摘要：文章以廣西山區(qū)高速公路某構(gòu)造區(qū)順層路塹滑坡項(xiàng)目為依托，通過(guò)殘余構(gòu)造應(yīng)力分析，結(jié)合數(shù)值模擬，對(duì)邊坡在逐級(jí)開挖過(guò)程中受殘余構(gòu)造應(yīng)力的影響程度和滑坡演化機(jī)理進(jìn)行研究。研究表明：邊坡開挖中，復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶孕育的較高殘余構(gòu)造應(yīng)力瞬時(shí)釋放，致使坡體淺層巖石迅速產(chǎn)生裂紋及既有節(jié)理裂隙快速擴(kuò)大，短時(shí)間內(nèi)降低結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度，形成開裂→變形→位移→滑移，并在其他因素綜合影響下，形成完整滑坡。對(duì)是否考慮構(gòu)造應(yīng)力下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果說(shuō)明，殘余構(gòu)造應(yīng)力對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響甚大，同時(shí)也得出了殘余構(gòu)造應(yīng)力快速計(jì)算方式，可供類似項(xiàng)目參考。

關(guān)鍵詞：順層滑坡；殘余構(gòu)造應(yīng)力；高速公路；數(shù)值模擬；滑坡機(jī)理

U416.1+3A020054

0 引言

近些年，工程安全愈發(fā)得到重視，邊坡穩(wěn)定成為工程安全的重要組成部分。邊坡工程領(lǐng)域相關(guān)研究成果豐碩，其中邊坡工程的構(gòu)造應(yīng)力研究在水電站和礦山邊坡工程中較為集中，部分學(xué)者采用理論方法研究、數(shù)值模擬等揭示出地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律及相互影響機(jī)理［1-2］；部分學(xué)者則依托大型工程研究構(gòu)造應(yīng)力對(duì)地下洞室圍巖和邊坡穩(wěn)定的變形特征、力學(xué)機(jī)制及控制措施等［3-5］，此類研究往往存在持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、工程規(guī)模大、場(chǎng)地構(gòu)造作用及應(yīng)力分布明顯的特點(diǎn)，對(duì)于個(gè)體規(guī)模相對(duì)較小的公路邊坡多因考慮費(fèi)效比而在構(gòu)造應(yīng)力方面研究所涉極少，目前尚未見系統(tǒng)研究。

在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的山區(qū)公路順層路塹邊坡中，眾多巖土學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)順層高邊坡防護(hù)和順層滑坡的設(shè)計(jì)治理方面開展了系統(tǒng)研究，主要集中在順層坡的變形機(jī)理、演化過(guò)程、破壞模式、影響因素等方面［6-9］，但鮮見考慮構(gòu)造應(yīng)力作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的附加影響，導(dǎo)致部分復(fù)雜構(gòu)造區(qū)的邊坡出現(xiàn)多次變更處治的情況。

由于順層邊坡自身極易破壞失穩(wěn)，為公路工程中最易出現(xiàn)的滑坡類型之一，而復(fù)雜場(chǎng)區(qū)構(gòu)造應(yīng)力對(duì)公路順層邊坡的穩(wěn)定性存在不可忽視的負(fù)面影響，故深入探究殘余構(gòu)造應(yīng)力的分布規(guī)律、作用大小及其作用下的順層路塹滑坡機(jī)理具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文以廣西河池大化縣巴羌路某段順層路塹滑坡為研究對(duì)象，根據(jù)其宏觀變形特征，采用正向分析、數(shù)值模擬等方法，對(duì)殘余構(gòu)造應(yīng)力深度影響邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，為類似項(xiàng)目提供參考。

