云盘头滑坡变形破坏机制研究

(1.贵州大学 资源与环境工程学院，贵阳 550000； 2.贵州理工学院 交通工程学院，贵阳 550003； 3.四川省华地建设工程有限责任公司，成都 610000)

1 研究背景

缓倾顺层岩质边坡是指岩层倾角<15°的顺向层状岩质边坡[1]，此类边坡在早期常被人们认为稳定性较好，不易发生滑坡。但实际发生边坡失稳工程的研究表明，该类边坡主要发育于四川红层地区、三峡库区、贵州西部及西北部地区，且具有隐蔽性强、识别难度大、形成机理复杂等特点[2]，因此研究其破坏类型、机制以及模式具有现实意义。

地质体失稳破坏物理模拟是研究斜坡岩体变形破坏过程的一个重要手段，众多学者通过物理模拟方法对斜坡的变形破坏过程及形成机制进行了研究。我国物理模拟试验应用于岩土体研究始于20世纪70年代，黄润秋等[3]利用物理模拟的方法对反倾向岩质边坡的变形破坏机制进行研究，得出其力学模式为弯曲-拉裂-剪断式。蔡国军等[4]、董云等[5]、石豫川等[6]分别采用底摩擦试验对地质体的变形破坏过程进行研究，分析得出地质体的变形机制。冯文凯等[7]、易志坚等[8]将物理模拟试验与数值分析方法结合，定量与定性地分析边坡的变形破坏过程及变形机制。

本文通过资料收集和现场调研，基于对云盘头滑坡地形地质条件、岩体结构、软弱夹层及人类工程活动等的分析，采用底摩擦试验及数值模拟方法深入研究云盘头滑坡的变形破坏模式，重现边坡的变形破坏过程并分析其变形破坏机制。

图1 云盘头滑坡地形地貌Fig.1 Landform of Yunpantou landslide

图2 云盘头滑坡工程地质剖面图Fig.2 Engineering geological profile of Yunpantou landslide

2 滑坡基本概况

云盘头滑坡位于贵州省六盘水盘县境内的鸡场坪乡本歹村，该滑坡是焦化厂厂区场平工程中在东北侧形成的挖方边坡，滑坡整体形态近似阶梯状(图1)。云盘头滑坡自然边坡坡度13°～15°，坡体结构主要为倾向坡外的顺层层理，坡内发育有4层软弱夹层，无大型区域断裂(图2)。滑坡由三叠系关岭组地层构成，主要为薄层至厚层的灰岩，局部夹有泥质灰岩和薄层状灰质白云岩，岩层产状为217°∠13°，灰岩层间充填黄色黏土，岩体破碎，节理裂隙发育；灰岩层间充填薄层状灰色泥质夹层，节理裂隙较发育，具体物理力学参数如表1所示。该滑坡于挖方处理后9个月发生滑塌，使焦化厂无法正常使用并造成巨大损失[9]。

表1 岩土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass

3 底摩擦试验研究

3.1 试验原理及设备

物理模拟试验是以相似原理为基础建立研究对象与模型试验之间的相似关系，从而保证模型试验出现的物理现象与研究对象相似[10]。为满足试验模型与研究对象相似，需在几何条件、受力条件和摩擦因素方面满足一定的相似条件。

几何条件：

(1)

受力条件：

(2)

相似系数：

(3)

式中:下标m和p分别代表原型和模型;下标R代表原型与模型对应比值;l为几何尺寸;γ为材料重度；σ为应力。一般情况下认为，满足σR=lRγR和fR=1情况下的试验模型为机制模型，fR为摩擦系数相似系数，即原型和模型的相应点在相应时间摩擦系数的比值。机制模型为在相应点和相应时间下，研究对象和模型的应力比值等于材料几何尺寸比值与材料重度比值的乘积，并且相应的摩擦系数之比处处保持不变。

在室内实验室，底摩擦法是常见的物理模拟方法之一，可以有效模拟边坡在重力作用下的变形破坏过程[11-12]。底摩擦法是根据摩擦力平面分布与滑坡剖面重力场分布相似的原理，利用模型与传送带之间的底摩擦力来模拟滑坡的重力，从而较真实地反映滑坡变形演变各形态。底摩擦试验工作原理如图3，将研究对象的剖面制成模型平放在传送带上并使原剖面的深度方向与X方向一致，随着传送带持续运动，模型也随之移动并受到固定框架D的阻挡，在模型与传送带接触面上的每一点就形成摩擦阻力。

