王紅明, 代先堯， 羅紅明, 程江濤

(1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司, 湖北 武漢 430051; 2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

1 引言

隨著中國(guó)高速公路建設(shè)在山區(qū)及丘陵區(qū)的不斷推進(jìn)，致使挖方邊坡和填方邊坡大量存在。因此，開展高速公路邊坡穩(wěn)定性的研究是高速公路建設(shè)的一個(gè)熱點(diǎn)?；略谛纬蛇^程中，由于其物質(zhì)組成、地質(zhì)環(huán)境等都不盡相同，所以它們的變形破壞方式、成因機(jī)制等也會(huì)不同。對(duì)于一個(gè)滑坡，它的穩(wěn)定性計(jì)算以及針對(duì)穩(wěn)定狀況采取的處理措施是以正確地分析它的成因機(jī)制為基礎(chǔ)，只有了解滑坡的成因機(jī)制才能對(duì)它的穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，所以必須對(duì)滑坡的成因機(jī)制問題有一個(gè)透徹的了解。

滑坡形成的機(jī)制分析一般采用工程地質(zhì)分析方法、數(shù)值模擬方法及物理模擬方法。大多數(shù)工程地質(zhì)工作者從滑坡所處的地質(zhì)條件出發(fā)，采用“地質(zhì)分析方法”，對(duì)滑坡的成因過程及變形機(jī)制進(jìn)行分析，該方法偏重于地質(zhì)條件對(duì)滑坡形成的定性描述分析，忽視了滑坡變形全過程，不能夠反映出滑坡形成的主導(dǎo)因素；而數(shù)值模擬和物理模擬方法可以定量或半定量地再現(xiàn)滑坡變形破壞過程和內(nèi)部機(jī)制作用過程，從整體上、理性上認(rèn)識(shí)滑坡的變形破壞機(jī)制，認(rèn)識(shí)滑坡穩(wěn)定性的發(fā)展變形，成為當(dāng)前滑坡形成機(jī)制研究應(yīng)用較多的方法。目前對(duì)滑坡形成機(jī)制的分析多采用地質(zhì)分析法或數(shù)值模擬法，鮮見考慮邊坡的地質(zhì)環(huán)境條件影響的研究。

該文首先采用地質(zhì)分析方法對(duì)鄂西山區(qū)谷竹高速公路K81+100～K81+500段滑坡的地質(zhì)環(huán)境條件進(jìn)行分析，闡明滑坡形成的工程地質(zhì)條件，結(jié)合變形破壞跡象，揭示滑坡的變形破壞模式；然后采用FLAC3D對(duì)滑坡的形成機(jī)制進(jìn)行數(shù)值模擬，再現(xiàn)滑坡變形破壞全過程，綜合分析滑坡的變形破壞機(jī)制，揭示滑坡機(jī)理，為滑坡災(zāi)害評(píng)價(jià)和防治提供依據(jù)，確保高速公路正常建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)。

2 滑坡的地質(zhì)環(huán)境條件

該研究滑坡起始樁號(hào)為湖北谷(城)竹(溪)高速公路的K81+100，邊坡全長(zhǎng)約400 m，行政區(qū)劃隸屬于湖北十堰市房縣青峰鎮(zhèn)陡口村一帶。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)為構(gòu)造剝蝕侵蝕低山區(qū)，滑坡高度約145 m，地形坡度為20°～40°，坡體表面多覆蓋有殘坡積物和沖洪積物。地表出露基巖屬于片巖類，為淺灰色、灰白色絹云鈉長(zhǎng)石英片巖及絹云石英片巖。

該滑坡位于山梁以下的斜坡地帶，區(qū)內(nèi)的縱坡降較大，是地下水的補(bǔ)給區(qū)及徑流區(qū)，地下水主要是基巖裂隙水，分布較不均勻。

3 滑坡工程地質(zhì)特征

3.1 滑坡形態(tài)特征

滑坡整體呈南高北低，滑坡前緣和后緣的高程分別為399、492 m，高差93 m，滑坡總面積約7.5×104m2。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)滑坡區(qū)均有貫通的裂縫發(fā)育，滑坡前緣發(fā)育有剪切裂縫、后緣發(fā)育有張拉裂縫且錯(cuò)落明顯，滑坡兩側(cè)以剪切裂縫為主，滑坡范圍示意圖如圖1所示。

圖1 滑坡范圍示意圖

滑坡后緣位于高程492 m的緩坡段，以地面拉裂及其錯(cuò)落現(xiàn)象為主，后緣斷壁清晰。錯(cuò)落高度0.3～1.5 m，拉裂面產(chǎn)狀為NE35°∠55°，裂縫寬度0.05～0.5 m、深0.1～0.6 m。在該拉裂面后部緩坡區(qū)土體中發(fā)育一些因牽引導(dǎo)致的拉裂縫。前緣位于現(xiàn)開挖的路基中線附近，高程為399 m。

