支撑拱式锁固型滑坡变形演化特征的物理模型试验

姜彤， 贾航， 雷家华， 薛雷

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450046; 2.中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029； 3.中国科学院地球科学研究院，北京 100029)

滑坡是全球性的地质灾害，给人类生命财产以及经济建设带来不可逆的危害[1-2]。长期以来国内外学者在对滑坡的研究中发现：具有锁固段结构的大型边坡，其锁固段具有聚能效应[3]；在锁固段未贯通之前会储存大量弹性应变能，当其突发脆性断裂时转换为坡体动能，导致边坡高速滑动，故锁固型边坡失稳后往往具有强烈的破坏性。许强和黄润秋[4]的研究表明，大型滑坡的“锁固段”在其稳定性机制中具有重要地位；泮晓华等[5]指出大型灾难性滑坡多存在锁固段的应力集中和脆性破坏。因此，锁固型滑坡一直是边坡稳定性研究的热点。

锁固型滑坡种类多样且分布广泛，刘汉东等[6]基于锁固型滑坡的工程地质特征、锁固段存在的形式及位置并结合豫西东苗家等几处滑坡案例，对豫西锁固型滑坡分布类型进行了划分。泮晓华等[5]通过对国内18处具有代表性的大型滑坡的综合比较和全面分析，首次将锁固型滑坡分为5类，其中包括 “支撑拱”式锁固类型。“支撑拱锁固”是我国滑坡研究领域专家王兰生等[7]在对新滩滑坡的研究中提出的；新滩滑坡坡体中部的姜家坡一带滑床凸起，西侧缩窄，而东侧位于弯道处，这种滑床形态与地形地貌组合形成了横跨坡体的“支撑拱”结构，对上部坡体起着支撑作用，因其直观形象，“支撑拱”一词一直沿用至今。2004年，程谦恭等[8]指出大型堆积层斜坡存在“支撑拱”。也有学者以“束口型”滑坡来命名该类型滑坡[9-10]。支撑拱结构之所以控制着滑坡的稳定性，其两侧拱支座一方面阻挡拱后向下滑移的堆积物，使其在这一带压密隆起，成为滑体中的应力集中部位，同时拱圈又将滑体中心的部分下滑推力传递至两侧拱座，使拱座成为应力相对更为集中的部位，拱座相当于边坡的锁固段，有利于边坡稳定。当锁固段结构破坏时，积累在拱支座的能量被释放，造成边坡高速滑动。但对于支撑拱式锁固型滑坡，学者们多以实例总结与理论分析为主要手段，针对此类型滑坡的物理模型试验及滑坡演化规律的研究较少。

本文通过改进自行设计制作的滑坡物理模型系统[11]，增加锁固段模型，利用多种非接触监测设备，监测坡体多维表征信息，揭示支撑拱式锁固型滑坡的变形演化特征。该研究可为锁固段支撑拱的形成及作用方面的研究提供一种新的途径。

1 物理模型试验

1.1 模型材料

豫西地区是河南省滑坡易发区，试验选用豫西粉土，室内进行液塑限、击实及颗分试验测定其基本物理力学性质。其最优含水率Wopt=15%，液限WL=21.4%，塑限WP=12.6%，塑性指数IP=8.8，最大干密度ρdmax=1.77 g/cm3，颗粒比重Gs=2.7。其颗粒分布曲线如图1所示，曲率系数Cc=1.39，不均匀系数Cu=8.049>5，级配良好。根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)[12]判定该土样为低液限粉土。

图1 豫西地区粉土的颗粒分布曲线

1.2 物理模型装置

试验设备由自行设计的模型箱、佳能高清摄像机、应力-应变数据采集系统、三维激光扫描仪等设备组成，摆放位置如图2所示。模型箱尺寸为120 cm×50 cm×80 cm，整体为钢制框架，侧板为有机玻璃。牵引式滑坡启动的低速电机传动轴运动速度为0.14 mm/min。模型前缘的拉压传感器随时记录滑面受力状态，力传感器量程为-1 000～1 000 N，精度为0.01 N。圆柱拱支座模型(半径5 cm，厚度6 cm)采用无甲醛PVC材料，在试验中设置为固定状态，模拟坚硬锁固体。

滑坡模型如图3所示，预置滑面倾角35°，边坡坡角40°。模型土经筛分后按最优含水率15%分层均匀填筑。在预置滑面铺设间距为1 cm的方格状钢丝网作为拉力筋，充当引滑面。为模拟多段牵引，使滑坡体自下而上发展，拉力筋分为单段式与两段式[13-14]，单段式尺寸80 cm×30 cm，两段式每段尺寸40 cm×30 cm，中间用缓冲装置连接，可控制土体分段滑动。通过固定装置将拉力筋与低速电机和力传感器连接，在牵引过程中随时记录滑面受力状态。

