牵引式滑坡渐进形成历程试验研究

孙立娟,　杨　涛,　成启航,　吴丁丁

(1. 西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室, 四川 成都 610031)

我国滑坡地质灾害分布广泛,牵引式滑坡作为一种重要的的滑坡形态,在工程中十分常见.牵引式滑坡一般是斜坡前缘受到开挖或者侵蚀等出现局部失稳,边坡下部土体首先发生滑动,坡脚支撑削弱,边坡失稳范围不断向上部延伸的一种坡体失稳滑动[1-3].牵引式滑坡不是一次形成的,具有分级失稳、逐渐贯通的破坏过程[4-5].很多大型滑坡通常是在降雨后一段时间内发生,有明显的滞后性[6-7],其主要原因是：雨水入渗侵入潜在滑带,使滑带土抗剪强度逐渐降低,当抗滑力小于下滑力,坡体稳定性丧失,引发滑坡灾害，如鹰厦铁路K615滑坡[8],病害发展从坡脚液化泥浆开始,继而坍塌发生小范围滑动,又因降雨导致地下水量增加,使滑带土饱和软化,病害逐渐向上发展扩大,从而造成大规模的牵引式滑坡.降雨是滑坡失稳的重要诱因.据统计,我国发生的大型灾难性滑坡中,约50%由强降雨引发[9].降雨致滑机理较复杂,持续降雨可导致滑体土容重增加,滑带土饱水软化及地下水上升等,其中,地表水入渗或地下水浸入潜在滑带,导致滑带土饱水弱化是滑坡失稳的最主要原因.

以往的模型试验一般通过坡面降雨逐渐提高滑带土的含水量,从而模拟地下水对坡体稳定性的影响[10-13].这些研究均是通过降雨导致滑体土容重增加、下滑力增大、岩土体抗剪强度降低,从而实现对边坡降雨破坏的模拟.这种试验方法对边坡降雨失稳机理研究是适合的.但对于大多数老滑坡而言,在地质历史时期已经形成了滑动面,其复活失稳多是因为滑带土软化导致的.因此,对于存在既有滑面的老滑坡,其滑带饱水模拟比坡体饱水模拟更重要.现有方法难以实现雨水均匀入渗滑带,多数情况是坡面浅层已被冲刷破坏,滑带土却尚未达到饱和[14-18].由于牵引式滑坡具有逐级失稳的破坏特征，其滑带被软化过程亦是逐步发展的.目前的研究方法难以准确模拟滑坡的渐进破坏过程，尚缺乏合适的试验手段，仍需进一步探索.

本文设计研发了“分段式滑面底渗法”的模型试验装置,提出了能够模拟滑坡体分级滑动的试验方法,通过在滑带底部均匀入渗地下水的方法,逐渐降低滑带土抗剪强度以实现牵引式滑坡的渐进演化过程，并开展多种工况模型试验,研究牵引式滑坡的变形发展规律和可能影响因素,为探索牵引式滑坡渐进失稳机理提供新的思路.

1　“分段式滑面底渗法”试验装置

模型试验装置主要有模型箱、渗透装置和注水装置.模型箱尺寸为120 cm(长)×30 cm(宽)×80 cm(高).模型箱内部主要用来实现滑体和滑带的模拟,底部滑床认为是固定不变的.按确定的滑面形状固定好渗透盒后,在其上面铺设2 cm厚滑带土,在滑带上填筑滑体土.模型箱四周均为透明钢化玻璃,用以观测滑坡体渐进破坏过程,并测量滑坡体裂缝位置和坡体变形.模型箱如图1所示，图中，1～11为渗透盒编号.

