邵銀龍，楊皓然，王俊杰，楊 洋

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122； 3.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074； 4.華東勘測設(shè)計院(福建)有限公司，福建 福州 350003)

紅層是經(jīng)紅色陸相沉積而成的白堊紀(jì)、侏羅紀(jì)地層，廣泛分布于我國西南地區(qū)，以砂泥巖為主，多為軟硬互層結(jié)構(gòu)。由于紅層巖體強度較低，風(fēng)化程度高，且含有大量蒙脫石、伊利石等礦物成分，因此吸水易軟化，失水易崩解[1-2]，這種特殊巖性往往導(dǎo)致紅層邊坡對外界因素的敏感性較高，穩(wěn)定性易受擾動。隨著道路及水利工程建設(shè)項目的與日俱增，山區(qū)及庫岸紅層邊坡切坡失穩(wěn)案例屢見不鮮[3-4]。

目前對于紅層邊坡切坡失穩(wěn)機制的研究多以定性分析及數(shù)值模擬為主。胡厚田等[5-6]根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征，劃分了紅層巖坡典型類型并分析了其變形破壞模式，同時指出降雨入滲及切坡開挖為紅層坡體主要致災(zāi)成因；蔣正等[7]基于西南地區(qū)紅層邊坡特征統(tǒng)計，采用Sarma法、赤平投影法對坡體穩(wěn)定性作出了評價，研究表明順層紅層坡體以層面為潛在滑移面，主要失穩(wěn)機制為拉裂-滑移破壞模式，而反向坡受差異性風(fēng)化作用影響明顯，易產(chǎn)生危巖體，發(fā)生拉裂-崩塌破壞；武鑫等[8]采用數(shù)學(xué)回歸模型，對坡體變形演化作出了預(yù)測；侯李杰等[9-11]采用數(shù)值模擬手段對紅層坡體切坡后的變形規(guī)律及應(yīng)力特征進行了研究。然而定性分析無法定量反映外界條件影響下的坡體形態(tài)及位移和應(yīng)力變化特征，數(shù)值模擬由于模型邊界尺寸、網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)選取存在一定差異而導(dǎo)致結(jié)果需要進一步驗證，因此需要引入物理模型試驗結(jié)合定性分析與數(shù)值模擬進行直觀系統(tǒng)的研究。Fumagalli[12]基于意大利瓦意昂拱壩潰壩事件，首次建構(gòu)了大比例尺(幾何比尺CL=35)下的三維物理模型試驗，較形象地模擬了拱壩壩基巖體滑動失穩(wěn)過程；Mohammed等[13]建立了三維可變形粒狀滑坡模型，模擬了顆粒料坡體動態(tài)滑動過程；Braathen等[14]研究了挪威境內(nèi)巖石邊坡破壞模式，并提出了邊坡破壞的地質(zhì)力學(xué)模型；何劉等[15]采用單向振動試驗臺模擬了動荷載下順層巖質(zhì)邊坡物理模型變形破壞過程和加速度分布情況；李祥龍等[16]用離心機分析了小比尺層狀節(jié)理巖體邊坡物理模型的動力響應(yīng)情況；宋婭芬等[17]依據(jù)地質(zhì)分析及相似理論建立紅層軟硬巖互層邊坡室內(nèi)框架物理模型，模擬了工程切坡和雨水入滲情況下邊坡變形破壞機制，結(jié)果表明軟硬巖互層邊坡的變形模式都是前期的滑移拉裂變形和后期的整體蠕滑變形，破壞模式是以深部軟層為滑動面的整體滑移。