1.滑面；2.拉力筋；3.拱支座；4.土体；5.连接固定装置；6.力传感器；7.低速牵引电机；8.高清摄像机；9.三维激光扫描仪

图3 滑坡模型示意图

根据拉力筋分为单段与两段以及是否加装锁固体这两个变量，一共设置4组试验，试验工况见表1。

表1 试验工况

三维激光扫描仪距模型箱4.5 m，扫描角35°，扫描网格为2 mm×2 mm，扫描间隔为5 min；LED灯箱作为补充光源保证试验精度。试验首先对于初始状态下的坡体进行扫描，获得边坡滑动前的初始值。低速电机、高清摄像机、三维激光扫描仪及拉压传感器同时开启，可获得边坡滑动全过程的变形场、牵引力等多物理场数据。

2 试验现象及结果分析

试验过程采集的数据有：牵引力、坡面位移监测点沿滑动方向纵坐标的变化量。

将应力-应变数据采集系统所采集的数据整理生成牵引力-时间曲线图；提取高清摄像机所拍摄图片中位移监测点不同时刻的像素Y坐标，再将坐标数据处理后生成120个监测点在不同时刻的位移变化情况及坡面中间单列10个监测点全过程的位移信息。高速相机拍摄的全过程影像可观察裂缝演化信息，结合生成的图样，可从多角度对滑坡表面变形演化特征进行综合分析。

2.1 牵引力-时间曲线

图4为4组模型试验的牵引力-时间曲线图，其中图4(a)与图4(b)为单段式拉力筋模拟滑坡整体滑动工况，可看出曲线只有1次峰值。图4(c)与图4(d)为两段式拉力筋模拟滑坡局部滑动工况，曲线有2次峰值。

图4 牵引力-时间曲线

2.1.1 单段式拉力筋

根据牵引力-时间曲线斜率的变化，结合滑坡发育状态，将整个滑坡演化过程划分为4个阶段：LM为弹性阶段，滑坡逐渐受到拉力筋作用；MN为内部破坏阶段，滑体与拉力筋完全接触摩擦，力值迅速增长，此阶段坡体表面并无明显的裂缝出现；NA为裂缝发育阶段，此时力值已接近滑体的极限抗滑力，坡面裂缝快速发育；AB为失稳滑动阶段，滑体开始破坏，牵引力下降。牵引力曲线详细信息见表2，此组牵引力曲线在峰值附近仅持续20 s，然后快速跌落，坡体整体发生大滑动。

表2 试验1牵引力-时间曲线信息

从图4(b)可以看出，此组牵引力曲线形态与图4(a)相似，前3个阶段划分与图4(a)相同，但峰值过后力曲线没有陡降，此阶段(AB)为失稳蠕滑。牵引力曲线详细信息见表3，此组曲线在峰值附近持续360 s，然后以缓慢的速度下降，坡体整体以蠕滑形式破坏。

表3 试验2牵引力-时间曲线信息

2.1.2 两段式拉力筋

从图4(c)可以看出，曲线可分为拉力筋受力、过渡区和滑面整体受力3部分。过渡区前后两部分在形态上相似，阶段划分一致。根据试验现象，两段式试验组的表面裂缝在710 s后开始出现，也就是第一段拉力筋对下部滑体虽有完整的作用阶段，但由于其作用面积和力值较小，不足以突破滑坡自身的极限抗滑力而使坡面滑动。所以，在此主要对过渡区后的曲线进行分析。牵引力曲线详细信息见表4，此组曲线在最大峰值附近仅持续20 s，然后快速下跌，坡体发生大滑动。

表4 试验3牵引力-时间曲线信息

从图4(d)中可以看出，力曲线形态与图4(c)相似，可分为3部分，但最大峰值过后力曲线变为缓慢下降。此组试验同样对过渡区后的曲线进行分析，牵引力曲线详细信息见表5，此组曲线在最大峰值附近持续400 s，然后以缓慢速度下降，坡体以蠕滑形式破坏。

表5 试验4牵引力-时间曲线信息

综上可知，支撑拱的存在改变了滑坡的破坏模式，对边坡的稳定有较强的控制作用。

2.2 坡面变形场

设定坡面的滑动方向为Y轴正方向，对坡面监测点位移信息的分析有两种方式：第一种是所有监测点不同时刻与初始时刻Y坐标差值的变化趋势；第二种是中间1竖列10个监测点每一刻的位移变化趋势。将这两种方式处理得到的位移信息与高速相机拍摄的裂缝演化过程相结合，可以更准确地观察分析坡面不同位置的运动状况及记录裂缝演化的时刻。

