基于深部位移曲线形态的边坡变形特征分析

潘惠芳

(厦门信息集团建设开发有限公司 福建厦门 361000)

0 引言

边坡动态监测的目的是监控边坡坡体的安全与稳定，为防护设计提供实际变形依据；若边坡坡体的变形持续发展，当累积变形量值累积到坡体发生灾变的临界值，或位移不收敛、持续增加时，便出现滑动、滑塌、溜塌、崩塌、溃屈、倾倒等工程地质灾害，而坡体的变形随时间变化反映到位移监测曲线上，呈现出多种特征形态，对应不同的潜在变形破坏趋势[1]。通过FLAC程序数值模拟计算，可以分析顺层滑动、切层滑动、顺层溃屈、倾倒变形、崩塌变形及其破坏特征，实际工程所得到的监测曲线形态也与其相似，反映出相应的变形特征规律。因此，基于深部位移曲线形态的边坡变形特征分析，可以为边坡变形定性、变形规模、工程针对性治理方案及安全预警提供可靠依据。

1 边坡变形监测曲线一般形态特征

一般边坡深部位移监测，可以明确边坡变形位置、性质，因此，根据监测手段判别滑动面的位置与性状，是动态监测评估坡体稳定性最主要的内容之一。变形滑动面位置与形状的判识的正确与否，直接影响着滑坡推力的计算和防治工程的效果[2]。通过边坡变形监测曲线形态分析，不仅可以准确得到边坡滑动面的位置，还可以得到边坡在不同时间、不同深度的位移变形特征，对于深层、多层和性质复杂的边坡滑坡的性状都可以进行把控。动态监测方法比其他方法优越之处，还体现在可以测出滑坡位移量的大小，滑动方向，以及历时动态变化过程。

结合钻孔地质剖面，可以将某断面上不同监测点的测斜曲线进行合理连接，绘制出滑动面形状，根据坡体地质结构，反演坡体滑动机理与成因，坡体发生滑动变形起因于软弱夹层、结构面、岩土界面的存在。坡体变形，通常体现为两个面之间的相对错动，此时坡体岩土介质将受到剪力作用，是一种剪切变形，标志着存在潜在滑动破坏的危险[3]。

对于这种坡体深部滑动型变形模式，从成因上又可以再细分为两类[4]：一种是图1中A型的变形模式，曲线变形形态体现为，坡体是由深部存在的软弱面首先发生蠕动变形，继而带动上部岩土发生蠕动变形，曲线体现为滑动面处变形位移值最大，滑面以上变形量值呈现小量值下降趋势。另外一种如图1中B型，坡体深部也存在滑动面，但滑动面上岩土整体发生蠕动，是一种上部岩土蠕动带动下部变形的体现。这两种都是深部滑动型变形模式，A型体现滑动面的变形特性，B型体现了滑面上部岩土的变形特性。

(a)A型滑动变形破坏(b) B型滑动变形破坏图1 边坡滑动变形破坏深部位移监测特征曲线

大量监测结果显示，一般老(古)滑坡病害体、或者滑动面明显的坡体，易产生第一种类型；工程开挖卸荷等因素造成的新生滑坡对应于后者。这两种坡体深部变形，前者在达到破坏时具有突发性，后者常会出现浅部的小坍塌，变形不断恶化的现象。

2 边坡典型位移变形曲线的形态特征分析

边坡地质条件、坡体结构类型不同时，坡体历时变形发展至灾变时的变形破坏类型也不同，反映到位移监测变形曲线上的曲线形态特征也不同。因此，以坡体变形破坏类型为出发点，分析与归纳不同变形破坏状态下坡体的监测曲线形态特征，可以为大量的路堑边坡深孔监测曲线的判识提供理论依据与指导作用。工程实践证明，边坡变形受坡体结构控制，其变形破坏形式有顺层滑动、切层滑动、顺层溃屈、倾倒变形、崩塌变形等多种类型。为了详细系统地分析不同变形破坏类型对应的监测曲线形态，采用弹塑性有限元结合有限差分分析程序FLAC进行数值分析。

通过在边坡坡顶与坡中位置处分别布置一条垂直监测线，考察坡体发生开挖过程中发生变形时的水平位移变形情况，及平位移监测动态变形曲线的形态[4-5]，来分析不同类型边坡变形特征曲线。

2.1 切层滑动变形位移曲线分析

当坡体的结构面以水平方向为主导方向时，坡体的变形体现为切层滑动变形。通过FLAC数值分析，坡体最大剪切屈服带呈现为圆弧或似圆弧状，如图2(a)所示，其变形破坏呈现出切断效应，坡体上部岩层发生下错位移，下部逐渐趋近剪断形态，最大变形区在坡体临近坡脚处，如图2(b)所示，变形破坏在坡脚的剪出口常依附于水平结构面出露。

(a)最大剪切屈服带(b)变形破坏图图2 切层滑动变形的最大剪切屈服带、变形破坏图

(a)坡顶位移监测曲线(b)坡中位移监测曲线图3 切层滑动变形坡顶、坡中位移监测曲线

考察坡体发生切层滑动变形时的水平位移变形情况，水平位移监测曲线形态如图3所示，呈现出切层滑动变形的变形规律：通过坡体中部的监测变形曲线，体现出在坡脚高程位置的剪出突变特点，即对应于坡体发生切层滑动时在此处发生最大变形的本质，通过坡顶部的监测变形曲线，在上部呈现出U形开口状态，在坡脚处有变形回弹趋势，下部临坡脚高程位置有一显著突变点对应坡体在坡脚发生滑移剪出的本质。

