)寬2.0 m，坡向?yàn)镹，開(kāi)挖高度90.0 m，SN向開(kāi)挖，長(zhǎng)170.3 m。設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2(a)。

方案2：設(shè)計(jì)開(kāi)挖坡角50°，每一級(jí)邊坡高10.0 m，共9級(jí)，每3級(jí)設(shè)置1個(gè)寬10.0 m的平臺(tái)，其余平臺(tái)寬2.0 m，開(kāi)挖高度90.0 m，SN向開(kāi)挖，長(zhǎng)107.5 m。設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2(b)。

圖2 開(kāi)挖方案設(shè)計(jì)

4 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)過(guò)程

1)方案1

首先對(duì)邊坡上部的1～3級(jí)坡進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖以后邊坡未產(chǎn)生較為明顯的變形。開(kāi)挖4～6級(jí)坡后，可以觀察到邊坡產(chǎn)生了一定的變形，但整體位移較小，僅在6級(jí)坡的中下部至坡腳出現(xiàn)沿層面的滑動(dòng)現(xiàn)象，其余位置則無(wú)明顯位移。開(kāi)挖7～9級(jí)坡后，在8級(jí)坡的坡腳出現(xiàn)18 mm的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)位移，相當(dāng)于原始邊坡的1.08 m，向下延伸長(zhǎng)度為22 mm，相當(dāng)于原始邊坡的1.32 m。方案1變形破壞過(guò)程見(jiàn)圖3(a)～(d)。

2)方案2

圖3 變形破壞過(guò)程

開(kāi)挖1～3級(jí)坡后,1級(jí)坡中上部及坡頂出現(xiàn)不同程度的裂縫，最大寬度15 mm，相當(dāng)于原始邊坡的0.9 m，在3級(jí)坡的坡腳存在層間錯(cuò)動(dòng)跡象。開(kāi)挖4～6級(jí)坡使得1級(jí)坡拉裂縫增寬，向坡體深處延伸。在3級(jí)坡的坡腳層間錯(cuò)動(dòng)加劇，位移達(dá)50 mm，相當(dāng)于原始邊坡的3 m。模型中部出現(xiàn)裂縫，寬25 mm，向坡體內(nèi)部延伸約46 mm。在6級(jí)坡的坡腳存在沿層面的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)跡象。開(kāi)挖6級(jí)坡后，變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6 h。開(kāi)挖7～9級(jí)坡后，1級(jí)坡拉裂縫寬度、深度持續(xù)增加，寬達(dá)42 mm，3級(jí)坡的坡腳相對(duì)位移68 mm，拉裂縫持續(xù)增寬，向坡體深處延伸。7～8級(jí)坡出現(xiàn)不同程度的拉裂變形。方案2變形破壞過(guò)程見(jiàn)圖3(e)～(h)。

4.2 試驗(yàn)邊坡變形破壞演化過(guò)程

對(duì)方案2從邊坡開(kāi)挖至變形破壞整個(gè)演化過(guò)程分析得出：①邊坡以陡傾角(50°)開(kāi)挖，首先在1級(jí)坡中部出現(xiàn)寬度較大的拉張裂縫，1～3級(jí)坡巖體沿層面向下滑動(dòng)；②邊坡變形失穩(wěn)模式為由上及下、由表及里漸進(jìn)失穩(wěn)，尤其是在降雨后層間軟弱夾層軟化，強(qiáng)度降低致使邊坡變形速度增大，失穩(wěn)破壞特征明顯；③對(duì)含多層軟弱夾層的順層邊坡采用陡傾角(50°)開(kāi)挖時(shí)變形失穩(wěn)范圍較大，破壞深度可達(dá)開(kāi)挖面以下15～35 m，為深層失穩(wěn)破壞。邊坡破壞后從坡頂?shù)狡履_出現(xiàn)多級(jí)滑動(dòng)面。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果擬合分析

圖4 開(kāi)挖邊坡失穩(wěn)范圍預(yù)測(cè)模型

為了計(jì)算簡(jiǎn)單對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了簡(jiǎn)化。開(kāi)挖邊坡失穩(wěn)范圍預(yù)測(cè)模型如圖4所示。其中：H為開(kāi)挖邊坡的總高度，取1.50 m；h為計(jì)算高度到坡腳的垂直距離；h0為軟弱夾層的間距，取5.5 cm；α為巖層傾角，取25°；β為開(kāi)挖邊坡坡角，取30°，50°；Lh為距坡腳垂直高度h的坡面上一點(diǎn)A距坡體內(nèi)部失穩(wěn)邊界的水平距離。A為開(kāi)挖邊坡坡面上的點(diǎn),B為坡體內(nèi)部失穩(wěn)邊界上的點(diǎn)，A，B兩點(diǎn)距X軸的垂直距離均為h，坐標(biāo)分別為A(x1，y1)，B(x2，y2)。

x1=h/tanβ,y1=h

(1)

x2=h/tanβ+Lh，y2=h

(2)

部分試驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 部分試驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表2、圖4可知:B點(diǎn)的軌跡在剪出口附近(M點(diǎn)前)近似于直線，M點(diǎn)后近似于指數(shù)函數(shù)。當(dāng)x≤70 cm時(shí)，采用直線擬合效果較好;當(dāng)x>70 cm時(shí)，使用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合效果較好。因此可建立關(guān)于y軸的分段函數(shù)F(x)。

(3)

式中：a1，b1，a2，b2，c為由α,β,h0,H確定的常數(shù)。

由于數(shù)據(jù)較多，且公式復(fù)雜，故采用MATLAB計(jì)算軟件反復(fù)進(jìn)行多次擬合。將表2數(shù)據(jù)代入式(1)、式(2)中求得x，y的值，再將x，y的值代入式(3)中，擬合求得a1，b1，a2，b2，c的值。

(4)

5 結(jié)論

2)邊坡形成階梯狀滑動(dòng)面，說(shuō)明邊坡破壞在多層軟弱夾層之間同時(shí)進(jìn)行。邊坡變形不是一次產(chǎn)生的，在最終失穩(wěn)破壞前有多次的滑動(dòng)現(xiàn)象。

3)順層巖質(zhì)邊坡變形失穩(wěn)范圍與開(kāi)挖坡角有關(guān)。開(kāi)挖坡角30°時(shí)邊坡破壞主要集中在4～7 m深處，開(kāi)挖坡角50°時(shí)邊坡破壞集中在15～35 m深處。在施工時(shí)應(yīng)采用緩坡角開(kāi)挖。