工程开挖引起的黄土边坡变形破坏机理分析

王衍汇，倪万魁，李征征，石博溢，戴磊，袁志辉

(长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安　710054)

工程开挖引起的黄土边坡变形破坏机理分析

王衍汇，倪万魁，李征征，石博溢，戴磊，袁志辉

(长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安710054)

近年来，由于黄土高原地区经济快速发展，受地形限制的影响，很多工程建设无法避开已有的黄土滑坡，使得在边坡开挖过程中产生各种变形破坏迹象，危害十分严重。笔者以富县洛阳乡某挖方边坡为例。根据其地质环境、滑坡概况以及人类活动等情况，利用工程地质分析法定性阐述了在边坡开挖过程中的破坏机理，并将整个变形破坏过程分为3个阶段：坡脚卸载差异变形阶段、压致拉裂面贯通阶段、“V”型裂缝稳定阶段；其次，结合有限元数值模拟量化描述了边坡的变形破坏特征；最后，基于边坡应力分布情况，推算出蠕滑段发育的最大深度距剪出口约93m，同实际情况较为吻合。

黄土边坡；人工开挖；蠕滑；压制拉裂；“V”型裂缝

我国是一个滑坡灾害较为频发的国家，据不完全统计，自20世纪80年代以来,几乎平均每年都有一次重大滑坡灾害事故发生(黄润秋，2007)。近年来，由于黄土高原地区经济快速发展，受地形限制的影响，很多工程建设中不得不开挖黄土滑坡进行场地建设，使得边坡在开挖过程中产生各种变形破坏迹象，从而引发了大量的黄土滑坡，对人的生命和财产带来十分严重的危害(徐张建等，2007)。

理论和实践证明，滑坡的变形破坏机理很大程度上决定了其最终破坏的方式与特征(张茂省等，2011；BROMHEAD E N，et al.，2006)，而黄土滑坡普遍都具有复杂的变形演化机制及破坏过程，大致可分为以下4类：“牵引”错落机制、剪切滑动机制、崩滑-液化机制、蠕滑-平移机制(徐张建等，2007)。因此，正确的把握黄土滑坡的变形破坏机理是认识滑坡特性、评价滑坡稳定性、预测滑坡演化趋势、指导滑坡岩土体物理力学参数合理选取、预防和整治滑坡的关键(张帆宇等，2009；GIANFRANCO Urciuoli，et al.，2007)。

笔者以陕北富县洛阳乡某挖方边坡为例，根据其工程地质条件、工程概况以及人类活动，用工程地质分析法定性的阐述了该边坡在开挖过程中的启动机制及破坏机理，结合数值模拟定量模拟了该边坡的变形或破坏特征，并与监测数据做以对比，全面系统的分析了该边坡的成因、失稳过程和破坏机理。

1　边坡工程环境和基本特征

1.1工程地质条件

笔者所研究的挖方边坡地处陕北黄土高原丘陵沟壑地带，区域大地构造位置属中朝准地台陕甘宁台坳陕北台凹，新构造运动在本区中新生代地层中变化不明显，褶皱断裂构造不发育，属新构造运动相对稳定区，整体表现为间歇性缓慢抬升。场区内地震频度低，强度小，地震灾害轻，区域地质构造属相对稳定区。

场区在地貌单元上处于黄土梁前缘沟壑区斜坡地带。自然综合坡度约25°～30°，顶部较平缓，两边坡面冲沟发育，局部地段冲沟下切较深，有明显坍塌现象。目前边坡受地层和风化控制，自然形成多级黄土陡坎。陡坎高度约6～8m，陡坎上下平台宽约2～5m。场内地层自上而下依次出露有第四纪全新世耕植土及洪积的黄土状土；第四纪晚更新世风积黄土、残积古土壤；第四纪中更世风积黄土、残积古土壤，下三叠统瓦窑堡组砂岩及砂、泥页岩互层体。其中，黄土状土层位不稳定，厚度变化大，分布不连续，常分布于坡体近坡脚位置，呈披覆状；黄土、古土壤呈披覆状分布于整个坡体，层位、层厚变化大；基岩层构成上覆松散层的基座，层位稳定，产状近水平。

