边坡的变形破坏机理及稳定性分析

王猛　习春飞

摘要：以杭州至兰州高速公路巫山至奉节段沿线的大水田残坡积红土路堑边坡为研究对象，在详细研究其地质资料的基础上，通过Geo-Studio模拟边坡在开挖及降雨作用下边坡的变形及稳定性变化的过程。模拟结论认为：①开挖导致坡体产生卸荷回弹和应力迁移，导致坡体稳定性降低。②在降雨过程中，随着降雨持时的增加，边坡的稳定性系数应是逐渐减小。③在降雨结束时刻，入渗的雨水没有充分下渗，多集中分布在土坡表层，此时的稳定系数不是最低；在降雨结束后的短时间内（一般为1到2天），雨水在土坡体中继续下渗，扩大了雨水影响范围，边坡的稳定性系数进一步降低。应力集中超过岩土体极限强度时，屈服面逐步向上延伸直至全部贯通，边坡发生整体滑动破坏。

关键词：红土路堑边坡；变形破坏机理；稳定性；降雨入渗作用；数值模拟

中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：16723198（2014）08018903

1引言

国家重点公路工程杭州至兰州高速公路是连接我国东部、中部和西部的重要交通枢纽，是加强长江经济带一体化发展的需要，是实施“西部大开发”战略的需要。杭兰线巫山至奉节段广泛分布着坡残坡积红土，基岩主要为三叠系中统巴东组第一至第五段岩层。由于沿线地形起伏变化大，地貌复杂多变，因此，对边坡的开挖施工难以避免。挖方工程改变了坡体结构，原始应力状态随之改变，边坡的稳定性受之影响而降低。加之研究区连续最大降雨量和平均降雨量比较大，坡体所受的孔隙水压力、静水压力和浮托力都明显增大；含水量增加导致自重变大，增加了下滑力，同时红土体受到水的软化作用，削弱了土粒间的摩擦阻力，进而引起边坡的变形破坏。在线路段的施工过程中及施工结束后已有部分路堑边坡产生了不同程度和规模的变形、滑塌。

2红土路堑边坡工程概况

大水田边坡位于重庆地区巫山县龙井乡白泉村境内，地处砂岩、泥岩构造剥蚀和沟谷深切斜坡地貌区，地势总体为南高北低。开挖的路堑边坡的起止桩号为YK33+600～K33+800，坡高17～21m，坡长约为200m。开挖坡体范围对应的这段线路设计为分离式道路，因此需要对附近影响公路建设施工的原始边坡进行开挖改造，以满足线路及路面的设计要求，该红土路堑边坡因此而形成。边坡工程地质平面图如图1所示。

图1边坡开挖范围平面图区内褶皱主要为齐耀山背斜和巫山向斜，轴迹走向为近东西向，大水田开挖边坡位于齐耀山背斜的南翼。覆盖层以紫红色残坡积亚粘土（Qel+dl）为主，出露下伏地层为三叠系中统巴东组第二段（T2b2）粉砂质泥岩，倾角为23°～28°，倾向西～北西，地层与坡面呈大角度相交。局部地段的粉砂质泥岩节理裂隙较发育，节理无充填或充填泥钙质，对边坡稳定性的影响较小。所选典型边坡开挖前和开挖后的工程地质剖面见图2（a）、（b）所示。

（a）开挖前地质剖面图（b）开挖后地质剖面图

图2开挖前后地质剖面图区内地表水不发育，无常年性地表水体，也未见明显大的冲沟，只在坡体西侧表面有一条季节性冲沟近垂直于线路走向由坡脚通过。在降雨条件下，一部分雨水转化为坡面径流从坡体表面流出，还有一部分则是下渗补给地下水。

3数值模拟方法

采用Geo-Studio2007软件中的SIGMA/W、SEEP/W和SLOPE/W三个模块对典型红土边坡的滑动机理及稳定性情况进行模拟计算分析，以明确边坡滑动机理的演变过程及稳定性的变化情况。

先在SEEP/W模块里面建立地质模型，分析初始水位下的孔隙水压力与应力，在此基础上运用SIGMA/W程序进行边坡开挖的有限元计算，模拟典型实例边坡的分级开过程。开挖涉及的红土质边坡材料，其本构关系服从邓肯-张模型，其剪切破坏服从摩尔-库伦准则。所用程序选取修正的中点增量法（Runge-Kutta），采用迭代法求解线性方程组。

