黄土-砂岩二元结构路堑高边坡失稳机制模拟分析

赵壮福时轶磊

(1.兰州理工大学 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，兰州 730050；2.兰州理工大学 岩土与地基基础检测中心，兰州 730050)

1 研究背景

二元结构边坡是指由2种或2种以上具有不同结构地层组成的边坡。随着国家西部大开发战略的实施，为带动经济的发展，西部黄土地区公路建设得到了迅猛发展，但在实际工程中存在大量以上部为黄土层、下部为砂岩层的典型二元结构路堑高边坡。二元结构路堑高边坡在工程中往往难以确定其潜在滑移面，因此，对于地质背景复杂的西北地区，如何保证黄土-砂岩二元结构路堑高边坡的稳定性是工程中需要解决的技术难题。

国内外许多学者在边坡的风险分析以及失稳机制的探讨等方面进行了大量的研究。王浩等[1]对超高路堑边坡的失稳机制进行了分析；张斌等[2]采用完全非线性瞬态动力学分析方法，揭示了坡体开挖和孔隙水压力是引起边坡发生变形破坏的主要因素；黄丽等[3]通过建立多元时序模型研究了降雨和库水位变化的滞后性和周期性是边坡变形的重要作用特征；朱晗迓等[4]、李红卫[5]分析了顺层倾向边坡的破坏机制；刘婷婷等[6]通过现场地质调查、室内试验和极限平衡理论，研究了顺层岩质高边坡沿结构面发生滑动破坏的情况；林杭等[7]通过建立层状岩质边坡的数值模型，分析了边坡的变形破坏机理；李源亮等[8]针对某地区区内崩塌、滑坡的分布规律进行了研究；许强[9]根据斜坡变形-时间曲线特征，将滑坡分为稳定型、渐变型、突发型3类，并给出了产生这3类变形行为的力学条件。然而这些成果大多以单一边坡单元进行研究或者对于土质边坡和岩质边坡的研究理论和方法相对独立，当边坡特性介于土质边坡和岩质边坡之间时则需要更为深入的研究。

边坡变形和破坏的原因、方式和规律等常被称为边坡变形破坏机制或边坡失稳机理[10]，关于边坡破坏机制的研究，在已有的文献中，唐晓松等[11]研究了上软下硬的堆积层二元结构边坡在破坏时上部发生旋转滑移，下伏土体沿土岩分界面发生滑移破坏；梅林等[12]试验研究了静载作用下不同交界面对二元结构边坡的破坏形式，得到了交界面转角变化对上下层土体位移的不同影响；赵波等[13]基于强度折减法分析了二元结构边坡底面与土层交界面相对位置、土黏聚力和内摩擦角的相对大小对边坡滑动面位置的影响；关振长等[14]基于振动台模型试验对二元结构边坡的动力响应进行了研究；张宝龙等[15]结合力学分析和极限分析中的上限定理对边坡发生滑坡、崩塌破坏的条件进行了理论界定。尽管国内外在路堑边坡破坏机制研究方面有一定的研究成果，但有关二元结构边坡破坏机制的研究却少之又少，尤其是针对黄土-砂岩二元结构路堑高边坡的失稳破坏机制方面的研究更是鲜有报道。

为了研究黄土-砂岩二元结构路堑高边坡的失稳变形机制，本文依托兰永线高速公路K35+092段项目，利用有限元数值分析软件Geo-studio对该典型边坡的变形失稳过程进行了研究。根据模拟分析结果，总结了西北地区黄土-砂岩二元结构路堑高边坡的失稳机制，其结果可为类似工程的设计及治理提供依据，同时对防止和减少路堑高边坡公路沿线地质灾害的发生具有重大的环境效益。

2 典型二元结构路堑高边坡变形特征

2.1 工程概况

兰永线(兰州—永靖)高速公路K35+092段路堑高边坡，其下部为泥质砂岩，上覆黄土边坡，其间夹有6 m厚的砾石层，根据深挖路堑高边坡岩土体类别及成因将其划分为冲洪积黄土-泥质砂岩二元结构坡体(以下简称黄土-砂岩二元结构)。根据地质调查结果可知，开挖坡体的地层可分为4层，如图1所示，自上而下分别为：①上更新统风积黄土，可塑-硬塑状，土质均匀，孔隙多，具强湿陷性；②冲积黄土层，黄褐色，干燥，硬塑状，土质均匀；③冲积砾石层，青灰色，稍密-中密，砂土填充，厚3～6 m；④下白垩统河口群泥质砂岩，紫红色，泥质胶结，岩层产状为121°∠25°，成岩性差。