1.2滑坡概况

场区内存在一古滑坡(图1)，滑坡位于洛河右岸，洛阳乡以南约10km。坡体近东西走向，地形起伏大。滑体位于黄土梁与斜坡之间的斜坡地带，底面标高912～1 055m，相对高差143m。洛河滑坡在平面上呈近似“簸箕状”，两侧以冲沟为界，后陡前缓，周缘可明显看到错动带。滑体纵向长480m，横向宽280m，滑体后部较厚(约26m)，前缘较薄(约4m)，平均厚度约11m，滑体后缘滑面主要在Q2黄土中，中部主滑段与前缘抗滑段主要分布在粉质黏土与砂、泥岩结合面处。滑体后缘陡壁较清晰，高20～50m，坡角50°～75°，前缘到沟边，从前缘看滑体圈椅状形态清晰可见。目前滑体已被冲沟切割破碎，坡体植被较发育，地表呈缓斜坡状，自然坡度约25°～35°。滑体体积较大，主要由第四系黄土和粉质黏土组成，下三叠统瓦窑堡组砂岩及泥、页岩互层体在滑体前缘沟口内裸露，基岩风化差异明显，风化程度为强—中等。根据勘察成果及现场调查访问，该滑坡多年来未见明显滑动迹象，属古滑坡，现已基本稳定。

1.3人类活动

为了满足场区布设的总体要求，需在滑体中部沿坡体地形修建一条近南北向的场区道路，该道路将滑体分割成东、西两部分，同时在洛河古滑坡后缘附近(图1)进行了大规模的人工开挖和削坡活动，形成高70m的挖方高边坡(图2)，坡体采用1∶1.0、1∶0.75、1∶0.5三种坡率放坡，其中挖方段土质边坡按照1∶0.5～1∶0.75放坡，基岩边坡放坡率为1∶0.5，各级边坡间设置2～3m平台。场区内强烈的人类工程活动破坏了地质环境以及古滑坡原有的平衡，使新建挖方高边坡的稳定性大幅度下降，坡体的变形破坏现象严重。为适时监控坡体在开挖过程中变形特征及演化规律，在坡体开挖前，在坡顶设置地表变形观测点2个(BX1、BX2)，坡体开挖后，增设地表变形观测点1个(BX3)以及深部位移观测点1个(CX1)。

1.滑坡周界；2.地质剖面及编号；3.裂缝；4.滑动方向；5.地质界线；6.等高线及高程点；7.第四系滑坡堆积物；8.马兰黄土；9.泥砂岩图1　边坡工程区域工程地质平面图Fig.1　The engineering geological planar graph of slope engineering

图2　Ⅰ-Ⅰ′工程地质剖面图Fig.2　The engineering geological profile of Ⅰ-Ⅰ′

2　边坡变形破坏机理分析

2.1工程地质分析

天然斜坡或人工边坡形成过程中，岩(土)体内部原有的应力状态将随着过程的进行而发生变化，引起应力的重分布和应力集中等效应。斜坡岩体为适应这种新的应力状态，将发生不同形式和不同规模的变形与破坏(王念秦等，2005)，为此，应以地质分析方法为基础进行力学分析(许领等，2008；雷祥义，1994)。笔者用工程地质历史成因分析法分析了陕北富县洛阳乡某挖方边坡在人工开挖削坡过程中从差异卸荷回弹引发坡体前缘蠕滑到压致拉裂面贯通，随后边坡在新的环境中形成稳定的“V”型裂缝的变形破坏过程(图3)。