上述研究對象多為巖層傾角大于30°的陡傾順層邊坡，而對于巖層傾角處于12°～25°的緩傾順層紅層邊坡研究還比較少。一般認為緩傾順層坡體穩(wěn)定性較好，然而由于紅層坡體內(nèi)常含有軟弱泥巖夾層，軟弱結(jié)構(gòu)面經(jīng)切坡外露于臨空處，上部巖層易沿其發(fā)生滑動失穩(wěn)。2005年6月，在建滬蓉西高速公路三疊系紅層區(qū)域受切坡施工擾動，多處緩傾順層邊坡發(fā)生滑動失穩(wěn)，其中朝陽坡服務(wù)區(qū)更是產(chǎn)生了約800萬m3的滑坡體，迫使18戶約62人居住的村莊整體搬遷。2014年7月，四川省阿壩藏族羌族自治州茂縣國道213線路段山體由于切坡而發(fā)生滑塌，塌方體沖垮了超過100 m的國道線路，修復(fù)費用高達數(shù)億元；同時近年來發(fā)生的四川省達州市達川區(qū)青寧鄉(xiāng)滑坡、宣漢縣天臺鄉(xiāng)滑坡以及重慶雞尾山滑坡等，都是屬于緩傾順層紅層滑坡，給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)安全造成了極大的威脅。因此弄清緩傾順層紅層切坡失穩(wěn)致災(zāi)機理，對減小紅層滑坡帶來的經(jīng)濟損失和人員傷亡具有重要意義。本文依托德遂高速公路沿線典型緩傾順層紅層邊坡，采用物理模型試驗方法研究該類邊坡在工程切坡下的變形演化過程，探討緩傾順層紅層邊坡切坡后的坡體形態(tài)變化特征、位移變形及應(yīng)力調(diào)整規(guī)律，以期為同類邊坡的研究提供參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

以德陽中江至遂寧高速公路K80+680～K81+280為研究區(qū)域，該路段設(shè)計長度600 m，剖面左側(cè)沿196°方向開挖。研究區(qū)屬低山丘陵地貌區(qū)，山體坡向約200°，坡度一般25°～30°，地形起伏較大，坡面植被較發(fā)育，排水條件較好，經(jīng)調(diào)查，斜坡未發(fā)現(xiàn)開裂變形跡象，現(xiàn)狀穩(wěn)定，區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象，自然斜坡整體穩(wěn)定性較好，工程現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 研究區(qū)工程現(xiàn)場

研究區(qū)地層巖性主要為白堊系下統(tǒng)白龍組(K1b)砂質(zhì)泥巖、泥巖及砂巖，由以下幾部分構(gòu)成：①6-3-2(K1b)強風(fēng)化砂巖。棕紅色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，礦物成分以石英、長石為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯破碎，多呈短柱狀、塊狀，錘擊易碎，層厚1.30～6.60 m。②6-3-3(K1b)中風(fēng)化砂巖。棕紅色、灰黃色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，礦物成分以石英、長石為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯呈短柱狀、柱狀，巖質(zhì)較硬，錘擊不易碎，RQD為65%，層厚1.60～25.40 m。③6-1-6(K1b)中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，礦物成分以黏土礦物為主，泥質(zhì)膠結(jié)，砂質(zhì)含量較高，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖芯完整，多呈柱狀，巖質(zhì)軟，錘擊易碎，巖芯遇水軟化，失水干裂，RQD為90%，層厚1.40～3.30 m。巖層產(chǎn)狀248°∠20°，坡體上部中風(fēng)化砂巖層發(fā)育多條陡傾裂隙，裂隙面光滑平直，擦痕清晰可見。裂隙傾角處于55°～75°之間，相鄰裂隙間距10～15 m，坡體內(nèi)含有1.5 m厚的中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層，破碎程度較高，遇水易軟化，失水易干裂，是主要控制該坡體穩(wěn)定性的軟弱泥巖夾層，且開挖后將形成20～30 m緩傾順層邊坡，如圖2所示(圖中水平距離以坡頂處為起點)。