图1 K35+092边坡工程地质剖面图

K35+092段路堑高边坡为6级高边坡，堑坡总高度约45 m，设计开挖坡率均为1∶1，下伏砂岩顺层开挖，岩土交界面处预留6 m宽挖方平台；砾石夹层采用孔窗式护面墙防护，边坡支护设计见图2。

图2 边坡支护设计

2.2 边坡变形破坏过程及其特征

根据调查，截止2013年9月，K35+092段路堑边坡开挖基本成形，路槽达到设计标高，但边坡防护未按设计方案及时跟进施作，加固工程明显滞后。

9月中旬山体坡顶处出现裂缝，通过进一步观察，裂缝在逐步发展；截止9月25日，截水沟上部裂缝最宽处已经达到18 cm，开裂长度约50 m，已经施工完成的路基边坡平台、孔窗式护面墙出现开裂现象。

2013年9月28日，距施工完结后一个月，山体突然出现较大面积滑塌，黄土路堑坡口处下错6～10 m，开挖路床中线位置有明显破坏剪出痕迹；边坡沿着不规则的滑动面整体向下滑塌，滑移面后壁较陡倾，中部较缓，滑体散落于坡脚，最外缘裂缝出现于原有开挖坡口位置，坡体滑塌变形将施工完成后的平台排水沟、孔窗护面墙全部破坏，如图3所示。

图3 K35+092滑坡变形特征(2013年9月28日)

3 有限元数值模拟分析

基于图2所示的边坡支护设计方案，采用GEO-studio有限元软件对K35+092段断面未经加固的边坡建立了边坡开挖全过程的数值模型。根据数值模拟结果，分析边坡在分步开挖过程中的稳定性情况，最终研究了该段滑坡发生的原因，以期对黄土-砂岩二元结构路堑高边坡的失稳破坏机制进行研究。

3.1 模型建立及计算原理

(1)模型的建立。采用GEO-studio建立边坡有限元分析模型，并利用slope/w版块以及sigma/w版块进行耦合计算分析，土层物理力学参数见表1，采用Quads&Triangles网格类型，网格划分采用2 m×2 m；左右两侧边界条件为约束x方向位移，底部边界条件为约束x，y方向位移。边坡有限元模型如图4所示。

表1 土层物理力学参数

图4 路堑边坡开挖有限元模型

(2)本构模型选用工程中常用的理想弹塑性模型，材料屈服准则选用摩尔-库伦强度准则来进行模拟分析。

(3)计算原理。GEO-studio软件通过搜索最危险圆弧滑裂面计算边坡稳定系数，其有限元原理是基于滑裂面的有限元法分析出内部真实的应力-应变，然后提供给极限平衡法使用，从而更加接近真实状态。稳定性安全系数Ks为滑移面上抗滑力矩之和与滑动力矩之和的比值，理论上当Ks>1时边坡处于稳定状态，Ks=1时边坡处于极限平衡状态，Ks<1时边坡处于非稳定状态。但考虑到实际工程中参数的不准确性，根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)规定，一级边坡的安全系数应≥1.35。

3.2 数值模拟结果分析

3.2.1 稳定性分析

路堑高边坡的变形失稳很大程度上与分级开挖卸荷有关，滑体的孕育过程、滑裂面的发育贯通并非一蹴而就，基于边坡渐进破坏原理，边坡开挖的每一阶段对应着不同的稳定状态。通过有限元数值模拟，边坡稳定性安全系数随开挖深度变化情况见图5。

图5 开挖过程边坡稳定性安全系数

通过图5可以看出边坡在开挖初期稳定性安全系数急剧下降，其原因为开挖初期路堑边坡刷方卸荷致使二元结构边坡上覆黄土内部原始应力状态发生改变，破坏了边坡原有的稳定状态，致使边坡稳态急剧降低。

边坡开挖至卸荷平台时数值变化速率减慢甚至回升，边坡刷方到27 m时，稳定性安全系数发生突变，数值由1.421上升至1.536，这是由于岩-土交界面处设置了6 m宽的卸荷平台，减压作用明显，使得边坡稳态有显著的提高。在此之后稳定性安全系数呈线性下降趋势，与开挖后砾石夹层的防护未及时施作、加固工程明显滞后以及下伏砂岩岩性较差有直接的关系。在边坡未按设计要求及时进行边坡加固的情况下开挖至坡底时，边坡的稳定性安全系数为1.25，说明此时边坡已处于非稳定状态。