开挖后的边坡在降雨诱发作用下发生滑动破坏，采用SEEP/W模块对降雨情况进行进行渗流场和应力场的耦合分析。该模块认为土体体积含水量和渗透系数均为孔隙水压力的函数，可以通过实验结果或者采用经验方程给出这两个函数。采用渗流有限元计算分析边坡在非饱和条件下的瞬态孔隙水压力，得出不同时刻不同点的孔隙水压力分布情况，从而研究边坡变形与时间的关系。该模块可以解决降雨渗流、瞬时渗流和超孔隙水压力等相关问题。

将上述上述模块的分析结果导入到SLOPE/W模块进行稳定性分析，采用极限平衡方法（Bishop、Janbu、Morgenstern-Price等）对边坡稳定性与时间的关系等问题进行分析。

4边坡的变形破坏数值模拟及分析

4.1建立模型

根据大水田边坡的工程地质条件，选取典型剖面（图2）作为分析计算剖面，该剖面与主滑方向一致，约为12°。计算剖面的地质模型的边界选取在对滑坡分析影响可以忽略不计的地方。建立地质模型及网格的剖分见图3。

图3有限元地质模型网格剖分图4.2计算参数的选取

室内直剪试验试验获取岩土抗剪强度参数简便直观，在工程中应用较广。试验结果对比表明，按直剪试验得出的土体强度偏低，这样对边坡稳定性力学验算较安全；而对于三轴试验，在平面应变状态下土体的强度约为三轴状态强度的1.08倍，说明按三轴试验确定的土体强度会低估边坡的稳定性。也可通过野外大型剪切试验、工程地质类比法、数值反分析法综合求得边坡稳定性分析所需的力学参数指标。

综上所述，滑坡计算分析所需选用的参数见下表1。

对于模型的模拟需要在给定的边界加上适当的边界条件：对于应力应变分析时，模型左侧和右侧边界规定不能产生水平向位移，不用限定其竖直方向的位移；底部边界限定不能产生任何方向的位移，坡体临空面无需施加约束，为自由边界。降雨是在边坡开挖完成后产生的，对于降雨前的渗流边界条件，模型的左、右侧为定水头边界条件，水位高程分别定为436.0m和417.1m；对于降雨模拟可以将坡面及临空面设定为流量边界，底部边界设为不透水边界。随着降雨持时的增加，当坡面表层土体达到饱和后，坡面及临空面边界可处理为定水头边界。根据当地的气象资料确定，开始时连续2天的降雨强度为（1.1E-06）m/s，第三天至第五天再连续降雨3天，降雨强度降低为（7.6E-07）m/s，停止降雨之后，坡体发生滑动破坏。

4.4数值模拟结果分析

4.4.1边坡渗流场与应力场模拟及分析

降雨是在边坡开挖完成后产生的，根据当地的气象资料确定，开始时连续2天的降雨强度为1.1E-06m/s，第三天至第五天再连续降雨3天，降雨强度降低为7.6E-07m/s，之后停止降雨，坡体即发生滑动破坏。

（1）孔隙水压力的变化。

边坡开挖完成后的坡体，初始的孔隙水压力受地下水位的控制，其等值线图与初始水位迹线近乎平行，受岩土体分布和自身性质的影响。靠近坡顶的最大负孔隙水压力为88.44kPa。

降雨引发的非饱和土体的孔隙水压力的变化为在第一种雨强的第二天，坡体表面明显出现暂态饱和区，部分雨水的入渗，使得坡体内负孔隙水压力分布范围明显缩小；另一部分雨水的形成坡表径流而流向坡脚然后足部补充地下水。孔隙水压力的增加，土体的基质吸力减少或丧失，导致非饱和土的抗剪强度降低，从而影响边坡的稳定性。随着降雨强度的变小，降雨持时的增加，降雨入渗量增加，坡体内的负孔隙水压力范围进一步缩小，坡内土体局部形成上层滞水，雨水入渗缓慢，大部分流向坡脚，使得地下水位局部抬升明显。降雨入渗量的增加和坡脚积水会给坡体带来不利影响：入渗量增加导致坡体含水量增大，增加了坡体的自重，整个潜在滑体的下滑力也相应增加；坡脚积水及水位的变化会导致坡脚岩土体的抗剪强度降低并且受到动水压力的扰动作用，对坡体前缘起到软化作用。这两方面均对坡体的稳定性带来不利影响。