图3　挖方边坡破坏机制简图Fig.3　A diagram of excavation slope failure mechanism

(1)坡脚卸载差异变形阶段。边坡开挖使坡体两面临空，坡体前端形成开挖卸荷面，坡顶顶部恰巧位于老滑坡后壁右翼处。由于坡体本身上部土体(黄土、粉质黏土)的渗透性较好，而下部砂质泥岩的渗透性很差，属于不透水岩层，从而构成了双层异质斜坡结构(朱立峰等，2013)，接触面的低洼部位汇集了大量的地下水，使土岩接触面一带的土体长期处于软塑状态，从而形成了平缓的软弱面(图4)。在人工开挖过程中，在下部砂质泥岩和上部粉质黏土的弹性模量差异巨大的影响下，加之软弱面的存在，在坡脚土岩接触面上下产生了差异回弹(王家鼎，1992)，前缘坡体沿平缓的软弱结构面向临空方向产生了缓慢的蠕滑变形。BX2、BX3和CX1三点的监测数据显示自开挖完成后7个月内，坡体发生了明显的水平向位移，最大位移变形值可达21.31mm/d，而BX1点监测数据却罕有变化，间接说明了蠕滑的临界影响范围在BX1监测点和BX2监测点之间。

图4　软塑状态的软弱面图Fig.4　The weak surface in soft-plastic state

(2)压致拉裂面贯通阶段。随着蠕滑变形的发展，在前缘蠕滑段的错列点附近，由拉应力集中生成与蠕滑面近似垂直的张拉裂缝，这些裂缝密集而收敛，呈直线型，且具有张扭性，张开的裂缝宽度最大可达10cm，随着滑移的扩大，陡倾的张拉裂缝沿黄土中的垂直裂隙向上扩展，方向大体平行于坡面(与最大主应力方向趋于一致)，最终与地表贯通(图5)，贯通的近直线型拉裂面(产状为85°∠62°)贯穿了整个边坡的土体，并伴随发育了多组细小的牵引张裂缝，在此期间，BX2、BX3和CX1三点的监测数据显示坡体的水平位移有稳定的增长，而垂直向位移较小。

(3)“V”型裂缝稳定阶段。坡体变形进入累进性破坏阶段，坡体继续缓慢的沿平缓的软弱面向临空方向蠕滑，但平缓而长的滑面不利于滑动，同时滑体在开挖后的长期蠕滑过程中发生了应力重分布，已基本稳定并形成了自平衡体，加之滑面由于蠕滑造成挤压，增大了摩擦力，在临空面处形成一个稳定的抗滑体，BX3监测点的数据显示该部位的坡体基本没有水平、竖直向位移。

图5　贯通的直线型拉裂面图Fig.5　The transfix linear tensile surface

滑体在重力作用下仍有蠕滑变形向临空面运动的趋势，而由于抗滑体的阻挡，陡倾的贯通拉裂面成为剪应力集中带，进而陡缓转角处的坡体逐次被剪断、压碎，连通地表面形成楔形滑体，即出现边坡表面的 “V”型裂缝，在重力及抗滑力的共同作用下，楔形滑体以底部的陡缓转角点为转动点发生转动，并在“剪出口”附近微微隆起(图6)，由BX2监测点陡降的竖向位移即可证实该变形的发生，最大的竖向位移达到2 228mm。边坡开挖20个月后，4个监测点的数据基本稳定，抗滑体基本不再发生变化，此时边坡达到了新的平衡，处于基本稳定状态。

图6　坡体表面“V”型裂缝图Fig.6　The “V” type crack on the slope surface

2.2定量数值模拟分析

在对富县洛阳乡某挖方边坡在开挖作用下引发边坡变形破坏的工程地质分析的基础上，为了进一步阐述该挖方边坡的变形破坏机理，利用geo-studio软件中sigma/W模块模拟了坡体在人工开挖过程中的变形起动机制及演化规律(王衍汇等，2014)。计算参数是利用室内试验、反演及陕北地区滑坡的经验综合确定(表1)。

表1挖方边坡岩土体物理力学参数表

Tab.1Geotechnical physical and mechanical

parameters of excavated slope

土层γ(kN/m3)EMPaμcKPaφ(°)滑坡堆积物18.0300.251817马兰黄土17.5600.402818离石黄土17.8750.403222古土壤18.3800.404026粉质黏土19.3830.303525软弱结构面20.3230.259.59砂质泥岩25.0200000.25628030