图3 底摩擦试验原理示意图Fig.3 Schematic diagram of bottom friction test

根据圣维南原理[13]，当模型足够薄时，即可认定摩擦力均匀作用在整个厚度上，可以认为试验能有效模拟出原型物体在天然状态下受到的重力作用。

本次试验所采用的设备为变频调速底摩擦试验机，是由成都理工大学和四川大学共同开发设计的一套全自动化底摩擦试验设施(DMC-1000变频调速底摩擦试验机)，如图4。

图4 自动化底摩擦仪Fig.4 Automatic bottom friction tester

3.2 模型材料与模型建立

试验主要考虑滑坡的岩性及构造情况，云盘头滑坡的主要岩性为灰岩、泥质灰岩及泥岩。坡体构造主要为倾向坡外的顺层层理，坡内发育有4层软弱夹层，无大型的区域断裂。根据坡体实际尺寸与试验框架尺寸，试验采用1∶575的几何比例尺，模型底边80 cm，高27.8 cm。鉴于滑坡的实际情况与试验要求，对地质原型进行简化，只区分岩性差异，将坡体内岩体分为较硬岩体与较软岩体2种基本材料进行模拟。参考前人已有的研究成果[14-18]，确定试验的模型材料为重晶石粉、石英砂、膨润土和石蜡油，其中：重晶石粉、石英砂和石蜡油按照一定比例模拟较硬岩体灰岩；重晶石粉、膨润土和石蜡油按照一定比例模拟较软岩体泥岩及泥质灰岩。通过多次配比试验并进行相关的力学试验，获得试验材料的配比和对应的物理力学参数见表2。

表2 试验材料配比及主要力学参数Table 2 Proportions and main mechanical parameters of Test material

采用夹锡纸的方法对软弱夹层进行模拟，由于锡纸十分柔软且极薄，石蜡油很容易透过。根据上述基本材料制成未开挖的原边坡物理模型，如图5所示。

图5 未开挖原始边坡物理模型Fig.5 Physical model of original slope

3.3 试验步骤及分析

3.3.1 试验步骤及现象描述

根据原始坡体结构特征制作好物理模型后，开始进行底摩擦试验[19-20]。试验步骤为：

(1)将自动化底摩擦仪电源接通，让摩擦力观测仪进行自检，自检完成后至少稳定10 min。

(2)模型制好放置于传送皮带上，并用高速摄像机摄下模型的初始状态。

(3)打开转速控制器开关，待指示灯稳定后打开转动控制器开关进行试验并对模型进行预固结。

(4)待模型固结稳定后停止转动传动带，对边坡进行开挖，开挖后的模型如图6所示。

图6 边坡开挖后的物理模型Fig.6 Physical model of excavated slope

(5)再次打开转速控制开关，在转动过程中利用高速摄像机对模型变形破坏过程进行观测。

(6)持续转动，直到模型破坏，试验结束。

图7 边坡变形各破坏阶段Fig.7 Development stages of deformation and failure of slope

试验开始后，经观察发现在边坡开挖前，整个地质模型向皮带转动方向稍有压密现象且无任何破坏迹象。

在此基础上对边坡进行开挖后，软弱夹层1基本挖除，在边坡前缘软弱夹层2、软弱夹层3均出露。开挖后边坡变形破坏可分为4个阶段：

(1)微裂纹发育阶段。由于开挖卸荷回弹，在第二层软弱夹层与坡面之间的浅层滑体中出现微裂纹，皮带运行5 min后在滑坡前缘处首先出现裂纹1(长约1.5 cm)，裂纹1自下而上发育；持续运行8 min后在裂纹1后部出现2条长约1.5～2 cm的明显微裂纹，裂纹2与裂纹3自上而下发育(图7(a))。随着边坡前缘变形的发展，促使边坡后缘出现新的裂纹，皮带运行15 min后在滑坡后缘出现5条长为2～3 cm的微裂纹，从坡面自上而下向第二层软弱夹层方向发育(图7(b))。裂纹1—裂纹8大都垂直于软弱夹层，属于典型的拉裂纹。