（2）位移的变化。

降雨使得坡体表面附近局部水平负位移减小，这是由于降雨使得自重增大和基质吸力的减小导致正向位移的增加，中和了开挖时导致的卸荷位移。值得注意的是，随着降雨持续到第五天，坡顶和特别是坡下靠近坡脚位置的水平位移不断增大，表现出向坡外的变形位移，均是由于坡体的含水量增加、结构破坏、自重应力增大和基质吸力减小而导致土体趋于向外变形的特性。停雨一天，水平位移在前一天的基础上减小，可能的情况是，之前土体所含的水分迁移继续下渗或者是流出坡外，使得应力减小，变形相应减少，但坡脚位置的水平位移量较大，不容忽视。

竖直方向位移变化比水平方向位移变化量小，降雨使得含水量增加，自重增大，与开挖卸荷位移叠加抵消一部分变形。相比之下，开挖后降雨作用对坡体水平位移的影响较竖直位移大，应综合考虑靠近坡脚附近坡面的变形量。

（3）应力的变化。

降雨的入渗过程中，坡体的应力不断调整，坡体表层形成局部饱和区，致使抗剪强度减小和主应力的集中，特别是最小主应力在坡脚位置变化较大，对坡体的稳定性产生不利影响。

4.4.2红土边坡塑性区的变化

红土边坡的局部变形最终对坡体的稳定性有一定影响：坡体的局部变形是从坡体下部开始的，这样会诱发坡体上部土体逐步向下运动，进而慢慢形成滑动面，对坡体的稳定性产生不利影响。

图4开挖完后降雨前的形变及塑性区分布图5降雨第2天的形变及塑性区分布图6第6天停雨的形变及塑性区分布由上图4～图6的变形及塑性区分布可以看出，开挖后坡体变形主要集中在下部及坡脚附近。受降雨综合作用影响，坡体自降雨后，坡体下部及坡脚附近变形量随着时间的增加而明显加剧，坡体下滑变形及坡脚土体明显隆起。塑性区分布变化与变形规律一致，随着降雨时间增加，坡脚附近的塑性屈服区逐渐变大。第六天停止降雨，塑性区扩展到最大，这是因为在降雨结束时刻，入渗的雨水并没有充分下渗，而是多集中在土坡表层。在停止降雨后水在土坡体中继续下渗，扩大了雨水影响范围，增大了土体强度降低的范围。当下滑所需的应力超过土体的极限强度时，坡体内部就会产生塑性破坏，一般由坡脚向上延伸扩大塑性破坏区，最终导致整体破坏。

4.4.3边坡稳定性评价

受降雨的影响，边坡的渗流场和应力场都发生了变化，最终的结果也会导致边坡稳定性相应发生变化，在对上一节模拟分析的基础上，将SEEP/W与SIGMA/W模块分析的水头、孔隙水压力和应力应变分布情况借助于SLOPE/W模块，选择非饱和土的M-P法对边坡进行稳定性计算分析。坡体稳定性系数随时间变化图，见图7。

图7滑坡稳定性随降雨时间变化过程由以上计算结果可看出，在降雨之前的红土边坡，开挖使得坡体稳定性系数较小，已处于极限平衡状态。降雨使得红土路堑边坡安全系数随着降雨时间的增加而明显减小。在降雨结束时刻，边坡的安全系数并没有达到最小值，而是在降雨结束一天之后达到最低而坡体发生破坏，这一点阐明边坡的破坏往往发生在雨后的规律性。

5结论

在降雨过程中，随着降雨持时的增加，边坡的稳定性系数应是逐渐减小；在降雨结束时刻，入渗的雨水并没有充分下渗，而是多集中分布在土坡表层，此时的稳定系数并不是最低；在降雨结束之后短时间内（一般为1到2天），雨水在土坡体中继续下渗，扩大了雨水影响范围，此段时间边坡的稳定性系数会进一步降低。应力集中超过岩土体极限强度时，屈服面逐步向上延伸直至全部贯通，边坡发生整体滑动破坏。

参考文献

[1]王兰生，张倬元.斜坡变形的地质工程模式[A].水文地质工程地质论丛，1983.

