古鵬翔，駱俊暉，劉先林，馬 沖

(1.廣西陽鹿高速公路有限公司，廣西 南寧 530021；2.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029;3.中國地質(zhì)大學(xué)數(shù)學(xué)與物理學(xué)院，湖北 武漢 430074)

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，各類基礎(chǔ)設(shè)施正在逐步完善，交通運(yùn)輸業(yè)也得到了長足的發(fā)展，如各類公路的修建、鐵路運(yùn)行速度的不斷提升等，都給人們的日常生活帶來了諸多便利[1]。道路是一種條帶狀的構(gòu)筑物，需要跨越眾多地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域，其正常使用期間的安全運(yùn)營與眾多因素密切相關(guān)[2]。邊坡是道路建設(shè)中經(jīng)常遇到的工程狀況之一，其穩(wěn)定性與鄰近構(gòu)筑物和人類工程建設(shè)活動(dòng)密切相關(guān)。現(xiàn)有的研究表明，邊坡的失穩(wěn)大多發(fā)生在軟弱夾層處，該處巖土體的工程性質(zhì)較差，常表現(xiàn)為強(qiáng)度低、滲透性強(qiáng)、細(xì)粒含量高和礦物成分復(fù)雜多樣等特點(diǎn)[3-5]。滑帶土是此類巖土體的典型代表之一。

滑帶土是指在滑坡的發(fā)生和發(fā)展過程中形成的強(qiáng)度較低，呈可塑狀、軟塑狀甚至流塑狀的巖土體。蠕變特性是滑帶土具有的典型特征之一，在一定的應(yīng)力狀態(tài)下，滑帶土的變形隨時(shí)間的推移不斷增加，累積變形至一定程度后，成為誘發(fā)滑坡的重要因素[6]。已有學(xué)者對滑坡滑帶土的蠕變特性進(jìn)行了廣泛的研究，主要通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了滑帶土長期強(qiáng)度、蠕變曲線特征以及地質(zhì)條件與外部自然環(huán)境對滑帶土蠕變特性的影響等[7-10]。這些前人研究結(jié)果明確了滑坡滑帶土應(yīng)力-應(yīng)變特征的時(shí)效性及其對邊坡長期穩(wěn)定性的重要性。為了揭示滑坡滑帶土蠕變特性的原因，一些學(xué)者研究了不同含水量、顆粒粒徑和礦物侵蝕程度等條件下滑帶土蠕變特征的差異，并據(jù)此建立了許多理論、半理論模型來描述滑帶土蠕變特性的影響因素與其力學(xué)特性之間的相互關(guān)系[11-14]。雖然人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到滑帶土的蠕變特性對邊坡安全穩(wěn)定的重要性，但是在對邊坡的長期穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)時(shí)，鮮有考慮滑帶土蠕變特性的影響[16]，同時(shí)考慮滑帶土蠕變特性的邊坡長期穩(wěn)定性預(yù)測分析也少有相關(guān)報(bào)道。

鑒于此，本文以某巖質(zhì)邊坡為工程實(shí)例，首先在已有滑坡事故調(diào)查的基礎(chǔ)上，明確了邊坡軟弱夾層中滑帶土的蠕變特性對邊坡長期穩(wěn)定性的重要性，并通過現(xiàn)場監(jiān)測和室內(nèi)環(huán)剪試驗(yàn)，探明不同含水量和法向應(yīng)力條件下邊坡滑帶土的蠕變變形曲線特征；然后通過引入有關(guān)損傷變量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，建立用于描述邊坡滑帶土蠕變特性的非線性蠕變本構(gòu)模型；最后將模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證所建立模型的有效性和可靠性，并通過預(yù)測邊坡軟弱夾層塑性剪切應(yīng)變的發(fā)展趨勢，對邊坡的長期穩(wěn)定性做出了評價(jià)，討論計(jì)算模型對于外部環(huán)境因素影響的局限性。該研究結(jié)果對于邊坡長期穩(wěn)定性的正確評價(jià)以及滑坡災(zāi)害的高效預(yù)警具有重要的借鑒與參考價(jià)值。

