郴州某二叠系煤系土滑坡变形机理分析

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(1.中南大学 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南 长沙 410083；2.中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083)

滑坡是一种广泛发生于山区的地质灾害。坡体结构及岩土性质的多样性使得滑坡的成因、发育机理及变形特点复杂多样。近年来，在滑坡的地形地貌、地质构造[1]、环境条件[2]、人类活动[3]以及岩土的特殊性[4-5]等方面针对滑坡机理的研究取得了丰富的成果。由于滑坡是多种因素耦合作用下的结果[6]，因此在成因、演化机理方面难以形成系统性的结论与认识，同时也存在理论分析结果与实际结果有所出入的情况。

煤系土作为炭质页岩强风化的产物在工程中往往被视作一类特殊土。天然状态下煤系土边坡稳定性良好，在降雨、开挖条件下由于水敏性、易崩解等特性极易诱发滑坡。官治立[7]总结了煤系土滑坡的破坏机制，指出厚层煤系土滑坡一般以挤压剪切式破坏为主，薄层煤系土滑坡则以顺层滑动为主。张毅[8]、祝磊[9]通过对降雨条件下煤系土边坡的稳定性分析，发现煤系土边坡稳定性主要受表层风化区和裂隙分布区控制，两者通过影响雨水渗入坡体的量而实现。李吉东[10]按照“强腰固脚”的原则对某煤系土滑坡进行治理，重点突出了排水措施的重要性，并通过有限元模拟对煤系土滑坡治理效果进行评估。已有的研究成果集中于对单一条件变化的情况下浅层煤系土滑坡的分析，缺少对复杂条件下煤系土滑坡的诱发、变形机理的分析，对风化层厚度较大的滑坡的变形特征同样缺少相关研究。郴州某二叠系煤系土滑坡因其较厚的风化层和诱因的多样性使得其发育机理及变形特征十分复杂。笔者根据该滑坡地质条件及滑动特征定性分析了失稳原因和破坏机理，并结合数值模拟结果及现场监测数据定量阐述滑坡的变形特点和失稳机理，动态地反映了滑坡的发育过程及变形特点。

1 滑坡工程环境及地质条件

1.1 地质环境

滑坡地处湘南低山丘陵区，地貌单元属侵蚀、剥蚀及溶蚀低山斜坡，形态受华夏系和新华夏系构造所控制。通过地质环境调查发现，苏仙岭东—八里牌压扭性断裂构造带在滑坡场地西面约30 m处通过，长度约为10 km。

滑体主要为第四系覆盖层，由残坡积粉质黏土组成，平均厚度约4.6 m。滑带主要呈黑色饱和状，以软塑状至淤泥状煤系土为主。勘察及监测资料反映主滑带主要沿灰黑色强风化炭质页岩层发育，滑动面产状21°∠55°，深部位移监测数据反映坡体上部出现两条滑带。煤系地层属二叠系龙潭组上统，属滨海沼泽含煤碎屑沉积，岩性为灰黑、浅灰色炭质页岩，具有岩层软硬不均、结构松散和连接性差的特点。岩土交界面处为滑动带的发育位置，如图1所示。

图1 滑坡典型剖面Fig.1 Typical profile of landslide

1.2 滑坡基本特征

滑坡最大长宽均约为160 m，方量约2.4×105m3，总体地势西高东低，最大高差40 m，主滑方向SE 136°。滑坡上部及坡脚处因工程活动改变了最初局部的坡形，滑坡上部有弃土堆载于表层并伴有坡面裂缝出现。滑坡发生后，坡体出现多级高度不等的台阶状平台，滑坡后壁形成约65°的拉张陡坎及0.4 m的错落，坡体两侧可见圈椅状断壁。坡体主要裂缝基本呈弧形分布，多见于坡体中上部，方向大致与主滑方向垂直，平均宽度0.3 m，深度0.4 m，张开程度及深度较大的裂缝主要位于坡体中上部。坡体下部裂缝呈锯齿放射状分布，坡脚处受挤压略微隆起。坡面相对于原地形有明显沉降。滑坡全貌如图2所示。