1 工程概況

巴羌路某路塹邊坡屬剝蝕丘陵地貌區(qū)，地形起伏較大，高差約88 m，自然斜坡坡度15°～35°，局部有陡坎分布，現(xiàn)狀穩(wěn)定。

場(chǎng)地內(nèi)地層主要為第四系殘坡積（Qel+dl）硬塑狀粉質(zhì)黏土及三疊系中統(tǒng)百逢組（T2b）泥質(zhì)粉砂巖。粉質(zhì)黏土厚度為6.4～13.5 m；強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為薄～中厚層狀構(gòu)造，巖體破碎，節(jié)理很發(fā)育，厚度4.0～40.0 m，巖體質(zhì)量為Ⅴ級(jí)～Ⅳ級(jí)，鉆探中其巖芯見局部餅化現(xiàn)象；中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖埋深較大，巖體質(zhì)量為Ⅳ級(jí)。

該路塹段位于乙圩箱狀背斜的西南翼（見圖1），距離羌圩正斷層最近約500 m，受乙圩箱狀背斜及羌圩斷層影響明顯，場(chǎng)地內(nèi)復(fù)式小褶皺發(fā)育。受與路線平行的向斜影響（見圖2），路線左側(cè)邊坡巖層產(chǎn)狀為230°∠5～36°，傾角自下而上漸次增大，由第1級(jí)近水平傾角增加至第五、六級(jí)的25°～36°，為典型的變傾角順向緩傾高邊坡；同時(shí)發(fā)育兩組優(yōu)勢(shì)節(jié)理，其產(chǎn)狀分別為J1：347°∠80°、J2：30°∠52°；路線右側(cè)邊坡區(qū)則發(fā)育有多個(gè)微小型褶曲，受構(gòu)造影響，該側(cè)巖層產(chǎn)狀雜亂，總體傾向北東側(cè)。

2 滑坡特征

該路塹左側(cè)邊坡在施工階段受多因素影響發(fā)生過(guò)兩次主要滑坡，第一次發(fā)生于邊坡開挖早期，尚未實(shí)施防護(hù)措施；第二次發(fā)生于按第一次變更設(shè)計(jì)方案自上而下實(shí)施三級(jí)防護(hù)后，并向后牽引至邊坡后緣外側(cè)約15 m處，向前則往下部坡級(jí)發(fā)展，典型剖面如圖3所示。兩次滑坡發(fā)育階段均可見坡體淺層在開挖后約2 h內(nèi)產(chǎn)生裂縫（紋）并迅速擴(kuò)大化現(xiàn)象，滑坡發(fā)育及發(fā)生階段基本處于持續(xù)降雨期。

綜合兩次滑坡狀況，概括其主要要素特征如表1所示。

3 邊坡區(qū)殘余構(gòu)造應(yīng)力分析

本公路項(xiàng)目地處云貴高原東南緣，為兩廣丘陵帶西部，受造山運(yùn)動(dòng)影響，地貌變化大，其下伏地層分布上亦具復(fù)雜性和構(gòu)造應(yīng)力影響普遍存在的特點(diǎn)。而本邊坡處于乙圩箱狀背斜和羌圩正斷層影響范圍，多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力場(chǎng)疊加、牽引和改造及其他因素，共同構(gòu)成了場(chǎng)地構(gòu)造應(yīng)力的復(fù)雜性和多變性。綜上考慮，該邊坡最大水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值約為2.09［10］。

由于邊坡走向與乙圩背斜軸向、附近羌圩正斷層走向及邊坡區(qū)小向斜軸向接近，邊坡區(qū)構(gòu)造應(yīng)力的最大主應(yīng)力方向與邊坡坡向（開挖側(cè)臨空面方向）基本一致。而在長(zhǎng)期地質(zhì)演化中，場(chǎng)區(qū)初始構(gòu)造應(yīng)力得以部分釋放，主要存留殘余構(gòu)造應(yīng)力。

綜上分析，本邊坡區(qū)構(gòu)造應(yīng)力與垂直應(yīng)力近似呈線性關(guān)系，取邊坡開挖深度H值為30～60 m，坡體巖土層參數(shù)按表2采用，垂直應(yīng)力σ=0.65～1.365 MPa；構(gòu)造應(yīng)力按其2.09倍考慮，則σH=1.36～2.85 MPa。