[2]曾志姣.非饱和红粘土抗剪强度特性研究及其应用[D].中南大学，2008.

[3]王浩，廖小平.边坡开挖卸荷松弛区的力学性质研究[J].中国地质灾害与防治学报，2007，18（S0）：510.

4.4数值模拟结果分析

4.4.1边坡渗流场与应力场模拟及分析

降雨是在边坡开挖完成后产生的，根据当地的气象资料确定，开始时连续2天的降雨强度为1.1E-06m/s，第三天至第五天再连续降雨3天，降雨强度降低为7.6E-07m/s，之后停止降雨，坡体即发生滑动破坏。

（1）孔隙水压力的变化。

边坡开挖完成后的坡体，初始的孔隙水压力受地下水位的控制，其等值线图与初始水位迹线近乎平行，受岩土体分布和自身性质的影响。靠近坡顶的最大负孔隙水压力为88.44kPa。

降雨引发的非饱和土体的孔隙水压力的变化为在第一种雨强的第二天，坡体表面明显出现暂态饱和区，部分雨水的入渗，使得坡体内负孔隙水压力分布范围明显缩小；另一部分雨水的形成坡表径流而流向坡脚然后足部补充地下水。孔隙水压力的增加，土体的基质吸力减少或丧失，导致非饱和土的抗剪强度降低，从而影响边坡的稳定性。随着降雨强度的变小，降雨持时的增加，降雨入渗量增加，坡体内的负孔隙水压力范围进一步缩小，坡内土体局部形成上层滞水，雨水入渗缓慢，大部分流向坡脚，使得地下水位局部抬升明显。降雨入渗量的增加和坡脚积水会给坡体带来不利影响：入渗量增加导致坡体含水量增大，增加了坡体的自重，整个潜在滑体的下滑力也相应增加；坡脚积水及水位的变化会导致坡脚岩土体的抗剪强度降低并且受到动水压力的扰动作用，对坡体前缘起到软化作用。这两方面均对坡体的稳定性带来不利影响。

（2）位移的变化。

降雨使得坡体表面附近局部水平负位移减小，这是由于降雨使得自重增大和基质吸力的减小导致正向位移的增加，中和了开挖时导致的卸荷位移。值得注意的是，随着降雨持续到第五天，坡顶和特别是坡下靠近坡脚位置的水平位移不断增大，表现出向坡外的变形位移，均是由于坡体的含水量增加、结构破坏、自重应力增大和基质吸力减小而导致土体趋于向外变形的特性。停雨一天，水平位移在前一天的基础上减小，可能的情况是，之前土体所含的水分迁移继续下渗或者是流出坡外，使得应力减小，变形相应减少，但坡脚位置的水平位移量较大，不容忽视。

竖直方向位移变化比水平方向位移变化量小，降雨使得含水量增加，自重增大，与开挖卸荷位移叠加抵消一部分变形。相比之下，开挖后降雨作用对坡体水平位移的影响较竖直位移大，应综合考虑靠近坡脚附近坡面的变形量。

（3）应力的变化。

降雨的入渗过程中，坡体的应力不断调整，坡体表层形成局部饱和区，致使抗剪强度减小和主应力的集中，特别是最小主应力在坡脚位置变化较大，对坡体的稳定性产生不利影响。

4.4.2红土边坡塑性区的变化

红土边坡的局部变形最终对坡体的稳定性有一定影响：坡体的局部变形是从坡体下部开始的，这样会诱发坡体上部土体逐步向下运动，进而慢慢形成滑动面，对坡体的稳定性产生不利影响。