图2 滑坡全貌图Fig.2 Landslide overview

2 滑坡演化机理及诱发因素分析

2.1 宏观特征

滑坡以二叠系下统栖霞组灰岩为基岩。岩层倾角适中，倾向与滑坡滑动方向一致，为顺层滑坡。由于坡顶建设弃土堆放于坡面上部，造成坡体应力重分布且竖向应力的增幅大于横向应力，使得偏应力增加。坡体土在上部堆载区形成应力集中带，导致该处土体发生蠕变且范围逐步增加，坡顶出现拉裂缝，土体发生剪切破坏。堆载区两侧则形成拉张破坏区，两侧的裂缝与坡顶相连，形成坡体上部的局部滑坡。

坡脚处因工程需要进行了修切，形成约6 m高的临空面。土体缺失后坡脚剪应力增大，产生了剪切屈服带并沿煤系地层向坡体内不断发展，坡脚处的失稳牵引坡面产生裂缝，坡顶处土体同时产生松动。软弱带受地形及特殊岩土控制，最终发育成主滑带与上部滑带的连接，整个滑坡形成两条滑带。

2.2 微观机理

滑坡滑动面形成于二叠系上统龙潭组页岩中，稳定性受页岩强风化产物煤系土的影响显著。根据有关研究，煤系土在无水状态下性质良好，遇水则极易发生软化引起强度的急剧衰减。文献[11]分析了不同干密度的重塑煤系土在不同含水率下的强度参数变化(图3)。煤系土在含水率较低的状态下强度性质良好，随着含水率逐渐增高，抗剪强度参数首先缓慢下降，在接近含水率的某一临界值时突然大幅下降且黏聚力的降幅大于内摩擦角的降幅。

图3 不同含水率时煤系土的强度参数变化Fig.3 Change of strength parameters of coal-seed soil with different water contents

文献[12]对不同地区煤系土的结构进行研究，发现煤系土在天然状态下结构松散、孔隙率大，通常呈团状或片状结构，层间胶结程度较差。静水状态下，煤系土内中、小孔隙被水充满，颗粒之间的胶结物被溶蚀，胶结程度变弱，颗粒连接方式由原来的面与面接触逐渐发展为边与边、边与面、边与角的接触，导致了结合力下降。随着含水量进一步增大，在水力梯度作用下，坡体内部形成沿岩土交界面的径流通道。在动水压力下，土体骨架被水冲击，加剧了土体结构的失效，同时动水携带被溶蚀的胶结矿物成分沿径流通道流动，带走了骨架物质，使得孔隙进一步加大，又促进了水流路径的发展。骨架结构的损失令作用于残留骨架上的有效应力大幅增加，土的强度因此急剧降低。

煤系土矿物成分中含有一定量的亲水性黏土矿物，如蒙脱石、伊利石等，在遇水条件下，亲水矿物发生软化并沿炭质页岩的层理和垂直节理方向膨胀，因此该类岩土具有较强的膨胀性和崩解性[13]。高岭石、伊利石矿物颗粒小，水分子能够进入层状矿物之间形成极化水分子层，同时水分子进入矿物晶胞之间，形成矿物内部层间水层[14]。在两种作用下黏土矿物发生内外部膨胀，引起了土体结构的破坏和空隙率的增大，而膨胀的各向异性和不均匀性使矿物内部产生不均匀应力，加剧了微空隙的产生。