图1　试验模型箱(单位:cm)Fig.1　Model casing for test (unit: cm)

装置主体是由11个渗透盒构成渗透系统,用来模拟分段式滑面.渗透盒内部空置,平面尺寸30 cm(长)×12 cm(宽)×2 cm(高),由壁厚1 mm的钢板制作而成.渗透盒顶部为细孔均布的盖板,孔径和孔距分别为1.0 mm和1.5 mm.渗透盒底部连注水管,内部用泡沫和毛巾填充,以保证渗透盒表面均匀透水.试验时,渗透盒内支架下部保持空置,从底部引出注水管.注水流量保持在0.4 L/h.在分段式滑面上部依次填筑滑带土、滑体土.从注水管外端注入设计水量,从顶部小孔均匀入渗至滑带土中.随着滑带土含水量不断提高,土体强度逐渐降低,通过向不同区段渗透盒注水实现滑体分级失稳.注水时,保持1 m高不变水头,持续匀速注水至设计水量,并记录加水量.试验时,不同注水管需保持相同注水量和水流速度,并确保水管流速均匀.

2　模型试验设计

本试验采用60目石英砂和山东潍坊膨润土为原材料,配置滑带土和滑体土.共设计12组试验方案,分别考虑坡面形态、滑面形态、滑体性质、滑带性质、注水量、失稳滑段区段等因素的影响并开展不同工况,逐级实现牵引式滑坡的渐进失稳过程.

2.1　模型制作

为减小模型的边界效应对试验的影响,在模型箱两侧玻璃上涂抹了一层凡士林材料进行处理.试验采用分层击实填筑的方法:首先采用自行设计的V型漏斗将滑带土均匀铺设在滑带上,采用自制铁质滚筒进行压实,滚筒长度与模型宽度一致,滚筒重4.5 kg.将滑体土每隔10 cm厚度均匀分层,共分6层,采用滚筒分层压实后,用环刀在不同部位取样,确保土体湿密度误差在±3%左右,土体填筑完成后通过人工削坡得到设计坡型.

2.2　试验方案设计

滑体土采用砂土比 10∶1和 2∶1的比例配置,滑带土采用砂土比 0∶1、1∶1和 2∶1的比例配置.滑带土和滑体土含水量均保持在10%左右,试验方案1～12如表1所示.分别测试了滑体土和滑带土的物理力学参数,各组试验指标如表2所示.

表中:γ为天然重度;,Es为压缩模量;c为黏聚力;φ为内摩擦角;e为孔隙比.

表1　试验方案设计表Tab.1　Test scheme design table

表2　模型土物理力学参数表Tab.2　Physical and mechanical parameters of model soil

注:表中各组前后数据分别表示滑体土和滑带土参数,如:15.51/14.19,分别表示滑体土、滑带土的天然重度.

坡体材料渗透系数为(3～5)×10-5m/s,能够吸收全部渗入水量.滑面形态分为3种:圆弧型、折线型和直线型;坡面线分为3种:多段线、三段线和两段线,如图2所示.

渗透盒从剪出口开始编号,向坡顶逐渐增大,编号依次为1，2，3，…，11(图1).从剪出口处滑带开始,逐渐扩大渗透盒的注水范围,模拟牵引式滑坡的逐级失稳过程.

(a) 方案1～7(b) 方案8(c) 方案9(d) 方案10(e) 方案11(f) 方案12图2 坡体形态(单位:cm)Fig.2 Morphology of slope(unit: cm)

分3阶段设计滑坡工况,观测各级滑坡体后缘面破裂倾角.工况1～3及试验观测到的破裂倾角如表3所示.

第1级滑带即为各组试验的工况1对应的滑带组合,第1级滑体为第1级滑带软化引起的变形坡体部分,依此类推.

表3　后缘面破裂倾角试验值Tab.3　Inclinations of trailing edge of test values

2.3　试验过程

本次试验共设计12组试验方案,各组试验均从滑带前端渗透盒开始,按照一定的分级滑段区段依次向各级渗透盒内注水.滑带土吸水软化后,滑坡发生局部滑动,观测滑坡体变形和后缘面破裂倾角的变化规律.第1级滑体土变形稳定后,向第2级滑带组合注水,依此顺序逐级进行,直至坡顶.需注意的是,剪出口处的渗透盒1并未注水,考虑到其位于坡体前端,注水易导致滑带底面受到冲刷产生流通孔洞,影响试验效果.