圖2 研究區(qū)工程地質(zhì)剖面

2 模型試驗設(shè)計

2.1 相似比設(shè)計

原型邊坡范圍：左側(cè)坡頂高度約80 m，右側(cè)高度約50 m，開挖高度約28 m，層面傾角20°。因此該邊坡物理模型擬設(shè)計為二維框架式模型，依據(jù)邊坡原型尺寸及室內(nèi)框架大小，確定試驗中模型與原型幾何相似比為1∶100，即模型邊坡左側(cè)高度約80 cm，右側(cè)高度約50 cm，開挖高度約28 cm，其中軟弱泥巖夾層厚度約1.5 cm?；谙嗨圃?，選取幾何相似比尺CL=100，容重相似比尺Cγ=1.3，由相似判據(jù)求得邊坡模型試驗中的應(yīng)力相似比尺、抗剪強度相似比尺、彈性模量相似比尺、黏聚力相似比尺均為幾何比尺和容重比尺的乘積，即CLCγ=130，泊松比相似比尺、應(yīng)變相似比尺、摩擦因數(shù)相似比尺和內(nèi)摩擦角相似比尺均為1。

2.2 相似材料設(shè)計

基于現(xiàn)場工程地質(zhì)勘察資料，并結(jié)合《工程地質(zhì)手冊》[18]可綜合得出該路段邊坡主要物理力學(xué)參數(shù)值如表1表示。

表1 原型邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)值

模型試驗中巖體相似材料通常采用分層澆筑和預(yù)制塊體兩種方式進行砌筑，由于原型坡體內(nèi)中風(fēng)化砂巖體存在多條陡傾裂隙，因此巖體相似材料采用預(yù)制長方體塊。模型試塊以鐵精粉、重晶石粉為細骨料，石英砂為粗骨料，石膏、水為膠結(jié)材料，其中鐵精粉粒徑為74 μm，重晶石粉粒徑為44 μm，石英砂粒徑為420～840 μm。參考劉曉敏等[19]對巖體相似材料的配比試驗成果，將上述材料按照鐵精粉、重晶石粉、石英砂、石膏、水為0.17∶0.57∶0.11∶0.05∶0.04的比例均勻拌和。將所拌和的相似材料倒入預(yù)制的長方體模具并養(yǎng)護晾曬，最后脫模為尺寸15 cm×10 cm×3 cm的巖體模塊，如圖3所示。巖體相似材料容重為21.2 kN/m3，泊松比為0.28，變形模量為120.2 MPa。

圖3 巖體相似材料模塊

基于前人的研究成果[20-21]，選用黏土、混合砂和滑石粉并加入少量水來模擬軟弱泥巖夾層。所選材料應(yīng)滿足：①黏土粒徑不大于0.1 mm；②混合砂篩選0.25～0.5 mm、0.5～1 mm兩類粒徑砂混合而成；③滑石粉具有微細無砂特性。黏土、混合砂和滑石粉配比為0.52∶0.37∶0.15，并保持試樣的含水率為19%，得到的軟弱泥巖夾層相似材料黏聚力為0.85 kPa，內(nèi)摩擦角為16.25°。

2.3 試驗方法及過程

根據(jù)原型邊坡地質(zhì)剖面、緩傾順層結(jié)構(gòu)面特征，在模型框內(nèi)將預(yù)制好的巖體相似模塊砌筑成20°緩傾角的順層邊坡模型，左右相鄰巖體模塊間接觸面可視為坡體內(nèi)潛在的陡傾裂隙，裂隙傾角約70°。模塊間無黏結(jié)，模型坡體內(nèi)一定深度埋設(shè)軟弱泥巖夾層相似材料，然后進行切坡開挖模擬，研究坡體變形特征及應(yīng)力調(diào)整規(guī)律。

用百分表監(jiān)測位移，根據(jù)邊坡位移來揭示切坡開挖下坡體內(nèi)的變形規(guī)律；在模型體的開挖線附近、坡體中部及后緣共布置5個百分表監(jiān)測點，每個監(jiān)測點放置兩個百分表用于測量水平和豎直位移。本文模型試驗是模擬邊坡開挖后不加支護情況下的工況，切坡分3級進行，每級切坡完成后靜置一段時間，在切坡完成后1 h、2 h、3 h、6 h和12 h讀取百分表讀數(shù)，然后進行下一級切坡。位移監(jiān)測點布置和切坡開挖情況如圖4所示。布置位移監(jiān)測點時，首先在模型體上繪出監(jiān)測點的位置，將1 cm×1 cm×1 cm的立方體小木塊用502強力膠水粘貼在模型塊位移監(jiān)測點位置。試驗所用百分表安裝于獨立于模型體外的鋼架上，其布置及安裝如圖5所示。