图4开挖完后降雨前的形变及塑性区分布图5降雨第2天的形变及塑性区分布图6第6天停雨的形变及塑性区分布由上图4～图6的变形及塑性区分布可以看出，开挖后坡体变形主要集中在下部及坡脚附近。受降雨综合作用影响，坡体自降雨后，坡体下部及坡脚附近变形量随着时间的增加而明显加剧，坡体下滑变形及坡脚土体明显隆起。塑性区分布变化与变形规律一致，随着降雨时间增加，坡脚附近的塑性屈服区逐渐变大。第六天停止降雨，塑性区扩展到最大，这是因为在降雨结束时刻，入渗的雨水并没有充分下渗，而是多集中在土坡表层。在停止降雨后水在土坡体中继续下渗，扩大了雨水影响范围，增大了土体强度降低的范围。当下滑所需的应力超过土体的极限强度时，坡体内部就会产生塑性破坏，一般由坡脚向上延伸扩大塑性破坏区，最终导致整体破坏。

4.4.3边坡稳定性评价

受降雨的影响，边坡的渗流场和应力场都发生了变化，最终的结果也会导致边坡稳定性相应发生变化，在对上一节模拟分析的基础上，将SEEP/W与SIGMA/W模块分析的水头、孔隙水压力和应力应变分布情况借助于SLOPE/W模块，选择非饱和土的M-P法对边坡进行稳定性计算分析。坡体稳定性系数随时间变化图，见图7。

图7滑坡稳定性随降雨时间变化过程由以上计算结果可看出，在降雨之前的红土边坡，开挖使得坡体稳定性系数较小，已处于极限平衡状态。降雨使得红土路堑边坡安全系数随着降雨时间的增加而明显减小。在降雨结束时刻，边坡的安全系数并没有达到最小值，而是在降雨结束一天之后达到最低而坡体发生破坏，这一点阐明边坡的破坏往往发生在雨后的规律性。

5结论

在降雨过程中，随着降雨持时的增加，边坡的稳定性系数应是逐渐减小；在降雨结束时刻，入渗的雨水并没有充分下渗，而是多集中分布在土坡表层，此时的稳定系数并不是最低；在降雨结束之后短时间内（一般为1到2天），雨水在土坡体中继续下渗，扩大了雨水影响范围，此段时间边坡的稳定性系数会进一步降低。应力集中超过岩土体极限强度时，屈服面逐步向上延伸直至全部贯通，边坡发生整体滑动破坏。

参考文献

[1]王兰生，张倬元.斜坡变形的地质工程模式[A].水文地质工程地质论丛，1983.

[2]曾志姣.非饱和红粘土抗剪强度特性研究及其应用[D].中南大学，2008.

[3]王浩，廖小平.边坡开挖卸荷松弛区的力学性质研究[J].中国地质灾害与防治学报，2007，18（S0）：510.

4.4数值模拟结果分析

4.4.1边坡渗流场与应力场模拟及分析

降雨是在边坡开挖完成后产生的，根据当地的气象资料确定，开始时连续2天的降雨强度为1.1E-06m/s，第三天至第五天再连续降雨3天，降雨强度降低为7.6E-07m/s，之后停止降雨，坡体即发生滑动破坏。

（1）孔隙水压力的变化。

边坡开挖完成后的坡体，初始的孔隙水压力受地下水位的控制，其等值线图与初始水位迹线近乎平行，受岩土体分布和自身性质的影响。靠近坡顶的最大负孔隙水压力为88.44kPa。

降雨引发的非饱和土体的孔隙水压力的变化为在第一种雨强的第二天，坡体表面明显出现暂态饱和区，部分雨水的入渗，使得坡体内负孔隙水压力分布范围明显缩小；另一部分雨水的形成坡表径流而流向坡脚然后足部补充地下水。孔隙水压力的增加，土体的基质吸力减少或丧失，导致非饱和土的抗剪强度降低，从而影响边坡的稳定性。随着降雨强度的变小，降雨持时的增加，降雨入渗量增加，坡体内的负孔隙水压力范围进一步缩小，坡内土体局部形成上层滞水，雨水入渗缓慢，大部分流向坡脚，使得地下水位局部抬升明显。降雨入渗量的增加和坡脚积水会给坡体带来不利影响：入渗量增加导致坡体含水量增大，增加了坡体的自重，整个潜在滑体的下滑力也相应增加；坡脚积水及水位的变化会导致坡脚岩土体的抗剪强度降低并且受到动水压力的扰动作用，对坡体前缘起到软化作用。这两方面均对坡体的稳定性带来不利影响。