1 工程概況

某巖質(zhì)邊坡整體地勢呈東南高、西北低，邊坡縱、橫向長度約為300～400 m，海拔高程范圍為900～1 400 m。該邊坡坡向?yàn)?90°，坡角為60°～65°，巖層產(chǎn)狀為290°～320°∠11°～13°，邊坡上潛在滑體(變形體)厚度約為10～60 m，判斷為一大型順層巖質(zhì)滑坡。據(jù)現(xiàn)有調(diào)查資料發(fā)現(xiàn)，該邊坡在2011年4月底發(fā)生中型滑坡，滑坡整體橫向?qū)挾燃s為250 m，縱向長度約為200 m，崩塌體積約為20萬m3(見圖1)。通過對此次滑坡事故的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，該滑坡體滑面是一軟弱夾層，巖層的傾角較緩，在15°以內(nèi)。若按照傳統(tǒng)極限平衡理論對該滑坡潛在滑動(dòng)體的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，則其處于安全范圍內(nèi)，這與現(xiàn)有事實(shí)相違背，故該滑坡發(fā)生的根本原因有待進(jìn)一步探索。

圖1 具有軟弱夾層的某巖質(zhì)邊坡發(fā)生滑坡前后的照片F(xiàn)ig.1 Photos of a rock slope with soft interlayer before and after the landslide

為了防范此類滑坡事故的再次發(fā)生，工程建設(shè)人員加強(qiáng)了對該邊坡現(xiàn)有危巖體的變形監(jiān)測，經(jīng)過長達(dá)一年的現(xiàn)場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該邊坡在海拔1 300 m左右處的人工平臺(tái)處變形體處于蠕動(dòng)變形階段，其3個(gè)典型監(jiān)測點(diǎn)(B5-1、B8-1、B10-1)的位移監(jiān)測結(jié)果見圖2。

圖2 含緩傾軟弱夾層高邊坡的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)圖Fig.2 Displacement monitoring data chart of high slope with gently-inclined soft interlayer

由圖2可見，該邊坡3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的位移隨著時(shí)間的推移均有不同程度的增長，變形曲線表現(xiàn)為波動(dòng)式增長，其中最大位移增量達(dá)5 cm。與此同時(shí)，現(xiàn)場監(jiān)測還發(fā)現(xiàn)，邊坡中存在泥化夾層軟弱帶，當(dāng)?shù)赜昙酒陂g泥化夾層軟弱帶中存在水分滲出現(xiàn)象。該邊坡泥化夾層軟弱帶中土體的含水量在15%～30%之間，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別約為60 kPa和11°，邊坡軟弱夾層上下灰?guī)r的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別約為37.54 MPa和32.52°。上述邊坡變形監(jiān)測與軟弱夾層的調(diào)研結(jié)果表明，在自然降雨等因素的誘發(fā)下，高邊坡變形體處于蠕動(dòng)變形階段，隨著時(shí)間的不斷推移，邊坡軟弱夾層強(qiáng)度不斷喪失，其變形體將會(huì)沿著軟弱夾層發(fā)生滑動(dòng)、失穩(wěn)。因此，研究邊坡軟弱夾層中滑帶土的蠕變特性，對于評價(jià)邊坡的長期穩(wěn)定性至關(guān)重要。

2 邊坡軟弱夾層中滑帶土的蠕變特性

本文通過室內(nèi)環(huán)剪試驗(yàn)研究了邊坡軟弱夾層中滑帶土的蠕變特性。

2.1 試驗(yàn)材料與方法

現(xiàn)場取某巖質(zhì)邊坡軟弱夾層中的滑帶土，密封后，盡量減少擾動(dòng)并立即運(yùn)輸至室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室。為了研究滑帶土的蠕變特性，對人工配置不同含水量的重塑滑帶土試樣進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn)。重塑滑帶土試樣含水量w分別設(shè)置為15%、19%、23%、27%、31%，試樣干密度控制為1.68 g/cm3，與原狀土干密度一致?；瑤恋奶烊缓吭?8.75%～26.86%之間，為了使重塑滑帶土試樣制備的含水量與天然含水量一致，故將其含水量設(shè)置為15%～31%。根據(jù)邊坡軟弱夾層上覆巖土體厚度變化，設(shè)置環(huán)剪試驗(yàn)的法向應(yīng)力σ為200 kPa和400 kPa。剪切試驗(yàn)開始前，需要對試樣進(jìn)行固結(jié)，分兩段過程將法向固結(jié)壓力加載至1 000 kPa，并維持6 h后，以設(shè)定速率將法向應(yīng)力減小至需要水平(200 kPa和400 kPa)。由于固結(jié)階段的法向應(yīng)力高于剪切過程所需的法向應(yīng)力，因此在法向應(yīng)力逐漸減小的過程中，試樣有可能會(huì)產(chǎn)生回彈變形。為了避免這一影響，各級(jí)法向應(yīng)力均保持2 h后(法向變形穩(wěn)定)再進(jìn)行剪切試驗(yàn)[16]。