圖4 測點布置和切坡開挖示意圖

圖5 百分表布置安裝

在軟弱泥巖夾層內(nèi)埋設(shè)應(yīng)變式微型土壓力盒來監(jiān)測分級切坡卸荷下坡體應(yīng)力變化，以此探討切坡后緩傾順層邊坡應(yīng)力調(diào)整規(guī)律。應(yīng)變式微型土壓力盒采用專門定制的南京丹陌電子科技有限公司生產(chǎn)的DMTY系列，直徑為12 mm，厚度為4 mm。應(yīng)變式微型土壓力盒埋設(shè)位置見圖4。

圖7 切坡后坡體形態(tài)特征

使用江蘇東華測試儀器公司生產(chǎn)的DH-3821靜態(tài)應(yīng)變測試儀采集數(shù)據(jù)，該靜態(tài)應(yīng)變測試儀與DMTY應(yīng)變式微型土壓力盒均采用全橋方式連接，在計算機上安裝DH動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)，自動記錄DH-3821靜態(tài)應(yīng)變測試儀采集的數(shù)據(jù)。緩傾順層紅層邊坡模型砌筑完成后，安裝位移測試百分表和DMTY應(yīng)變式微型土壓力盒，并將土壓力盒數(shù)據(jù)線采用全橋方式連接至DH-3821靜態(tài)應(yīng)變測試儀。物理模型如圖6所示。

圖6 緩傾順層紅層邊坡物理模型

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 坡體形態(tài)特征

試驗過程中在采集坡體位移和應(yīng)力數(shù)據(jù)的同時，也對切坡過程中坡體形態(tài)特征進行觀察。一級切坡完成靜置一段時間后，在距離開挖面10～15 cm處觀察到裂隙逐漸向深部發(fā)育，其走向與開挖面平行，傾角為70°左右，但延展深度較淺，如圖7(a)所示；二級切坡完成后，該裂隙不斷向坡體內(nèi)部延伸，同時坡體后緣多條張拉裂隙緩慢發(fā)育，百分表位移讀數(shù)變化趨勢較前級切坡更為明顯，如圖7(b)所示；三級切坡后，開挖面附近裂隙逐漸貫通，軟弱泥巖夾層外露，坡體位移增大。一段時間后，上部坡體沿軟弱泥巖夾層面呈現(xiàn)整體滑動特征，如圖7(c)所示。

上述坡體形態(tài)特征演化過程可歸納為典型的拉裂-滑移式破壞，即切坡卸荷后，坡體內(nèi)應(yīng)力重新調(diào)整分布，大小主應(yīng)力在切坡面附近發(fā)生偏轉(zhuǎn)從而因應(yīng)力差而在坡腳產(chǎn)生剪應(yīng)力集中帶，同時坡體頂部及后緣由于拉應(yīng)力集中而形成張拉應(yīng)力帶，致使坡內(nèi)潛在裂隙逐漸發(fā)育擴張。隨著切坡卸荷量增大，張拉裂隙向深部延展度增加，當(dāng)坡體內(nèi)部軟弱結(jié)構(gòu)面因切坡而外露于臨空面后，張拉裂隙前緣巖體在自重作用下沿下伏軟弱層面出現(xiàn)剪切滑移，且軟弱結(jié)構(gòu)面強度愈低，滑移趨勢愈明顯。