成分及结构的特点决定了在遇水条件下煤系土力学参数的变化与黏土力学参数的变化存在差异。胡昕等[15]对比了不同含水率下高液限黏土和煤系土强度性质的变化趋势，发现黏土黏聚力减小过程曲线存在分段性不明显特征，而煤系土黏聚力减小过程曲线分段性相对明显。因黏土黏粒含量多，水膜连接及颗粒间胶结作用强烈，而煤系土的水膜连接作用因颗粒的松散而导致黏结程度变差，溶蚀过程表现出速度的不均匀性，因此随含水量升高的过程中黏聚力下降的趋势表现出明显的阶段性。煤系土颗粒粒径较大，粗粒含量较多，在一定条件下含水率的变化不会导致其结构和颗粒大小的显著变化，故在内摩擦角的变化上煤系土所受影响较黏土而言相对较小，下降趋势较为缓和。而黏土因大量细颗粒的存在，在内摩擦角的变化上则体现出了阶段性持续下降。

根据气象记录，滑坡发育于郴州地区降雨较为集中的季节，降雨强度较小但历时较长，单月累计降雨量达200 mm。滑坡发育阶段中坡面出现多条裂缝，雨水沿坡面裂缝渗入坡体，直接导致坡体土含水量升高并逐渐饱水，重度增大引起坡面荷载的增加。雨水下渗过程中遇到不透水层产生淤积，在水力梯度的作用下，水沿不透水层界面径流导致岩土分界面处煤系土遇水软化，加速滑带的形成。水的径流同时会导致坡脚处含水量升高，软化坡脚使坡体临空处失去了支撑作用，坡脚土体最先失稳，带动后侧土体顺势滑动。与此同时，无降雨时在维持正常地下水及坡面水排泄情况下，坡体处于静水压力状态。而长期降雨条件下，孔隙水压力的变化导致坡体应力的重新分布。两者的共同作用促进了滑动面的发育和滑坡的发生。

根据文献[16]对郴州该地区二叠系煤系土的研究，煤系土天然状态下含水率约为12%，饱和含水率21%，滑坡发育过程中达到极限饱水状态，饱和度为100%。随着含水率升高，该地区煤系土强度参数降低，其计算式为

c=-263.42θ+97.683 5%≤θ≤35%

(1)

φ=-334.71θ2+55.981+36.555 5%≤θ≤35%

(2)

式中：θ为体积含水率；c为黏聚力；φ为内摩擦角。强度参数的骤减对滑坡的发生起到了决定性作用。

综上，该滑坡的发生是由于人为因素造成的坡体形态改变引起坡体应力重分布后，在降雨的条件下特殊土软化导致土体强度降低而诱发的，该滑坡的发生是多种因素耦合作用下的共同结果。

3 煤系土滑坡变形的数值模拟

3.1 计算模型及原理

利用有限元模拟软件Abaqus建立煤系土滑坡主滑动剖面二维平面计算模型，通过Abaqus软件中的场变量来实现滑坡滑带土抗剪强度的不断损失从而完成模拟过程。所建二维模型的尺寸采用实际滑坡的长度和高度，经网格划分后得到示意图(图4)，共有个1 191 个网格，1 267 个节点。滑坡土体材料采用摩尔—库仑模型，基岩材料为弹性模型，荷载为岩土体自重，底部边界条件为限制水平及竖直方向位移，两侧边界条件限制水平方向位移。

图4 网格划分图Fig.4 The image of mesh

计算按照有限元强度折减理论进行[17]，抗剪强度参数计算式为

(3)

(4)

3.2 材料属性

根据滑坡勘察资料确定粉质黏土及基岩的物理力学参数。对于煤系土强度参数的确定，首先通过对主滑面的稳定性反算得到强度参数的范围，再结合式(1，2)的计算结果进行综合分析后得出。煤系土饱水状态下，黏聚力可取4.2 kPa，内摩擦角取27°。力学参数均采用降雨后的参数，土体重度、强度参数为饱和状态下的值。具体参数如表1所示。