據(jù)野外調(diào)查，該滑坡右側(cè)邊界較明顯，可見連續(xù)的地面裂縫，以剪切裂縫為主、少量為拉裂縫。

滑坡左側(cè)地表變形不明顯，局部(即在左側(cè)中后部)見有少量裂縫。根據(jù)野外調(diào)查，結(jié)合滑坡區(qū)地形地貌條件，確定以滑坡左側(cè)山體沖溝為滑坡左側(cè)邊界。

3.2 滑坡物質(zhì)組成特征

滑坡區(qū)主要地層巖性為殘坡積土和片巖，滑坡區(qū)地質(zhì)剖面圖如圖2所示，主要物質(zhì)組成為：① 褐黃色、土黃色粉質(zhì)黏土，分布于滑坡中后部，厚度0.4～7.1 m；② 灰黃色、灰綠色碎石土，分布于滑坡中后部，厚度為1.8～11.2 m；③ 灰黃色、灰綠色滑帶土，為粉質(zhì)黏土夾碎石，層厚為0.1～0.6 m；④ 青灰色、灰黃色片巖，巖層面傾向指向邊坡臨空面。

3.3 滑坡變形破壞跡象

該邊坡于2010年10月25日施工開挖，施工期間曾多次發(fā)生小型滑坡，2011年6月持續(xù)性降雨造成滑坡產(chǎn)生了新的變形，已經(jīng)填埋的滑坡后部裂縫重新開裂，在開挖區(qū)路基中心發(fā)現(xiàn)滑坡的前緣剪出口，滑面擦痕明顯，同樣在一級(jí)坡頂平臺(tái)以上的二級(jí)邊坡坡面上發(fā)現(xiàn)3段滑面，擦痕明顯。

圖2 谷竹高速公路K81+100～K81+500段滑坡Ⅱ-Ⅱ′橫斷面圖

根據(jù)上述變形跡象，可以初步判斷路基中心處的剪出口為滑坡深層滑動(dòng)的剪出口，一級(jí)坡頂平臺(tái)以上二級(jí)邊坡坡腳的剪出口為淺層滑動(dòng)的前緣剪出口。因此，該滑坡是一個(gè)多級(jí)滑面的復(fù)雜滑坡。

4 滑坡形成機(jī)制數(shù)值模擬分析

采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)邊坡開挖過程中的變形特征進(jìn)行模擬分析，進(jìn)而揭示出滑坡的變形破壞機(jī)制，為路塹邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

4.1 計(jì)算模型和邊界條件

在滑坡勘察資料的基礎(chǔ)上，建立計(jì)算模型。模型長(zhǎng)500 m(X軸方向)，底部高程為200 m，表面為地表實(shí)際高程。位移邊界條件為左、右兩側(cè)采用水平約束，底面采用雙向約束，頂面為自由邊界。

4.2 力學(xué)模型與計(jì)算參數(shù)

斜坡巖土體變形破壞滿足莫爾-庫(kù)侖彈塑性強(qiáng)度準(zhǔn)則。計(jì)算模型中采用的各巖土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土層計(jì)算參數(shù)

根據(jù)高速公路施工方案，該剖面處按4級(jí)臺(tái)階開挖(自下而上分別為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí))，在模擬計(jì)算中按4級(jí)臺(tái)階開挖施工方案進(jìn)行模擬。

4.3 模擬結(jié)果分析

(1) 滑坡在開挖過程中不平衡力演化過程曲線見圖3。隨著開挖過程的進(jìn)行，斜坡系統(tǒng)的不平衡力收斂時(shí)間逐漸加長(zhǎng)，表明了開挖引起滑坡的變形在逐步發(fā)展，滑坡的應(yīng)力也在逐步調(diào)整中；當(dāng)?shù)谒募?jí)臺(tái)階開挖時(shí)，系統(tǒng)的不平衡力變化很大，主要是由于開挖對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)較大。而在第一級(jí)臺(tái)階開挖時(shí)，斜坡系統(tǒng)的不平衡力收斂時(shí)間最長(zhǎng)，說明在該階段，系統(tǒng)基本處于相對(duì)極限狀態(tài)，也說明該階段發(fā)生變形也是最大，變形的歷時(shí)也是較長(zhǎng)的。

(2) 開挖過程中X方向的位移圖見圖4。開挖之初邊坡就產(chǎn)生了位移，這是坡體開挖引起的“卸荷回彈”導(dǎo)致。當(dāng)開挖至四級(jí)、三級(jí)平臺(tái)時(shí)，主要是邊坡的后部發(fā)生變形，因而在滑坡的中后部尤其是后部會(huì)出現(xiàn)較多拉裂縫。

圖3 開挖過程中系統(tǒng)不平衡力演化過程曲線圖

圖4 開挖后X方向位移圖(單位：m)