模型试验主要通过地下水软化滑带导致滑带土抗剪强度降低,从而实现滑坡体分级失稳的,因而需测试含水率对滑带土抗剪强度参数的影响,以确定注入水量.通过室内直剪试验,测得了不同含水率条件下滑带土体的强度特性,图3和图4分别为滑带土的黏聚力和内摩擦角随含水率变化的趋势曲线.

图3　滑带土的黏聚力-含水率关系曲线Fig.3　c-ω curve of slip soil

图4　滑带土的内摩擦角-含水率关系曲线Fig.4　φ～ω curve of slip soil

由图3、4可知：滑带土的黏聚力和内摩擦角均随含水率的增加而迅速降低，砂土比 2∶1和 1∶1的滑带土含水率由10%增加至25%时,黏聚力基本为0,内摩擦角减小至原来的60%;砂土比 0∶1的含水率由10%增加至35%时,黏聚力和内摩擦角均大幅度减小,接近至0.根据上述关系曲线,向滑带土缓慢注水至设计水量,使其抗剪强度逐渐降低,实现牵引式滑坡分级失稳过程.

3　滑坡孕育发展过程试验分析

模型试验的主要目的是模拟牵引式滑坡渐进失稳演化过程,并探讨滑坡形成过程的主要影响因素，根据试验现象,总结滑坡变形发展规律,分析各因素对牵引式滑坡渐进破坏过程的影响.

3.1　模型变形过程分析

各组渗透试验均耗时较长,目的是使水在滑带土中均匀缓慢地渗透,符合滑坡体实际饱水过程.各滑带分级组合通常累计注水至200～400 mL时首次产生裂缝.持续注水,滑体前端下错滑移,裂缝逐渐张开,并向滑带处延伸.注水至滑带土强度不再降低,滑体变形趋于稳定.若继续注水,裂缝仍会扩张,但不会出现变形明显的新裂缝.图5反映了滑坡体变形发展过程.

(a) 侧视图

(b) 俯视图图5　方案8后缘拉裂缝形态Fig.5　Morphology of tension crack of No.8 trailing edge

裂缝C1是软化渗透盒2～4时产生,裂缝位于渗透盒6上方,在滑带软化过程中,伴随有滑体前移、裂缝持续张开且向滑带处延伸等现象.渗透盒2～4变形稳定后,继续向渗透盒5～7注水,在渗透盒8对应的坡面位置产生裂缝C2,继续注水,C2不断张开和延伸,而后变形趋于稳定，此时,C1受后 1级滑体挤压,逐渐变窄.裂缝C3是软化渗透盒8、9时产生,该裂缝位于渗透盒10上方坡面处,在滑带被软化过程中,C2逐渐变窄,C1逐渐闭合,并伴随明显的下错位移.试验表明,从前至后分段软化滑带,形成分级失稳滑块,引起各级滑体变形前移,且后缘破裂面逐渐向滑带处贯通,滑坡体发生局部失稳.

归纳各组试验现象,可以发现如下规律:

(1) 不同失稳滑带段分别对应一条主裂缝.第n级滑带失稳,将在其后侧坡面处出现一条裂缝,并向被软化滑带末端延伸.假定m为第n级失稳滑带的末端滑块,则裂缝出现的范围约为m～m+2滑块所对应的坡面位置.例如,第1级滑带包括渗透盒2、3和4,即渗透盒4为末端滑块,此时裂缝通常出现在渗透盒4和6之间的坡面位置处.

(2) 根据分级滑体变形可知,第1级滑体稳定性最差,表现为坡体下错位移和裂缝张开均较大,局部破坏较为严重.第1级滑体前端出现明显的鼓胀裂缝和滑体前移(见图6).

(a) 方案3鼓胀裂缝(b) 方案10滑体前移图6 坡体局部破坏Fig.6 Local failure of slope

(3) 坡面裂缝沿边坡走向近似平行分布(见图7),表明土体压实度基本一致,渗透盒出水均匀,渗透装置设计可行,可操作性好.同时,坡体模型的宽度约为其长度的1/4,能够反映坡体的空间变形特征.