由模拟结果可见，坡体开挖后开挖卸荷面附近的土体向临空方向发生了明显的位移(图7)，同时开挖面的软弱层面及开挖平台坡脚处产生了很大的剪应变集中现象(图8)。说明人工开挖后，边坡土体发生了应力重分布现象，坡内的最大主应力方向在靠近坡面附近大体与坡面平行，且最小主应力方向愈接近坡面愈趋近于零(图9)，此时坡体极易发生蠕滑现象(陈春丽等，2014)。

软弱面一带的土体由于长期积水处于软塑状态，黏聚力基本为零，仅仅具有残余的摩擦强度，此时可根据下式对变形起动条件作一判断(张倬元等，2009)。

(1)

式中：α1为σ1与软弱面的夹角；φi为软弱面的残余摩擦角；n为蠕滑判据。

图7　开挖引起的坡体位移图Fig.7　The slope position caused by excavation

图8　开挖引起的剪应变重分布图Fig.8　Shear strain redistribution caused by excavation

图9　开挖后坡体最大主应力分布图Fig.9　The maximum principal stress distribution of slope after excavation

表2　软弱面应力分布与蠕滑判据表

将表2内容绘制成图10，由图9、图10可以直观的看到，随着水平距离的减小(从开挖卸荷面沿着软弱面向坡体内的方向)σ1/σ3不断降低，蠕滑判据n却不断增大，在B点附近(水平距离93m处)两者达到平衡，之后σ1/σ3逐渐趋于稳定，而蠕滑判据n陡然剧增，由式(1)可知，自水平距离93m处至卸荷面这段距离的软弱结构面中σ1/σ3>n，将会发生蠕滑现象，这与实际情况不谋而合。

图10　蠕滑判据n与σ1/σ3的关系曲线图Fig.10　Creep criterion n and relation curve of σ1/σ3

3　结论

(1)富县洛阳乡某挖方边坡的变形破坏是由于大规模的人工开挖和削坡活动诱发的古滑坡后缘附近的土岩接触面滑坡。

(2)根据工程地质分析法及监测数据将边坡自开挖以来的整个变形破坏过程分为3个阶段：坡脚卸载差异变形阶段、压致拉裂面贯通阶段、“V”型裂缝稳定阶段，并分别阐述了各个阶段的破坏机理。

(3)sigma/W模块的应力应变分析在客观上量化的描述了坡体在开挖后，卸荷面附近土体明显的水平向位移以及开挖平台坡脚处剪应变集中等现象。

(4)基于有限元分析计算出的边坡应力分布情况，推算的蠕滑段发育的最大深度距剪出口约93m，同实际情况较为吻合。

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Study on the Deformation and Failure Mechanism of Loess Slope Caused by Engineering Excavation

WANG Yanhui, NI Wankui, LI Zhengzheng, SHI Boyi, DAI Lei, YUAN Zhihui

(College of Geology Engineering and Geomatics, Chang′an University, Xi'an 710054, Shaanxi,China)

Recently, with the rapid economic development in the loess plateau, many engineering construction have to excavate in loess slope or landslide for side construction under the influence of the terrain, which has caused all kinds of deformation and failure in the process of slope excavation, and then bring serious harm. In this paper, we take a cut slope in Luoyang village, Fuxian as an example. Firstly, the slope failure mechanism in the process of slope excavation has been discussed by using qualitative analysis of engineering geology, and the deformation and failure process has been divided into three stages: the stage of differential deformation due to the toe of slope unloading, the stage of pressure cracking surface transfixion, and the stage of “V” type fracture stability. Secondly,the slope deformation and destruction characteristics have been described through combining with the finite element numerical simulation quantitatively. Finally, the maximum depth of creep portion has been calculated, which is about 93m from the shear opening and is consistent with the actual situation.

loess slope; manual excavation； creep; compressing-tension crack; “V” type fracture

2015-06-29；

2015-07-17

陕西省科技统筹创新工程计划项目(2012KTDZD03-03)

王衍汇(1991-)，男，山东淄博人，硕士研究生，主要从事岩土体稳定性研究。E-mail:164195902@qq.com

P642.22

A

1009-6248(2015)04-0210-08