以下結(jié)合前文內(nèi)容及邊坡第二次滑坡情況，通過(guò)FLAC 3D軟件對(duì)邊坡在自重應(yīng)力及殘余構(gòu)造應(yīng)力作用下的失穩(wěn)破壞模式進(jìn)行數(shù)值模擬分析驗(yàn)證，為滑坡成因與機(jī)理分析提供依據(jù)。

殘余構(gòu)造應(yīng)力作用下的順層路塹滑坡機(jī)理研究/李耀華，劉 猛，黎俊杰，查 俊，韋芳元

4 數(shù)值模擬分析驗(yàn)證

邊坡施工中按1∶1.5坡率分6級(jí)放坡，其中邊坡四至六級(jí)已設(shè)置錨桿格梁。邊坡地層主要物理力學(xué)參數(shù)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與反演分析綜合確定，見表2。

根據(jù)圖3中的典型剖面圖建立數(shù)值模型，如圖4所示，邊坡巖土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，巖土層物理力學(xué)參數(shù)采用表2中非正常工況Ⅰ條件下參數(shù)以吻合滑坡發(fā)育及發(fā)生階段的降雨場(chǎng)景，第四、五和六級(jí)坡已設(shè)置的錨桿格梁采用梁?jiǎn)卧c錨索單元模擬，坡體模型單元總數(shù)為79 215個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為19 765個(gè)。

本文模擬中利用應(yīng)力邊界條件在模型X方向上施加相應(yīng)荷載以調(diào)試得到第4節(jié)所述構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)（其中A’點(diǎn)處的X向主應(yīng)力為4.95 MPa，約為豎向主應(yīng)力的2.12倍），得到較為符合場(chǎng)區(qū)內(nèi)的初始?xì)堄鄻?gòu)造應(yīng)力情況，并在此基礎(chǔ)上對(duì)邊坡實(shí)施自上而下的多級(jí)開挖。其中數(shù)值模型的合理性可由圖5所示的A-A’剖面坡體自重應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)典理論計(jì)算值的一致性得到初步確定。

模擬中當(dāng)開挖第六級(jí)時(shí)，由于坡頂粉質(zhì)黏土層自身抗剪強(qiáng)度低，在開挖后自身應(yīng)力場(chǎng)迅速改變，粉質(zhì)黏土層向臨空面發(fā)生反彈位移與滑動(dòng)，至最大0.26 m位移時(shí)達(dá)到自穩(wěn)狀態(tài)；對(duì)于邊坡后緣位置，若考慮拉伸應(yīng)變?nèi)吭诹芽p處集中，則后緣位移可達(dá)0.2 m，如圖6所示，基本吻合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬所取參數(shù)及初始應(yīng)力場(chǎng)是較為合理的。

在上述第六級(jí)達(dá)到自穩(wěn)狀態(tài)后，繼續(xù)向下開挖第5～2級(jí)邊坡，水平殘余構(gòu)造應(yīng)力及開挖后位移變化如圖7～8所示。在每開挖一級(jí)時(shí)，邊坡中的殘余構(gòu)造應(yīng)力便會(huì)進(jìn)行一次集中和迅速的釋放，其分布變化具體表現(xiàn)為在邊坡開挖最上級(jí)時(shí)，殘存于坡體中的水平構(gòu)造應(yīng)力便開始由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。隨著開挖深度的加大，水平殘余構(gòu)造應(yīng)力不斷向下變化，以至于最終整個(gè)開挖坡面附近的水平向構(gòu)造應(yīng)力均由壓轉(zhuǎn)拉，在巖土實(shí)體上面則表征出坡面及坡體淺層巖石在開挖后快速顯現(xiàn)裂縫（紋），節(jié)理裂隙迅速擴(kuò)張等現(xiàn)象，同時(shí)坡面與坡腳處發(fā)生較大程度反彈位移，而坡頂處的位移也進(jìn)一步受到影響增大至0.49 m，但坡體在完成部分應(yīng)變能釋放后，邊坡整體仍處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