環(huán)剪試驗(yàn)中保證每一級(jí)剪切應(yīng)力加載時(shí)間不小于5 h，每一級(jí)剪切應(yīng)力加載最后2 h內(nèi)試樣位移量小于0.01 mm后，進(jìn)行下一級(jí)剪切應(yīng)力的加載。破壞級(jí)剪切應(yīng)力加載到試樣產(chǎn)生明顯破壞時(shí)，停止試驗(yàn)。環(huán)剪試驗(yàn)過程中切向位移和剪切應(yīng)力的數(shù)據(jù)采集頻率為3 min/次，環(huán)剪試驗(yàn)具體加載方案見表1。

表1 環(huán)剪試驗(yàn)加載方案Table 1 Loading program of ring shear test

2.2 滑帶土蠕變特性分析

巖土材料的蠕變特征是指，在保持應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時(shí)間推移而不斷增長的現(xiàn)象。圖3為不同法向應(yīng)力條件下，具有不同含水量的滑帶土蠕變變形曲線。

由圖3可以看出：①所有滑帶土試樣的剪切曲線均具有蠕變特征，即各級(jí)剪切應(yīng)力條件下，試樣的剪切應(yīng)變(Y-應(yīng)變)隨著時(shí)間(X-時(shí)間)的增長存在不同程度的增加；②含水量和法向應(yīng)力對試樣的蠕變特性存在影響，即相同法向應(yīng)力條件下，含水量越大的試樣，蠕變特征越明顯，且400 kPa法向應(yīng)力下相同試樣的蠕變特征顯著于200 kPa法向應(yīng)力條件下的結(jié)果；③第6級(jí)剪切荷載作用下，試樣經(jīng)歷了短暫的穩(wěn)定蠕變變形后，蠕變變形產(chǎn)生了突變，蠕變變形急劇增大，試樣發(fā)生了完全破壞；④雖然試樣具有不同的含水量，但其在相同法向應(yīng)力下發(fā)生破壞的時(shí)間相差不大(σ=200 kPa、w=19%的試樣除外)。

值得注意的是，滑帶土試樣的蠕變變形曲線具有非線性蠕變變形特征，如σ=400 kPa時(shí)，第5級(jí)剪切荷載作用下滑帶土試樣的應(yīng)變(Y)-時(shí)間(X)曲線[見圖3(b)]。這是由于滑帶土試樣中含有較多的顆粒介質(zhì)，在環(huán)剪應(yīng)力條件下，顆粒會(huì)發(fā)生滑移、錯(cuò)動(dòng)、翻爬等現(xiàn)象，這是產(chǎn)生非線性蠕變變形特征的主要原因；而含水量的差別，會(huì)導(dǎo)致滑帶土試樣中孔隙水壓力、顆粒之間的相互接觸狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而影響其在不同剪切應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變變形特征。

圖3 不同含水量和法向應(yīng)力條件下邊坡滑帶土的蠕變變形曲線Fig.3 Curves of creep deformation of the sliding zone soils with different moisture content and normal stress

3 邊坡長期穩(wěn)定性計(jì)算與分析

3.1 邊坡長期穩(wěn)定性計(jì)算模型

根據(jù)某巖質(zhì)邊坡的潛在滑動(dòng)面(軟弱夾層)方位，本文選取該邊坡兩處典型工程地質(zhì)剖面進(jìn)行邊坡長期穩(wěn)定性計(jì)算與分析，見圖4。該邊坡兩處典型剖面的人工微平臺(tái)處均設(shè)置有一個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)，即監(jiān)測點(diǎn)A和B。本文利用ANSYS商業(yè)軟件對邊坡長期穩(wěn)定性計(jì)算模型進(jìn)行建模處理和網(wǎng)格劃分，其中對該邊坡的潛在滑動(dòng)面區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，以提高計(jì)算結(jié)果的精度。將前處理完成的計(jì)算模型，導(dǎo)入有限差分軟件FLAC3D軟件中，對邊坡潛在滑動(dòng)面的上覆巖土體采用傳統(tǒng)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則、滑帶土采用非線性損傷蠕變準(zhǔn)則進(jìn)行了應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算。

圖4 某巖質(zhì)邊坡典型剖面工程地質(zhì)剖面圖Fig.4 Engineering geological profile of the typical sections of the rock slope

在前期剪切試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)有損傷力學(xué)分析的基礎(chǔ)上[3]，得到具有蠕變特征的滑帶土瞬時(shí)彈性模量的損傷變量D1(w)和黏性系數(shù)的損傷變量D2(w)均與含水量w之間呈指數(shù)關(guān)系，其表達(dá)式如下：

(1)