3.2.2 变形分析

为了分析边坡的变形过程，给出了开挖过程中黄土-砂岩二元结构路堑高边坡的坡顶水平位移、竖向位移以及深层水平位移的变化情况。

图6为坡顶水平位移和竖向位移。从图6可知，开挖1级时，边坡顶部产生了较大的水平位移及竖向位移，且距离坡肩越远，位移值越小，其中最大水平位移3.3 mm，最大竖向位移达8.8 mm。开挖3级时，坡顶水平位移变化已不明显，坡肩水平位移增量值仅为-0.3 mm，坡顶竖向位移增量则逐渐减少。

图6 坡顶水平位移和竖向位移

上覆黄土边坡之所以产生较大的位移，与黄土的结构及岩性特点具有很大的关系。黄土呈大孔隙架空结构，土质疏松，胶结性差，边坡临空侧因挖方形成高差而产生了横向推力作用，这将促使黄土颗粒间发生蠕动变形，黄土内部逐渐形成塑性变形区域；随着不断的刷方卸荷以及工程扰动等因素的持续影响，黄土垂向节理和裂隙在上部坡体发育，边坡的抗滑力被削弱，黄土颗粒间黏结作用降低，从而使上部黄土边坡整体稳定性下降。

随着开挖深度的增加，卸荷作用明显，坡顶水平位移、竖向位移增量值逐渐减小，说明坡顶位移逐渐趋于稳定的状态。

在开挖4级时位移数值出现异常，坡肩处水平位移出现-2.5 mm的负向增量，而竖向位移增量为5.3 mm，大于开挖3级时的位移增量。其原因在于此时边坡已开挖至砾石夹层，而砾石胶结性弱，黏聚力小，其抗剪强度较低，作为软弱夹层，砾石在黄土层的巨大土压力作用下，充当黄土-泥质砂岩二元结构边坡在岩土交界面的“滑动垫层”，且随着开挖深度的不断增大，砾石层的“润滑”作用愈加显著，致使坡顶相对水平及竖向位移有明显的突变。

图7 边坡深层水平位移

图7为边坡深层水平位移。由图7可得，边坡深层水平位移在开挖1级时变化最为显著，在6 m处深层水平位移最大达到5.5 mm，且距离坡顶越远，数值变化越小。边坡开挖对坡顶以下27 m以内的黄土区域深层水平位移影响较为显著；27 m以下，深层水平位移增量在0～2 mm的区间内变化，说明开挖扰动作用对上部黄土的影响大于下伏砂岩。

3.2.3 应变分析

路堑高边坡的开挖卸荷导致其应力场发生变化，边坡失稳的过程是产生塑性屈服并逐渐发育、应变逐渐累积、边坡稳态逐渐降低的过程。图8为开挖1级时黄土-砂岩二元结构边坡最大剪应变分布以及屈服状态。

图8 边坡开挖1级最大剪应变分布

图9 边坡开挖4级时水平位移增量

从图8可以看出，在边坡开挖初期，开挖面附近一定深度内出现塑性屈服，上部黄土边坡变形显著，最大剪应变为0.007 5，开挖扰动还引起坡脚处产生剪应变，开挖松弛卸荷致使坡脚处应力集中，出现塑性屈服，并不断与深层塑性屈服区相接近。

当二元结构上覆黄土边坡局部达到塑性屈服时，其内部就会产生微裂缝并不断发育，如图9所示，开挖至砾石夹层时，上部黄土已形成明显的滑裂带，而砾石层则产生较大的水平位移增量，在砾石“滑动垫层”的“润滑”作用下，上部黄土层将沿临空面发生滑移破坏，并对下伏岩体施加巨大的冲击力(见图10)。而相对于下伏泥质砂岩，“滑动垫层”则起到“弱化边界”的作用，砂岩上部边界的约束作用减弱，砂岩顶部土体回弹变形，边坡内部水平位移呈条带状分布。

图10 黄土滑移破坏示意图

随着路堑边坡的不断削坡，坡脚处岩体支撑作用逐步被削弱，泥质砂岩内部塑性变形区不断发育，最终与上覆黄土的塑性变形区域相连通，形成岩-土贯通的滑裂面。

如图11所示，由于泥质砂岩具有出露风化，遇风起尘，遇水软化的特点，加上砾石夹层弱化了其上部边界的约束，边坡坡脚处应力集中，坡脚土体弯曲隆起，岩层出现“软脚”现象。

图11 边坡开挖6级时最大剪应变分布

在上覆黄土滑移破坏的巨大冲击力下，泥质砂岩岩体出现顺层失稳，滑体沿着岩-土贯通软弱滑裂面滑动剪出破坏，最大水平增量达8 mm(见图12)。下伏坡体剪出破坏对上覆黄土产生“联动作用”，引起上覆黄土再次滑塌下错，致使黄土堑口出现大型张拉裂缝，最终边坡整体失稳。