當(dāng)開挖至二級(jí)平臺(tái)時(shí)，邊坡體變形開始逐漸增大，邊坡變形的范圍也開始向坡腳發(fā)展。當(dāng)開挖到道路設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，滑坡的變形將更加明顯，最大變形區(qū)前移，滑坡整體變形較大而發(fā)生明顯的破壞。

(3) 滑坡開挖過程中塑性區(qū)分布圖見圖5。

由圖5可知：在邊坡開挖過程中，邊坡塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，在開挖到第三級(jí)平臺(tái)后，邊坡體局部已經(jīng)有塑性區(qū)開始貫通，此時(shí)三級(jí)邊坡的坡腳塑性區(qū)集中分布，從而引發(fā)邊坡淺層發(fā)生滑動(dòng)，此現(xiàn)象與現(xiàn)場(chǎng)情況基本一致。開挖到二級(jí)平臺(tái)后，邊坡內(nèi)部塑性區(qū)出現(xiàn)貫通，邊坡后部表現(xiàn)為拉破壞，邊坡前部表現(xiàn)為剪切破壞。此現(xiàn)象也與現(xiàn)場(chǎng)的剪出口特性基本一致。若在該工況下繼續(xù)開挖邊坡，挖至設(shè)計(jì)道路標(biāo)高，滑體塑性區(qū)貫通，前緣破壞范圍將繼續(xù)擴(kuò)大，從而引起滑坡發(fā)生滑動(dòng)破壞。

圖5 開挖后塑性區(qū)分布圖

4.4 滑坡形成機(jī)制分析

通過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，影響該滑坡形成的主要因素有：地層巖性、地形、地貌、水文地質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造等。自然斜坡總體坡度30°左右，斜坡坡頂高程525.3 m，坡腳峪家灣溝高程約381.8 m，相對(duì)高差約143.5 m。高速公路經(jīng)過該斜坡時(shí)，路基開挖形成的坡度為45°，該陡峭的臨空面是滑坡形成的前提條件。

滑坡區(qū)為第四系殘坡積物，松散～稍密狀，含有較多碎石，滑床為元古界武當(dāng)山群淺灰～灰白色絹云鈉長(zhǎng)石英片巖、絹云石英片巖，產(chǎn)狀為310°～15°∠34°～40°，為順層邊坡，節(jié)理裂隙發(fā)育，易風(fēng)化，遇水易軟化，為滑坡的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

滑坡區(qū)內(nèi)地形縱坡較大，為地下水補(bǔ)給、徑流提供了有利條件，路塹開挖改變了邊坡原有的應(yīng)力，破壞了原有的力學(xué)平衡條件，特別是切腳開挖成為導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)的觸發(fā)因素。

通過數(shù)值模擬分析，路塹開挖打破了原滑坡應(yīng)力，對(duì)滑坡發(fā)生變形起到了誘發(fā)和加速的作用。該滑坡的坡腳部分位移較小，而坡頂部分的位移較大，此現(xiàn)象表明該滑坡尚處于蠕滑階段，同時(shí)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)該滑坡的中前部為擠壓狀態(tài)，故該滑坡為推移式滑坡，此與工程地質(zhì)分析一致。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)值模擬結(jié)果表明：開挖到二級(jí)平臺(tái)時(shí)，該滑坡尚處在蠕動(dòng)變形階段，為極限平衡穩(wěn)定狀態(tài)。如果按照原方案繼續(xù)開挖到路基的高程，則邊坡體的變形會(huì)進(jìn)一步加劇，甚至?xí)?dǎo)致大規(guī)?；碌陌l(fā)生，其后果將十分嚴(yán)重。因此，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)該邊坡采取了抗滑樁加卸載等緊急措施保證邊坡穩(wěn)定后，繼續(xù)開挖至設(shè)計(jì)路基高程，現(xiàn)谷竹高速公路已通車運(yùn)營(yíng)，該處邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

(1) 通過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，影響該滑坡形成的物質(zhì)條件主要有：地層巖性、地形、地貌、水文地質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造等，邊坡開挖是導(dǎo)致滑坡形成的觸發(fā)因素，同時(shí)雨水入滲也是觸發(fā)滑坡發(fā)生的重要因素。

(2) 采用數(shù)值模擬手段分析了滑坡的形成機(jī)制，路塹開挖打破了原滑坡應(yīng)力，對(duì)滑坡發(fā)生變形起了誘發(fā)和加速作用?；轮泻蟛课灰屏看?、前緣區(qū)位移量小，表現(xiàn)為滑坡中前部滑體處于擠壓變形狀態(tài)，為推移式滑坡。

(3) 從邊坡開挖到二級(jí)平臺(tái)時(shí)的變形跡象和數(shù)值模擬結(jié)果來看，此狀態(tài)下滑坡尚處在蠕動(dòng)變形階段，為極限平衡穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)該邊坡采取了抗滑樁加卸載等緊急措施保證邊坡穩(wěn)定后，繼續(xù)開挖至設(shè)計(jì)路基高程，現(xiàn)邊坡運(yùn)行穩(wěn)定。