由于最后一級(jí)埋深大而受構(gòu)造應(yīng)力影響較大，隨著殘余構(gòu)造應(yīng)力的持續(xù)釋放及坡頂處局部滑體的持續(xù)位移作用，使得下部坡體同時(shí)受到推擠作用與構(gòu)造應(yīng)力釋放后變形影響，滑坡后部微裂縫繼續(xù)向下發(fā)展，形成如圖9～10所示深度約13 m的潛在滑面，剪出口位于第二級(jí)坡頂附近；當(dāng)滑坡繼續(xù)發(fā)展時(shí)，便可能沿此滑面于二級(jí)頂平臺(tái)附近完全剪出，但受到上陡下緩的巖層傾角影響，前部近水平的巖層起到一定阻滑作用，滑體在第二級(jí)平臺(tái)處位移到達(dá)0.6～0.75 m后便重新達(dá)到自穩(wěn)狀態(tài)，這一結(jié)果也與實(shí)際情況較為符合。以上數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)一步證明坡體內(nèi)部的殘余構(gòu)造應(yīng)力對(duì)邊坡失穩(wěn)破壞有明顯影響。

為進(jìn)一步驗(yàn)證殘余構(gòu)造應(yīng)力對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響，以下給出了未考慮構(gòu)造應(yīng)力作用下的邊坡開挖穩(wěn)定情況（即未施加應(yīng)力邊界條件，坡體處在自重應(yīng)力場(chǎng)），如下頁(yè)圖11所示。由圖11可知，在無(wú)水平殘余構(gòu)造應(yīng)力作用下，第六級(jí)邊坡情況與構(gòu)造應(yīng)力作用下較為相似，但隨著埋深加大，坡體開挖情況出現(xiàn)差異化，僅在自重應(yīng)力場(chǎng)作用下坡體未形成圖11中的第二次潛在滑面，這也在一定程度上驗(yàn)證了殘余構(gòu)造應(yīng)力對(duì)坡體穩(wěn)定性的負(fù)面影響。

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，坡體X向的殘余構(gòu)造應(yīng)力最大值σ1（即最大水平主應(yīng)力）與抗拉強(qiáng)度相近，為4.5～5.0 MPa；在第二次滑坡中，對(duì)于距邊坡線約15 m處，若考慮拉伸應(yīng)變?nèi)吭诹芽p處集中，則開裂縫寬可達(dá)0.225～0.25 m，基本吻合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況，表明數(shù)值模擬所取參數(shù)及結(jié)果是較為合理的。

5 滑坡成因與機(jī)理分析

根據(jù)滑坡宏觀地質(zhì)特征，結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)條件和殘余構(gòu)造應(yīng)力分析結(jié)果，滑坡成因?yàn)槎喾矫嬉蛩鼐C合迭加及影響形成，包括坡體巖土條件、地質(zhì)構(gòu)造及殘余構(gòu)造應(yīng)力、氣候降雨和人類施工影響，具體如下：

5.1 坡體巖土條件

邊坡坡體主要由強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖組成，局部見泥化夾層，該部分造巖礦物中含有大量親水性黏土礦物，在降水入滲后與水結(jié)合性好而致其膠結(jié)物被軟化或溶解，導(dǎo)致其粘聚力大為降低；且?guī)r體節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體質(zhì)量等級(jí)低，揭露后淺層極易崩解軟化，強(qiáng)度迅速降低，同時(shí)易使降水入滲，此因素構(gòu)成滑坡產(chǎn)生的基礎(chǔ)條件。