2.2 顺层滑动变形位移曲线分析

当边坡的变形破坏受顺层结构面控制时，其坡体变形破坏常呈现出顺层剪切滑移破坏，通过FLAC进行数值分析，坡体的最大剪切屈服带呈现出与控制结构面产状相同方向的分布状态如图4(a)，其变形破坏呈现出显著的层间滑动效应如图4(b)，最大变形区域位于坡体中上部，下错位移较结构面水平时更大，变形破坏在坡脚处的剪出呈现多个突变形态。

(a)最大剪切屈服带(b)变形破坏图

在边坡通过坡顶与坡中位置处分别布置一条垂直监测线，考察坡体发生顺层剪切滑移变形时的水平位移变形情况，水平位移监测曲线形态如图5所示。呈现出顺层剪切滑动变形规律：通过坡体中部的监测变形曲线，体现出在坡脚高程位置的多个剪出突变特点，突变程度小于坡体变形破坏受结构面产状水平时的状态，在坡脚处无明显变形回弹趋势，通过坡顶部的监测变形曲线在上部呈现出U形开口状态。

(a)坡顶位移监测曲线(b)坡中位移监测曲线图5 顺层滑动变形坡顶、坡中位移监测曲线

2.3 顺层溃屈变形位移曲线分析

当边坡较陡，且控制坡体变形的结构面倾角产状与坡面倾角产状相近时，边坡易产生顺层溃屈变形破坏。通过FLAC进行数值分析，坡体的最大剪切屈服带呈现出与坡面及结构面倾角方向的条带分布，坡体变形在中上部以下错变形为主，在坡脚位置高程处发生溃屈变形，变形剧烈区为坡体溃屈变形部位，其变形破坏形态呈现出显著的上部滑移致使下部压裂溃屈效应，坡体变形在坡脚呈现为溃屈鼓胀特征如图6所示。

(a)最大剪切屈服带(b)变形破坏图

考察坡体发生顺层溃屈变形时的水平位移变形情况，水平位移监测曲线形态如图7所示。呈现出顺层溃屈变形的规律特性：通过坡体中部的监测变形曲线体现出在坡脚高程位置显著的溃屈成因的突变形态，监测曲线在坡脚位置高程处无明显变形回弹趋势，通过坡顶部的监测变形曲线在上部呈现出V形大开口状态。

(a)坡顶位移监测曲线(b)坡中位移监测曲线图7 溃屈变形时坡顶、坡中位移监测曲线

2.4 倾倒变形位移曲线分析

当边坡坡体由陡倾的层状岩层组成时，在施工开挖作用下易发生坡体倾倒变形破坏。通过FLAC进行数值分析，边坡最大剪切屈服带为弯曲状，在坡脚位置为水平剪出状；考察坡体的变形破坏如图8(a)，坡体上部发生显著松弛变形，呈现出向边坡临空面缓慢弯曲变形特征，最大变形区域位于坡体中上部，变形呈现出显著的向边坡临空面松弛弯曲效应，如图8(b)。

(a)最大剪切屈服带(b)变形破坏图

考察坡体发生倾倒变形破坏时的水平位移变形情况，水平位移监测曲线形态如图9所示，呈现出倾倒变形的规律特性：通过坡中的位移监测曲线没有明显的突变特征，向上呈现出渐变扩展形态。从该监测曲线可以看到，整体呈现重叠迂回开口状，曲线上变形突变点从下至上程度加大。考察通过坡顶的位移监测曲线，可以把握坡体水平位移变形的整体形态。

(a)坡顶位移监测曲线(b)坡中位移监测曲线图9 倾倒变形时坡顶、坡中位移监测曲线

2.5 崩塌位移变形曲线分析

对于风化破碎的高陡边坡，其坡体常由一组或者多组结构面组成，坡体由于开挖施工，后部岩体失去支撑时易发生崩塌变形破坏现象。通过FLAC进行数值分析，坡体的最大剪切屈服带呈现平直状斜切，坡体上部如图10(a)，剪出位置一般高于坡脚一定位置处；考察坡体的变形破坏，如图10(b)，从图10中可以看到，在坡体顶部，岩体呈现出弯曲松弛状，变形剧烈区位于坡顶部位，坡脚位置处变形不明显，变形破坏主要发生在坡体的中上部分。坡体的变形破坏呈现出显著的崩落与剪切下错效应。

考察坡体发生崩塌变形破坏时的水平位移变形情况，水平位移监测曲线形态如图11所示。呈现出崩塌变形的规律特性：通过坡体中部与坡体顶部的位移监测曲线形态相似，没有位移突变点，曲线呈现出V形大开口状。

3 结语

(1)通过对边坡发生各种不同变形破坏的数值计算分析，得到了坡体发生不同类型变形破坏时的坡体最大剪切屈服带特征、变形破坏特征以及水平位移监测曲线的形态变化特征规律，如表1所示。

表1 边坡变形破坏监测曲线特征形态表

(2)基于数值计算分析手段，反演分析了边坡变形破坏的监测曲线类型，得到了不同变形破坏的典型监测曲线特征规律，并与现场监测相互映证，为边坡设计、安全施工治理提供依据。

(3)以上结论可以为大量的实测深孔测斜数据的分析提供理论依据，为边坡的安全监测、预警技术提供参考借鉴。