图12 边坡开挖6级时水平位移增量

3.3 边坡失稳机制

边坡失稳破坏的过程是其强度逐渐弱化的过程，也是塑性变形区域不断变化的过程。K35+092边坡失稳以开挖扰动以及开挖后防护未施作，加固工程明显滞后为诱因，滑体沿潜在滑裂面破坏所致，结合2.2节所述，将黄土-砂岩二元结构路堑高边坡的失稳过程总结如下：边坡总体上经历了蠕动变形—黄土边坡滑移—砂岩压溃滑动剪出—黄土滑塌下错—整体失稳破坏5个阶段，具体过程如图13所示。

图13 黄土-砂岩二元结构深挖路堑高边坡破坏机制

4 边坡加固建议

为了避免类似的黄土-砂岩二元结构路堑高边坡发生失稳破坏，考虑到黄土的湿陷性特性以及砂岩的岩层产状以及“软脚”特性等因素，本文提出了用框架预应力锚杆加固边坡的支护方法，该支护形式适用于西北黄土地区高大边坡，作为柔性支挡结构能充分发挥锚杆与土体的空间协同作用，施加的预应力可提高边坡稳定性，能有效控制边坡变形，对保证公路的使用安全，防止滑坡发生，保护周边环境具有现实意义。

设计3种长度不同的锚杆，L1，L2，L3分别对应黄土、砾石及泥质砂岩。锚固体直径d为150 mm，锚杆水平倾角设计为10°，框架(横梁、立柱)的水平竖向间距均为3.0 m，截面尺寸300 mm×300 mm，锚杆设计参数见表2，模型计算参数见表3，建立模型如图14所示。现将边坡在加固后的模拟计算的坡顶水平位移、竖向位移以及深层水平位移的变化情况与边坡未加固的情况对比讨论如下。

表2 锚杆设计参数

表3 模型计算参数

图14 框架预应力锚杆加固边坡

如图15所示，框架预应力锚杆加固边坡对其坡顶水平、竖向位移具有非常明显的控制作用，表现为：未加固时最大水平位移为8.33 mm，最大竖向位移为29 mm；加固后最大水平位移仅为1.9 mm，减少了77%，最大竖向位移为17 mm，减少了41%。由上可知，框架预应力锚杆支护结构有效控制了黄土-砂岩二元结构上部坡体的坡顶变形，可减少边坡滑塌灾害发生的概率。

图15 坡顶水平位移和竖向位移

图16 边坡深层水平位移

图16为边坡深层水平位移。由图16可以看出加固方案作用显著，深层水平位移较未加固方案得到了有效的约束。框架预应力锚杆支护结构对二元结构边坡21 m以下的砾石层以及下伏泥质砂岩坡体的深层水平位移具有明显的控制作用。由数值模拟结果可知，经框架预应力锚杆加固后的边坡稳定性安全系数为1.536，相比未加固的边坡提高了19%，说明了该加固方案的合理性。

5 结 论

本文结合兰永线高速公路工程，探讨了黄土-砂岩二元结构路堑高边坡失稳孕育的过程和特征，分析了其失稳破坏机制，并结合笔者提出的加固方案进行对比分析，得到了以下成果：

(1)黄土-砂岩二元结构路堑高边坡的失稳变形是由多种因素造成的，开挖卸荷会影响土体内应力场及位移场的变化，会改变路堑边坡的稳态情况。

(2)黄土-砂岩二元结构的岩土交界面若存在夹层，则该夹层作为软弱层往往充当“滑动垫层”，对其上覆坡体具有“润滑”作用，对下伏坡体具有“弱化边界”作用，是边坡潜在的不稳定因素之一，会加速边坡的失稳过程。

(3)随着路堑边坡的不断削坡，二元结构上部坡体与下伏坡体的塑性变形区域相连通，形成岩-土贯通的滑裂面，坡顶位移逐渐增大，坡面卸荷松弛，坡脚处岩体支撑作用逐步被削弱，上覆黄土坡体发生滑移破坏而下伏砂岩顺层剪切破坏。

(4)黄土-砂岩二元结构深挖路堑高边坡失稳破坏总体上经历了蠕动变形—黄土边坡滑移—砂岩压溃滑动剪出—黄土滑塌下错—整体失稳破坏5个阶段。

(5)采用框架预应力锚杆支护结构加固二元结构深挖路堑高边坡的设计方案是行之有效的。经该方案加固后的边坡稳定性安全系数可提升19%，能够有效控制边坡失稳破坏的发生。