3.2 坡體變形規(guī)律

圖8為各位移監(jiān)測點水平和豎直位移-時間曲線(圖中水平位移向臨空面方向為正，豎直位移向上為正)，可以明顯觀察到緩傾順層軟巖邊坡各監(jiān)測點位移隨分級切坡而不斷增大，且監(jiān)測點處水平位移高于豎直位移，這區(qū)別于陡傾順層邊坡滑動過程豎直位移高于水平位移的規(guī)律，因此緩傾順層邊坡失穩(wěn)往往規(guī)模大、破壞強，且波及范圍更廣。切坡至軟弱泥巖夾層前，位移監(jiān)測點5的水平和豎直位移分別為0.172 mm和0.069 mm，換算為實際坡體位移為17.2 mm和6.9 mm；三級切坡至軟弱泥巖夾層后，坡體變形速率明顯增大，靜置24 h后，位移監(jiān)測點5處的水平和豎直位移就增長至4.935 mm和1.893 mm，換算為實際坡體位移為493.5 mm和189.3 mm。

圖8 切坡過程位移-時間曲線

同時在切坡各階段，發(fā)現(xiàn)坡體位移監(jiān)測點5即切坡臨空面頂部變形最大，而位移監(jiān)測點1即坡體后緣中部變形最小，這也與切坡過程中觀測到的坡體形態(tài)特征變化規(guī)律相符。其原因在于緩傾順層邊坡的變形破壞是一個漸進式過程，尤其在坡體內(nèi)陡傾裂隙分布較廣的情況下，一級切坡后靠近卸荷面附近的裂隙擴張并向深部延展，裂隙前緣巖體就已經(jīng)具備向臨空面滑移的趨勢，而此時后緣巖體裂隙并未擴張，裂隙兩側(cè)巖塊結(jié)合仍較緊密，因此產(chǎn)生的位移較小。隨著下一級切坡進行，卸荷量增加，前緣巖體向臨空面滑動，恰好作為后緣巖體的臨空面，引發(fā)后緣巖體中應(yīng)力改變，導(dǎo)致拉裂變形破壞依次向后緣坡體發(fā)展，從而出現(xiàn)漸進式整體滑移。

此外從各階段位移-時間曲線可以發(fā)現(xiàn)不管是豎直位移還是水平位移，切坡完成后坡體變形速率會在短時間內(nèi)突然增大，而后隨靜置時間變長而趨于穩(wěn)定。因此可將試驗過程中坡體的變形分為兩個部分，即切坡階段所產(chǎn)生的卸荷變形及靜置階段所產(chǎn)生的蠕滑變形。對于卸荷變形而言，其屬于淺表生改造的結(jié)果，雖然產(chǎn)生時間短但卸荷變形值甚至超過了長時間靜置的蠕滑變形值。正因為卸荷改造降低了結(jié)構(gòu)面的強度特性，使一定范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)面的強度從峰值降低到殘余值，從而為邊坡后續(xù)蠕滑變形創(chuàng)造了條件。而蠕滑變形值在前兩級切坡后增長緩慢，原因在于砂巖雖已中風(fēng)化但結(jié)構(gòu)面殘余強度仍較高，同時結(jié)構(gòu)面傾角處于緩傾狀態(tài)，因此蠕滑速率較低。但三級切坡至軟弱泥巖夾層后，坡體蠕滑變形速率迅速增大而接近于卸荷變形速率，從而使坡體呈現(xiàn)整體蠕滑變形特征，圖7(c)也可以觀察到這種整體滑移現(xiàn)象。

上述邊坡變形規(guī)律表明含軟弱泥巖夾層的緩傾順層紅層邊坡切坡后若不及時采取相應(yīng)的支護措施，就很容易引發(fā)滑坡工程地質(zhì)災(zāi)害。因此緩傾順層紅層切坡之前應(yīng)對邊坡地質(zhì)環(huán)境進行詳細勘察，尤其要探查清楚坡體內(nèi)是否存在軟弱夾層及破碎帶，如有軟弱夾層及破碎帶應(yīng)采用抗滑樁或預(yù)應(yīng)力錨索等措施提前支護，并在坡面設(shè)置截排水系統(tǒng)，同時切坡后應(yīng)在坡腳及坡頂?shù)纫装l(fā)生大變形部位設(shè)置監(jiān)測點對位移進行監(jiān)測。