式中:Z為土體物理量參數(shù)變量號(hào)，括號(hào)中15表示土體含水量為15%;a、b、c為無量綱系數(shù)。

圖5為非線性黏彈塑性模型及各元件組合示意圖。該模型由虎克彈簧、Abel黏壺和塑性體3種元件組成，其中E表示滑帶土瞬時(shí)彈性模量(MPa)；μ1、μ2分別表示兩個(gè)Abel黏壺的黏性系數(shù)(GPa/h)；β1、β2分別表示兩個(gè)Abel黏壺的分階階數(shù)；σs為夾層土體的屈服應(yīng)力(MPa)；ε1、ε2、ε3分別代表各串聯(lián)部分的應(yīng)變。

圖5 非線性黏彈塑性模型及各元件組合示意圖Fig.5 Schematic diagram of the non-linear iscoelastic plastic model and the combination of elements

當(dāng)剪應(yīng)力水平τ小于夾層土體的屈服應(yīng)力σs時(shí)，土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為

(2)

當(dāng)剪應(yīng)力水平τ大于夾層土體的屈服應(yīng)力σs時(shí)，土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為

(3)

將前述的滑帶土黏性系數(shù)損傷變量D2(w)與含水量w的關(guān)系式[公式(1)]代入，得到滑帶土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型如下：

(4)

式中:ε為應(yīng)變；τ為切應(yīng)力(MPa)；G為剪切模量(MPa)；t為時(shí)間(d)；Г為張量；β為分階階數(shù)；μ為黏性系數(shù)(GPa/h)。

模型中基本力學(xué)參數(shù)ε、τ和G可通過室內(nèi)土工試驗(yàn)直接獲得；β、μ和m參數(shù)可利用反演的方法獲得，具體操作過程可參考文獻(xiàn)[3]。

3.2 邊坡長期穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)室內(nèi)環(huán)剪試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合參數(shù)反演的方法獲取了某巖質(zhì)邊坡計(jì)算剖面土體的主要力學(xué)參數(shù)值，具體見表2。

表2 某巖質(zhì)邊坡計(jì)算剖面土體的主要力學(xué)參數(shù)值Table 2 Mechanical parameters of the soil in the calculated sections of the rock slope

圖6為某巖質(zhì)邊坡計(jì)算剖面上監(jiān)測點(diǎn)位移的模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比。

圖6 某巖質(zhì)邊坡計(jì)算剖面上A和B監(jiān)測點(diǎn)位移的模型 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比Fig.6 Comparison of displacement at the detection point A and B on the sections for calculation between the calculated results and the measured results

由圖6可見，整體來說，邊坡計(jì)算剖面上兩處監(jiān)測點(diǎn)A和B位移的模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較為吻合，兩者變化趨勢基本一致，一年后的位移量相差無幾。

由于降雨、氣溫等自然條件的復(fù)雜多變，監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測位移隨監(jiān)測時(shí)間的增長呈波動(dòng)式增加，且實(shí)測值較計(jì)算值偏高，這是由于基于滑帶土蠕變特征的模型計(jì)算并未考慮邊坡所處自然環(huán)境的影響，然而降雨入滲、氣溫交替變化等均會(huì)對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的不利影響。通過將該邊坡計(jì)算剖面上兩處監(jiān)測點(diǎn)A和B位移的計(jì)算值與實(shí)測值的對比，結(jié)果表明考慮邊坡滑帶土蠕變特性的應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算模型能夠合理地描述邊坡潛在滑動(dòng)面的長期變形特征，可用于邊坡安全的長期評價(jià)與災(zāi)害預(yù)警。

3.3 邊坡長期穩(wěn)定性預(yù)測

圖7為未來一年內(nèi)某巖質(zhì)邊坡計(jì)算剖面兩處監(jiān)測點(diǎn)A和B位移的預(yù)測結(jié)果。

圖7 未來一年內(nèi)某巖質(zhì)邊坡計(jì)算剖面上A和B監(jiān)測點(diǎn) 位移的變化曲線Fig.7 Curves of displacement at the detection point A and B on the calculation sections in the rock slope in the next year

由圖7可見，在現(xiàn)有地質(zhì)條件下，一年后邊坡計(jì)算剖面上監(jiān)測點(diǎn)A的位移量約為200 mm，監(jiān)測點(diǎn)B的位移量約為300 mm；位移量隨時(shí)間的逐漸增加，其增長速率不斷減小，符合滑帶土蠕變變形的基本特征，即在應(yīng)力狀態(tài)基本不變的條件下，其變形隨時(shí)間緩慢增加。當(dāng)邊坡軟弱潛在滑動(dòng)體的變形量積累到一定“量”時(shí)，就會(huì)發(fā)生“質(zhì)”變，此時(shí)其變形量會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)急劇增加，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞。