(2)裂纹扩展阶段。皮带运行21 min后，浅层滑体上出现的微裂纹进一步发育形成裂缝，裂纹7、裂纹4与裂纹2逐渐变长变宽，穿过软弱夹层2向下继续发育，连通软弱夹层2和软弱夹层3，其中裂纹7扩展显著，贯通软弱夹层1—4；皮带运行23 min后，在滑坡前缘的软弱夹层3和软弱夹层4之间，形成新裂纹9(图7(c))。该阶段由于裂纹的进一步扩展和新裂纹的生成，边坡产生明显变形。

(3)滑体变形阶段。坡体变形由微裂纹扩展向滑体变形逐渐过渡，皮带运行40 min后浅层滑体被裂缝分割成块体(图7(d))。随着滑体变形的进一步发展，滑坡前缘的7#块体沿着软弱夹层向临空方向移动约0.5 cm，该块体可认为是“关键块体”，类似多米诺骨牌。由于7#块体的移动，造成1#块体和2#块体移动并各分裂为2块，随后带动滑块后部岩体沿软弱夹层向下移动，导致软弱夹层1—软弱夹层3之间的滑块分裂解体；同时裂缝加速扩展，产生新的裂纹。裂缝的发育又为滑体提供位移活动空间，坡体变形逐渐发展为由坡脚向坡顶逐步解体的形态。

(4)完全破坏阶段。皮带运行1 h 20 min后，软弱夹层2和软弱夹层3之间的滑块7#首先发生滑动并带动滑块1#分裂成碎块，后部的2#滑块失去1#滑块的阻挡力也随之破坏并翻滚位移(图7(e))，滑坡前缘的7#滑块彻底破坏后，失去对次级滑块的阻挡作用，次级滑块也随之滑落，由于连锁破坏作用导致滑块呈多米诺骨牌效应式滑移，边坡彻底失稳破坏(图7(f))。

3.3.2 试验结果分析

由上述底摩擦试验现象可以得出以下认识：

(1)边坡模型在开挖之前未产生任何破坏现象，表明原始缓倾顺层岩质边坡处于基本稳定状态，挖方工程导致边坡后期失稳破坏。

(2)边坡开挖后首先在滑体前缘软弱夹层部位出现裂缝，随后依次在坡体中部及后缘软弱夹层处出现裂缝，可见坡体中部及后缘的变形破坏具有滞后性，遵循随边坡变形程度的加深，裂缝进一步扩展的规律。

(3)边坡裂纹首先集中出现在开挖边坡坡面范围，且深度较浅均未延伸穿过软弱夹层2，此现象可看作由边坡开挖后岩体卸荷作用导致。

(4)裂缝向下发育导致坡体被分裂成小块并逐步滑落。由于边坡开挖揭露软弱夹层1—软弱夹层3，导致夹层上覆滑体均呈不同程度的破坏开裂，仅有少数裂纹发育延伸至未开挖出露的软弱夹层4，表明开挖后较好的临空条件和软弱夹层出露是导致边坡变形破坏的重要原因。

(5)在试验过程中，边坡存在关键块体，滑坡前缘的7#块体向临空面产生位移，带动后部次级块体向下移动，滑块的位移致使裂缝加速拓展并产生新的裂纹，裂纹扩展又为滑块提供活动空间，产生连锁破坏效应，待坡体前缘的关键滑块彻底失稳破坏后，次级块体随之滑落，边坡彻底失稳破坏。从试验结果来看，今后类似边坡的开挖防治应重点控制坡脚关键块体。

(6)边坡在试验过程中的演化过程可分为微裂纹发育阶段、裂纹扩展阶段、滑体变形阶段和完全破坏阶段，边坡主要变形特点为开挖后坡体表面裂纹明显并逐渐发育将浅层滑体分割成小滑块，坡脚关键块体失稳后，滑体拉裂解体并沿底部软弱夹层3向临空方向滑动。边坡的变形机制为由开挖引起的滑移-拉裂式。

(7)试验结果与后期现场调研结果基本一致，说明此次底摩擦试验再现云盘头滑坡破坏过程是可行的。

4 模拟结果可靠性分析

4.1 计算模型及参数选取

为进一步认识云盘头滑坡滑移-拉裂的变形破坏模式，并对所做物理模拟的结果进行验证，分别用二维离散元(Universal Distinct Element Code,UDEC)和有限元(Phase)软件对原始边坡进行模拟分析[21-22]。在模拟过程中，采用与底摩擦试验一致的简化地质模型，模型尺寸：x方向长460 m，y方向高160 m，模型标高1 750～1 910 m。x轴为滑坡主滑方向(滑坡位移方向偏离主滑方向13°)，y轴为模型垂向方向。模型材料主要考虑卸荷岩体与基岩，结构面主要考虑层面节理和软弱夹层。在模型制作中将单个岩块考虑为刚性块体，结构面采用摩尔-库伦滑动准则，并对模型的左右边界与底边界施加约束，坡体表面为自由面。