(a) 方案4第1级裂缝(b) 方案7第2级裂缝图7 裂缝形态特征Fig.7 Morphology of cracks

(4) 后一级滑块失稳会导致已形成裂缝宽度变窄或消失,说明滑带软化导致坡体局部失稳.图8(a)为第1级滑体变形出现的裂缝C1,当第2级滑体形成时,因滑体失稳前移,C1逐渐变窄(图8(b)),至第3级滑体形成时,C2逐渐变窄,C1基本消失(图8(c)),滑坡体呈现出自下而上的渐进式牵引破坏模式.

(5) 滑体性质对坡体变形有显著影响,滑体土砂土比越小,坡体变形越大(见图9).

砂土比 10∶1时,裂缝张开约2～7 mm,下错2～8 mm,裂缝通常延伸至1/3滑体厚度处.砂土比 2∶1 时,裂缝张开约5～18 mm,下错6～23 mm,裂缝通常向滑带处延伸1/2滑体厚度或至与滑带贯通.

(6) 坡面几何特性对滑坡体渐进破坏趋势影响较大.图10(a)、(b)分别为多段线坡面线和两段线坡面线,其他条件相同,两段线坡面形态的坡体失稳变形较为显著,裂缝向滑带处延伸较长.

(a) 第1级(b) 第2级(c) 第3级图8 方案1滑带失稳过程Fig.8 Instability process of sliding zone of No.1

(a) 方案5砂土比 10∶1(b) 方案10砂土比 2∶1图9 裂缝形态特征Fig.9 Morphology of cracks

(a) 方案7多段线坡面(b) 方案8两段线坡面图10 坡体变形特征Fig.10 Deformation characteristics of slope

(7) 滑带性质对坡体变形影响并不明显.例如,方案2、3和4的滑带性质不同,其他条件相同,坡体变形程度无显著区别.

3.2　后缘面破裂倾角演化规律

滑坡体后缘面破裂倾角是稳定性分析的关键参数,其空间形态特征对滑坡体破坏模式有重要影响.因此,充分认识和掌握破裂倾角的变形发展规律具有重要意义.定义破裂倾角为坡面破裂点和失稳滑带末端连线与水平面的夹角.

将各组试验方案进行对比,探讨坡面形态、滑面形态、分级滑段区段和滑体性质4个因素对后缘面破裂倾角形成规律的影响.

(1) 考虑坡面形态的影响.选取方案7、9进行对比,仅坡面形态一个可变因素,滑面形态、分级滑段区段和滑体性质均相同.其中,方案7为多段线坡面,方案9为三段线坡面,各组试验方案的后缘面破裂倾角如图11所示.

(a) 方案7多段线坡面(b) 方案9三段线坡面图11 后缘面破裂倾角(单位:cm)Fig.11 Inclinations of the trailing edge(unit: cm)

根据表3，方案7、9的结果对比如图12所示.由图12可知,三段线型滑坡体的各级破裂倾角明显大于多段线型滑坡体的破裂倾角,前者表现为由陡变缓的变化趋势,后者表现为先增大再减小,呈波动式变化.由此表明,坡面形态对后缘面破裂倾角影响较大,坡面形态较陡的滑坡体具有更大的破裂倾角.

图12　方案7、9结果对比Fig.12　Results comparison of No.7， 9

(2) 考虑滑面形态的影响.选取方案8、10、11、12进行对比,仅滑面形态一个可变因素.其中:方案8为圆弧型滑带;方案10为折线型滑带,方案11为直线型滑带(30°);方案12为直线型滑带(20°).根据表3，各组方案的后缘面破裂倾角如图13所示.

根据表3,可绘制方案8、10、11、12的破裂角结果对比,如图14所示.