5.2 地質(zhì)構(gòu)造及殘余構(gòu)造應(yīng)力影響

邊坡屬典型的順層邊坡，層面傾角自下而上漸次增大，形成上陡下緩的變傾角順向緩傾結(jié)構(gòu)，加之泥化夾層影響，形成極不穩(wěn)定組合。而邊坡受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及自身小構(gòu)造影響，殘余構(gòu)造應(yīng)力分布明顯，其最大水平主應(yīng)力方向與坡向基本一致，對(duì)邊坡開挖的卸荷影響很大，具體表現(xiàn)為邊坡開挖中殘余構(gòu)造應(yīng)力的應(yīng)力釋放十分快速，致使坡體淺層巖石迅速產(chǎn)生裂紋或致節(jié)理裂隙迅速擴(kuò)大，短時(shí)間內(nèi)即可降低結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度和抗剪強(qiáng)度，形成開裂→變形→位移→滑移，直至最終成為滑坡，構(gòu)成滑坡產(chǎn)生的主因。

5.3 降雨影響

項(xiàng)目區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨季降水豐沛，降水沖刷影響及節(jié)理裂隙中雨水入滲降低了巖塊和結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，特別是滲水在泥化層面易形成水膜效應(yīng)而對(duì)滑面形成潤(rùn)滑劑作用，加速滑坡發(fā)育。

5.4 人類施工影響

實(shí)際施工中未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案實(shí)施（如未形成地表截排水系統(tǒng)的暢通性、未落實(shí)逐級(jí)開挖及防護(hù)而采用大坡面開挖等）亦是構(gòu)成滑坡產(chǎn)生的一大因素。

綜上，本邊坡滑坡的誘發(fā)機(jī)理為多因素的耦合作用，主要表現(xiàn)為邊坡在巖土結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、順層結(jié)構(gòu)、殘余構(gòu)造應(yīng)力和降雨等共同作用下，經(jīng)人工開挖后，邊坡后部坡體淺層受應(yīng)力快速釋放、卸荷回彈致結(jié)構(gòu)面及巖塊裂隙短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)大而崩解弱化，出現(xiàn)依附原層面的滑移拉裂，脫離原巖的坡體部分在自重應(yīng)力和水平構(gòu)造應(yīng)力的牽引下沿軟弱層面向臨空面產(chǎn)生滑動(dòng)，形成局部溜坍。而后未作及時(shí)處理，滑坡規(guī)模則繼續(xù)擴(kuò)大，在下部某變傾角位置形成滑移彎曲變形；滑坡性質(zhì)亦出現(xiàn)變化，由最初的牽引式滑坡向推移式滑坡轉(zhuǎn)變，滑坡規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。在滑坡推移過(guò)程中，滑坡以上已防護(hù)的坡面由于失去坡腳支擋形成臨空面，牽引產(chǎn)生新滑坡，最終形成影響范圍較廣的順向滑坡。

6 結(jié)語(yǔ)

基于前述內(nèi)容，得出主要結(jié)論如下：

（1）復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造孕育的殘余構(gòu)造應(yīng)力，對(duì)場(chǎng)地內(nèi)邊坡穩(wěn)定性影響甚大；殘余構(gòu)造應(yīng)力大小可按其與垂直應(yīng)力的比值平均值×2.09估計(jì)。

（2）場(chǎng)地滑坡產(chǎn)生為多方面因素綜合迭加及影響形成，坡體巖土條件、地質(zhì)構(gòu)造、殘余構(gòu)造應(yīng)力、降雨、人類活動(dòng)等均構(gòu)成滑坡產(chǎn)生的影響因子；變傾角順向緩傾結(jié)構(gòu)、殘余構(gòu)造應(yīng)力為主因。

（3）通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析有無(wú)殘余構(gòu)造應(yīng)力作用下邊坡穩(wěn)定性，進(jìn)一步證明坡體內(nèi)部的殘余構(gòu)造應(yīng)力對(duì)邊坡失穩(wěn)破壞有明顯影響。

（4）邊坡開挖中殘余構(gòu)造應(yīng)力釋放具備瞬態(tài)性，致使坡體淺層巖石迅速產(chǎn)生裂紋及既有節(jié)理裂隙迅速擴(kuò)大，短時(shí)間內(nèi)即可降低結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度和抗剪強(qiáng)度，形成開裂→變形→位移→滑移，產(chǎn)生滑移彎曲變形，構(gòu)成上陡下緩式順層-切層滑坡的變形機(jī)制。

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