表1 主要岩土体物理力学参数Table 1 Main rock and soil physical and mechanical parameters

3.3 模拟结果分析

滑坡整体位移分布如图5所示。结果表明：滑坡变形场分布符合斜坡变形场分布的普遍规律。变形区广泛分布在表层，表层前缘及堆载区前部为挤压式破坏，而后缘主要表现为拉裂破坏。总位移趋势为滑坡上部位移大于下部位移，位移等值线基本按圆弧形向坡内扩散并逐渐减小。位移云图反映出最大变形出现在坡体堆载处，为1.73 m。坡脚临空面由于剪出作用同样出现较大位移，约为1.01 m。

图5 坡体位移分布Fig.5 The image of slope displacement distribution

滑坡体最大竖向位移同样出现在坡面堆载区，达到1.58 m(图6)，实际监测数据为1.63 m。模拟结果所反映的变形趋势接近实际监测值变化趋势(图7)。滑坡发育过程中，后缘处土体因基岩面陡峭及不良的渗水条件，出现了较大程度的错落。由于堆载引发滑动，中部滑体竖向变形较大。坡脚剪出口处因坡体上部的挤压作用发生了竖向的位移及变形，导致临空面的隆起。因此竖向变形具有滑坡坡顶、坡脚处土体小于中间土体的特点。

图6 坡体竖向位移模拟结果Fig.6 Simulation results of vertical displacement of slope

图7 坡体竖向位移监测变化Fig.7 Monitoring of vertical displacement of slope

滑坡塑性区分布图(图8)给出滑坡的参考滑动面位置。浅部滑带深度约为6.7 m，堆载体在降雨条件下压应力增大同时压应力逐渐转化为拉应力，坡体内形成拉应力带，坡体上部产生滑动面。主滑带埋深约11.6 m，因土体遇水后软化而产生塑性变形，煤系土内的拉应力带形成并不断向上发展，最终与浅层滑带相连。出现深部位移最大值的监测孔位于滑体中上部距坡顶63 m处，该孔监测数据的两次突变印证了两条滑带的存在，分别在深度为6.9 m及12.0 m处，监测结果验证了模拟的合理性(图9)。

图8 坡体塑性区分布Fig.8 The image of plastic zone distribution of slope

图9 滑坡发生后不同时间深部位移监测数据Fig.9 Deep displacement monitoring data at different times after landslide

受坡形改变的影响，坡体产生应力的不均匀分布。降雨一方面导致滑体土遇水后重度不均匀增加从而产生不均匀沉降，坡体中心产生向临空面方向的外移，堆载体处局部滑坡由此引发；另一方面降雨导致煤系土软化后强度性质骤降，促进软弱带发育并贯穿整个坡体，剪出口软弱带向上发育时与浅层滑带在埋深约5.4 m处相连。塑性区的位置与岩土分界面的位置接近。模拟和监测数据反映出的变形特点主要为滑坡上部变形大于前、后缘处的变形。在滑坡发育过程中，竖向位移的变化较横向显著。变形数值首先经历缓慢增长，当达到某一条件时数值急剧增大，这也印证了煤系土在强度变化过程中存在使强度突变的临界含水率。模拟结果与实际监测数据的对比也印证了机理分析的合理性。

4 结 论

依据滑坡区域地质背景及煤系土工程性质，结合滑坡的发育、变形特征，分析出滑坡发生的机理为人工堆载导致坡体形态的改变及降雨引起土体重度变化使滑体应力重新分布，同时受煤系土性质的影响，雨水对煤系土的软化对滑坡的发育起到决定性作用。煤系土遇水后结构上的损失使得土颗粒间的胶结程度降低，溶蚀作用导致煤系土骨架的损失加剧了结构的破坏，两者引起煤系土抗剪强度的急剧降低从而在坡体内形成软弱带。通过Abaqus有限元模拟软件对降雨后的煤系土滑坡进行二维应力应变分析，并结合相关监测结果，发现滑坡发育过程中的竖向变形大于横向变形且变形集中于滑体上部及坡脚处，两者均超过1.0 m。塑性区的分布反映滑坡产生两条滑带，验证了定性分析的结果，为滑坡治理结构的布设提供了参考位置。