由图14可知：滑面形态对后缘面破裂倾角影响较大,滑面形态越陡,后缘面破裂倾角越大;方案8 的各级破裂倾角依次增大,其工况1的破裂倾角为各组中最小;方案10和12的破裂倾角呈斜“V”字型变化,表现为先减小再增大;方案11的各级破裂倾角均为最大,且从前至后依次递减.总体来说,各组方案的第1级滑体后缘面破裂倾角差异最大,第2级次之,第3级较为接近,表明滑面形态对第1级滑体的后缘面破裂倾角影响最大,越向滑坡体后侧影响越小.

(3) 考虑不同滑段的影响.选取方案1、2、5、6进行对比,仅滑段区段不同,对第1级滑体后缘面破裂倾角进行对比,各组试验方案的后缘面破裂倾角如图15、16所示.

由图16可知,首先失稳的第1级滑带越长,后缘面破裂倾角越小.随着滑带区段长度递增,相邻滑段间的破裂倾角差值变大,即破裂倾角减小速率变快.

(4) 考虑滑体性质的影响.选取方案2、7进行对比,仅滑体性质不同,各组试验方案的后缘面破裂倾角见表3.对比发现,滑体性质对后缘面破裂倾角影响并不明显.两组方案的破裂倾角变化规律较为接近,均为先陡后缓,且变化幅度较小.

(a) 方案8(b) 方案10(c) 方案11(d) 方案12图13 后缘面破裂倾角Fig.13 Inclinations of the trailing edge

图14　方案8、10、11、12结果对比Fig.14　Results comparison of No.8, 10， 11， and 12

综合上述,归纳出后缘面破裂倾角的变化规律:(1) 坡面形态、滑面形态、不同滑段区段3个因素对后缘面破裂倾角影响最为显著,滑体性质对破裂倾角的影响并不明显.(2) 坡面形态较陡的滑坡体具有更大的破裂倾角.(3) 滑面形态越陡,后缘面破裂倾角越大.滑面形态对第1级滑体的后缘面破裂倾角影响最大,越向滑坡体后侧影响越小.(4) 首先失稳的第1级滑带越长,其后缘面破裂倾角越小.随着滑带区段长度递增,各相邻区段破裂倾角差值变大.

(a) 渗透盒2+3(b)渗透盒 2～4(c) 渗透盒2～5(d) 渗透盒2～6图15 后缘面破裂倾角Fig.15 Inclinations of the trailing edge

图16　No.1、 2、 5、 6结果对比Fig.16　Results comparison of No.1, 2, 5， and 6

4　结论与讨论

本文通过室内模型试验模拟牵引式滑坡渐进失稳过程,研究牵引式滑坡演化发展规律,并探讨滑坡分级失稳的影响因素,得出结论如下:

(1) 研发了能够模拟牵引式滑坡渐进破坏过程的“分段式滑面底渗法”试验装置,用于模拟各种几何形态的滑面,通过向不同分段的渗透盒注水,可使滑带分级软化,模拟各种滑坡破坏模式.

(2) 设计12种试验方案,模拟了圆弧型、折线型和直线型滑面,多段线、三段线和两段线坡面线以及多种坡体材料.从前至后逐步分段软化滑带,通过改变滑带土含水量而降低土体强度,形成分级失稳滑块,观测滑坡体变形特征及后缘破裂面形态.

(3)各级失稳滑带分别对应1条主裂缝.坡面裂缝沿边坡走向近似平行分布.第1级滑坡体稳定性最差.滑体性质和坡面几何特性对滑坡渐进破坏趋势影响较大.两段线坡面形态的坡体失稳变形最为显著,且滑带越陡,滑坡体越容易发生失稳滑移.

(4) 坡面形态、滑面形态、不同滑段区段3个因素对后缘面破裂倾角影响最为显著.坡面形态较陡的滑坡体具有更大的破裂倾角.滑面形态对第1级滑体的后缘面破裂倾角影响最大,且滑面形态越陡,后缘面破裂倾角越大.首先失稳的第1级滑带越长,后缘破裂面倾角越小.

目前,后缘面破裂倾角仅采用坡面裂缝位置与被软化滑带末端相连接的方式,这种简化方法尚有不足,需进一步探索.