3.3 坡體應(yīng)力調(diào)整分析

基于DH-3821靜態(tài)應(yīng)變測試儀對坡體內(nèi)部應(yīng)力采集結(jié)果，繪制應(yīng)力監(jiān)測點沿層面方向的應(yīng)力-時間曲線如圖9所示。圖9表明模型坡體內(nèi)部監(jiān)測點應(yīng)力隨切坡進程總體呈現(xiàn)下降趨勢，即坡內(nèi)應(yīng)力受切坡擾動而出現(xiàn)應(yīng)力釋放現(xiàn)象。同時可以看出切坡面附近應(yīng)力監(jiān)測點3處應(yīng)力釋放量最大，而坡體中部應(yīng)力監(jiān)測點2及坡體后緣應(yīng)力監(jiān)測點1處應(yīng)力釋放量較小，說明坡體前緣受切坡擾動較為明顯而坡體后緣擾動較小，這也從側(cè)面證明了緩傾順層邊坡失穩(wěn)是由卸荷牽引后緣巖體逐漸向臨空面滑移的漸進性過程。但從持續(xù)量測過程可以發(fā)現(xiàn)坡體內(nèi)各監(jiān)測點處應(yīng)力并不是單調(diào)降低，而是增減交互出現(xiàn)的。究其原因在于切坡過程中內(nèi)部大小主應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)使監(jiān)測點附近的應(yīng)力出現(xiàn)暫時增大的現(xiàn)象，但坡體應(yīng)力隨時間推移還是呈現(xiàn)整體降低的趨勢，即應(yīng)力隨切坡逐步釋放。

圖9 切坡過程應(yīng)力-時間曲線

4 結(jié) 論

a.緩傾角20°的順層紅層邊坡的破壞模式為典型的拉裂-滑移式，即切坡后，坡體前緣阻滑段臨空，巖層結(jié)構(gòu)面外傾于臨空面，因卸荷松弛導(dǎo)致坡體后緣出現(xiàn)拉應(yīng)力集中而產(chǎn)生張拉裂隙，隨著進一步切坡，張拉裂隙不斷發(fā)育并向坡體深部延展，且愈靠近切坡面張拉裂隙發(fā)育程度愈高。當(dāng)張拉裂隙貫通至潛在滑移面后，滑移面上部巖體在重力作用下沿滑移面發(fā)生滑動。

b.緩傾順層紅層邊坡坡體位移均隨分級切坡而不斷增大，且水平位移均高于豎直位移，同時切坡面附近產(chǎn)生的位移相對于坡體其他部位較大。

c.緩傾順層紅層邊坡的總體變形主要由切坡階段卸荷變形及靜置階段蠕滑變形兩部分組成，切坡卸荷降低了結(jié)構(gòu)面的強度特性，使一定范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)面的強度從峰值降低到殘余值，從而為邊坡后續(xù)蠕滑變形創(chuàng)造了條件。切坡至軟弱泥巖夾層前卸荷變形大小及速率均高于蠕滑變形，切坡至軟弱泥巖夾層后坡體卸荷變形低于蠕滑變形，且蠕滑變形速率遠高于切坡至軟弱泥巖夾層前。

d.切坡面附近部位應(yīng)力受切坡擾動較為明顯，而坡體中部及后緣應(yīng)力受切坡擾動較小。同時切坡過程坡內(nèi)應(yīng)力有增有減，但總體呈現(xiàn)下降趨勢，即應(yīng)力隨切坡逐步釋放。

e.緩傾順層紅層邊坡切坡之前應(yīng)對邊坡地質(zhì)環(huán)境進行詳細勘察，若遇不良工程隱患，應(yīng)提前采取相關(guān)措施進行處理，以防止坡體切坡后產(chǎn)生較大變形。