為了全面地評價(jià)該邊坡的長期穩(wěn)定性，本文對未來一年內(nèi)邊坡1-1′和2-2′剖面軟弱潛在滑動(dòng)面的塑性剪切變形及其發(fā)展趨勢進(jìn)行了模擬計(jì)算，其剪應(yīng)變增量的變化云圖見圖8和圖9。分別選取4個(gè)月、8個(gè)月和12個(gè)月為時(shí)間間隔，分析該邊坡軟弱夾層應(yīng)變增量的變化規(guī)律。

圖8 某巖質(zhì)邊坡1-1′剖面軟弱潛在滑動(dòng)面剪應(yīng)變 增量的變化云圖Fig.8 Cloud chart of shear strain increment of the 1-1 ′section as the potential sliding surface of the rock slope

圖9 某巖質(zhì)邊坡2-2′剖面軟弱潛在滑動(dòng)面的剪應(yīng)變 增量變化云圖Fig.9 Cloud chart of shear strain increment of the 2-2′ section as the potential sliding surface of the rock slope

由圖8和圖9可以看出：

(1) 邊坡1-1′剖面軟弱潛在滑動(dòng)面的剪應(yīng)變增量隨著預(yù)測時(shí)間的推移不斷增加；4個(gè)月后，其最大剪應(yīng)變增量約為1.34×10-2，分別出現(xiàn)在變形體滑動(dòng)面的坡腳和中上部；8個(gè)月后，其最大剪應(yīng)變增量繼續(xù)增加，并逐步從坡頂、坡腳處向中部貫通，其剪應(yīng)變增量在8個(gè)月和12個(gè)月后分別為1.66×10-2和2.01×10-2。

(2) 邊坡2-2′剖面軟弱潛在滑動(dòng)面的剪應(yīng)變增量變化與1-1′剖面類似，主要存在以下兩點(diǎn)不同：相同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下，邊坡2-2′剖面軟弱潛在滑動(dòng)面的剪應(yīng)變增量值略高于1-1′剖面，這與前述實(shí)測結(jié)果(見圖6)和模型計(jì)算結(jié)果(見圖7)均一致；邊坡2-2′剖面軟弱潛在滑動(dòng)面的塑性變形區(qū)域較小，均勻分布于邊坡整個(gè)潛在滑動(dòng)面。由此推斷，相似地質(zhì)條件下，該邊坡2-2′剖面位置的滑帶土力學(xué)性質(zhì)較差，邊坡安全性較低。

綜上所述，隨著時(shí)間的推移，該邊坡軟弱夾層中的滑帶土不斷發(fā)生蠕變變形，這對于邊坡的長期穩(wěn)定性顯然是不利的。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果可知，一年以內(nèi)，該邊坡潛在滑動(dòng)面的剪應(yīng)變增量分布尚未完全貫通，據(jù)此可以預(yù)測邊坡失穩(wěn)的可能性不大，但在極端自然災(zāi)害的影響下，如強(qiáng)降雨、地震等，邊坡仍有發(fā)生滑坡的可能性。因此，建議繼續(xù)加強(qiáng)對該邊坡潛在滑動(dòng)面及變形體的變形監(jiān)測，并與模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比，針對異常情況，及時(shí)采取有效的工程防護(hù)措施，以防止滑坡事故的發(fā)生。

4 結(jié) 論

(1) 邊坡中軟弱夾層的工程性質(zhì)對其穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響，軟弱夾層中的滑帶土的蠕變特性對邊坡安全有著顯著的影響，在評價(jià)邊坡長期穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)全面考慮這一影響。

(2) 以含水量為變量的損傷變量的蠕變本構(gòu)模型，可以有效地描述邊坡滑帶土的蠕變特性以及進(jìn)行相關(guān)邊坡的長期變形、穩(wěn)定性預(yù)測。該模型計(jì)算的變形量與實(shí)測結(jié)果較吻合，但由于自然環(huán)境的不利影響，導(dǎo)致模型的計(jì)算值略低于實(shí)測值。

(3) 根據(jù)模型預(yù)測結(jié)果，一年后某巖質(zhì)邊坡變形體的累積變形可達(dá)數(shù)十厘米，邊坡軟弱夾層的剪切塑性應(yīng)變隨時(shí)間的推移不斷增加，呈逐漸貫通趨勢，出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的概率顯著增大。同時(shí)，由于外界強(qiáng)烈自然條件的影響，應(yīng)加強(qiáng)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比，并采取合理的工程防治措施，以防止滑坡事故的發(fā)生。