（2）位移的变化。

降雨使得坡体表面附近局部水平负位移减小，这是由于降雨使得自重增大和基质吸力的减小导致正向位移的增加，中和了开挖时导致的卸荷位移。值得注意的是，随着降雨持续到第五天，坡顶和特别是坡下靠近坡脚位置的水平位移不断增大，表现出向坡外的变形位移，均是由于坡体的含水量增加、结构破坏、自重应力增大和基质吸力减小而导致土体趋于向外变形的特性。停雨一天，水平位移在前一天的基础上减小，可能的情况是，之前土体所含的水分迁移继续下渗或者是流出坡外，使得应力减小，变形相应减少，但坡脚位置的水平位移量较大，不容忽视。

竖直方向位移变化比水平方向位移变化量小，降雨使得含水量增加，自重增大，与开挖卸荷位移叠加抵消一部分变形。相比之下，开挖后降雨作用对坡体水平位移的影响较竖直位移大，应综合考虑靠近坡脚附近坡面的变形量。

（3）应力的变化。

降雨的入渗过程中，坡体的应力不断调整，坡体表层形成局部饱和区，致使抗剪强度减小和主应力的集中，特别是最小主应力在坡脚位置变化较大，对坡体的稳定性产生不利影响。

4.4.2红土边坡塑性区的变化

红土边坡的局部变形最终对坡体的稳定性有一定影响：坡体的局部变形是从坡体下部开始的，这样会诱发坡体上部土体逐步向下运动，进而慢慢形成滑动面，对坡体的稳定性产生不利影响。

图4开挖完后降雨前的形变及塑性区分布图5降雨第2天的形变及塑性区分布图6第6天停雨的形变及塑性区分布由上图4～图6的变形及塑性区分布可以看出，开挖后坡体变形主要集中在下部及坡脚附近。受降雨综合作用影响，坡体自降雨后，坡体下部及坡脚附近变形量随着时间的增加而明显加剧，坡体下滑变形及坡脚土体明显隆起。塑性区分布变化与变形规律一致，随着降雨时间增加，坡脚附近的塑性屈服区逐渐变大。第六天停止降雨，塑性区扩展到最大，这是因为在降雨结束时刻，入渗的雨水并没有充分下渗，而是多集中在土坡表层。在停止降雨后水在土坡体中继续下渗，扩大了雨水影响范围，增大了土体强度降低的范围。当下滑所需的应力超过土体的极限强度时，坡体内部就会产生塑性破坏，一般由坡脚向上延伸扩大塑性破坏区，最终导致整体破坏。

4.4.3边坡稳定性评价

受降雨的影响，边坡的渗流场和应力场都发生了变化，最终的结果也会导致边坡稳定性相应发生变化，在对上一节模拟分析的基础上，将SEEP/W与SIGMA/W模块分析的水头、孔隙水压力和应力应变分布情况借助于SLOPE/W模块，选择非饱和土的M-P法对边坡进行稳定性计算分析。坡体稳定性系数随时间变化图，见图7。

图7滑坡稳定性随降雨时间变化过程由以上计算结果可看出，在降雨之前的红土边坡，开挖使得坡体稳定性系数较小，已处于极限平衡状态。降雨使得红土路堑边坡安全系数随着降雨时间的增加而明显减小。在降雨结束时刻，边坡的安全系数并没有达到最小值，而是在降雨结束一天之后达到最低而坡体发生破坏，这一点阐明边坡的破坏往往发生在雨后的规律性。

5结论

在降雨过程中，随着降雨持时的增加，边坡的稳定性系数应是逐渐减小；在降雨结束时刻，入渗的雨水并没有充分下渗，而是多集中分布在土坡表层，此时的稳定系数并不是最低；在降雨结束之后短时间内（一般为1到2天），雨水在土坡体中继续下渗，扩大了雨水影响范围，此段时间边坡的稳定性系数会进一步降低。应力集中超过岩土体极限强度时，屈服面逐步向上延伸直至全部贯通，边坡发生整体滑动破坏。

参考文献

[1]王兰生，张倬元.斜坡变形的地质工程模式[A].水文地质工程地质论丛，1983.

[2]曾志姣.非饱和红粘土抗剪强度特性研究及其应用[D].中南大学，2008.

[3]王浩，廖小平.边坡开挖卸荷松弛区的力学性质研究[J].中国地质灾害与防治学报，2007，18（S0）：510.