结合试验和规范推荐值，对岩土体物理力学参数进行综合取值，见表1。

图8 离散元模型Fig.8 Discrete element model

4.2 模拟计算结果分析

确定边界条件和相关物理参数后采用UDEC建立模型，如图8(a)所示。模拟结果与底摩擦物理模拟结果基本一致，而且与滑坡实际破坏情况大致吻合，其变形破坏过程同样可分为4个阶段：①坡体开挖导致软弱夹层出露，滑体在重力的作用下沿软弱夹层方向发生轻微变形。7#块体开始产生位移，导致坡体前缘及后缘浅层处开始出现少量裂缝(图8(b))；②坡体内裂纹进一步扩展，且裂纹增加，部分裂纹穿过软弱夹层2达到软弱夹层3(图8(c))；③以7#块体为主导的前缘块体滑动为相邻块体提供位移空间，坡体被裂纹分割并逐渐解体(图8(d))；④当7#块体彻底破坏滑落后，发生连锁破坏作用，类似于多米诺骨牌效应，边坡彻底失稳破坏(图8(e))。

图9 有限元模型Fig.9 Finite element model

采用有限元数值模拟分析边坡失稳破坏的应力状态，结果表明，在滑体浅层前缘及后缘存在剪应力集中现象，且前缘位置剪应力最高，位于7#关键块体附近(图9(a))。由于裂纹切割导致软弱夹层2上覆岩体较软弱夹层3上覆岩体破碎，故在关键块体滑动后，该上覆破碎岩体失去支撑，开始滑动，并表现出越接近坡面其变形量越大，从坡脚到后缘变形量越小的特点(图9(b))。边坡塑性区主要分布在软弱夹层3以上的中后缘浅层滑体中，从坡脚至坡顶范围逐渐增大且强度递增，并在边坡后缘出现最大塑性区，这种现象与底摩擦试验中边坡中后缘出现大量裂纹并逐渐扩展相符(图9(c))。

4.3 对比分析

结合实际边坡调查结构，采用物理模拟试验和数值模拟试验(UDEC和Phase)，对比分析云盘头滑坡失稳破坏特征，如表3所示。

由表3可知，此次研究手段能较好地模拟真实滑坡的失稳破坏特征，卸荷产生的裂隙和边坡中的软弱夹层为岩体变形破坏提供结构条件，开挖后软弱夹层出露为其提供良好的临空条件。坡脚的关键块体剪应力、拉应力集中，当其沿软弱夹层向临空面滑移，使后部已被裂纹切割形成的小滑块失去阻挡。因此，云盘头边坡变形破坏的根本原因是边坡开挖导致裂隙和软弱夹层切割岩体，滑块在重力作用下沿软弱夹层产生的连锁破坏反应，导致边坡发生滑移-拉裂式破坏。

表3 边坡变形破坏特征对比分析Table 3 Comparative analysis of deformation and failure characteristics of slope

5 结 论

本文对云盘头滑坡采用室内底摩擦试验，结合离散元与有限元数值模拟再现边坡的变形破坏特征及过程，较深入地分析该滑坡的变形破坏机制，结果表明：

(1)该缓倾顺层天然边坡在重力作用下基本稳定。

(2)边坡开挖后软弱夹层出露，坡体内部开始发育垂直于软弱夹层的拉裂纹，裂纹将岩体分割成块体，且坡脚块体失稳导致彻底破坏，滑坡演化经过微裂纹发育阶段、裂纹扩展阶段、滑体变形阶段和完全破坏阶段。

(3)软弱夹层出露坡脚处存在关键块体，由于该处剪应力、拉应力集中，导致该关键块体沿软弱夹层向临空面滑移，关键块体的滑移带动次级块体滑动从而产生连锁反应效应(多米诺骨牌效应)，导致整个坡体产生滑移破坏。

(4)云盘头滑坡变形破坏机制可认定为由开挖引起的滑移-拉裂式。