图5、图6分别为无锁固体条件下与有锁固体条件下，两种不同分析方式的监测点点号布置情况。

图5 无锁固体时监测点布置图

图6 加装锁固体时监测点布置图

2.2.1 单段式无锁固体

利用软件处理后的坡面位移信息如图7所示，坡面裂缝信息如图8所示。

图7 坡面位移信息综合图

图8 坡面裂缝信息图

由图7和图8可知，在480 s前坡表面无裂缝和位移信息，480 s时其牵引力达到峰值(图7)，且在滑坡后缘突然出现长裂缝(图8(a))，随后几秒快速扩展到边界(图8(b))，然后坡面整体发生大滑动(图8(c))。本组试验说明在无锁固体的单段拉力筋条件下的坡体滑动具有整体性和突发性。

2.2.2 单段式有锁固体

该组试验坡面位移信息如图9所示，坡面裂缝信息如图10所示。从图9和图10可以看出，在单段式有锁固体条件下，坡面裂缝和位移信息均具有阶段性。结合其牵引力-时间曲线的阶段划分，对该组试验的分析结果如下：

1)弹性阶段LM(0～500 s)：滑坡表面无任何位移及裂缝信息。

2)内部破坏阶段MN(500～1 000 s)：在此阶段后期，滑坡后缘、拱间和前缘出现左右对称的裂缝信息，随后裂缝发育并于该阶段末尾时成型，如图10(a)所示；在此阶段末尾时刻滑坡表面大部分监测点开始移动。

3)裂缝发育阶段NA(1 000～1 600 s)：除滑面后缘第一排外，其他测点均加速运动；在牵引力-时间曲线初到峰值(1 237 s)时，拱后出现拱形裂缝，如图10(b)所示；随后在一小段时间内(1 310～1 530 s)，坡面保持稳定，因为此时土拱刚形成且具有一定的自身抗滑作用，在一定程度上抵挡了土体的滑动；随后坡面继续运动，拱形裂缝越来越明显，且能看出拱形裂缝与前缘裂缝均向支座处延伸，有贯通的趋势；末尾时刻滑坡周界形态已较为清晰，如图10(c)所示。

4)失稳滑动阶段AB(1 600～5 660 s)：拱前后裂缝穿越拱支座而贯通，土拱支撑部位被破坏已无支撑效果，拱后土体向下移动，与拱间横缝接触，使之逐渐闭合，如图10(d)所示；滑坡周界于2 210 s完全形成，拱间横缝完全消失，如图10(e)所示；随后坡面无新裂缝出现，滑坡周界内的土体加速蠕滑，裂缝加深，滑体前缘两排位移监测点下滑最快，周界内的坡体基本破坏，滑面最大像素位移为85，锁固段以上部位最大像素位移为53。

图9 坡面位移信息综合图

图10 坡面裂缝信息图

2.2.3 两段式无锁固体

该组试验坡面位移信息如图11所示，坡面裂缝信息如图12所示。

由图11和图12可知，在两段式拉力筋无锁固体条件下，坡面裂缝信息和位移信息均具有阶段性。结合其牵引力-时间曲线的阶段划分，对该组试验的分析结果如下：

1)第一部分(0～710 s)：该部分牵引力-时间曲线形态上虽然有完整的4个阶段，但坡体表面并没有位移信息，只在末期时有细微裂缝出现。

2)过渡区(710～877 s)：滑体下半部7、8、9、10排监测点有位移信息，该区域表面裂缝发育，形成左右对称的形态，如图12(a)所示。

3)第三部分(877～1 760 s)：滑体下半部裂缝继续发育；于1 690 s时刻滑面整体加速移动，其中上半部土体加速度更快；经过短暂的70 s后，滑体后缘迅速出现横裂缝，于1 760 s完全贯穿模型，滑体发生整体破坏，之前下半部表面的裂缝由于上部土体加速下滑而被掩盖，如图12(b)所示，上、下部土体相接以整体形式继续下滑。

图11 坡面位移信息综合图

图12 坡面裂缝信息图

2.2.4 两段式有锁固体

该组试验坡面位移信息如图13所示，坡面裂缝信息如图14所示。

从图13和图14可以看出，在两段式拉力筋有锁固体条件下，坡面裂缝信息和位移信息均具有阶段性。结合其牵引力-时间曲线的阶段划分，对该组试验的分析结果如下：

1)第一部分(0～700 s)：该部分牵引力-时间曲线形态上虽然有完整的4个阶段，但坡体下部表面并没有位移信息，只在此阶段末期下部表面有细微裂缝出现。

图13 坡面位移信息综合图

图14 坡面裂缝信息图

2)过渡区(700～900 s)：780 s滑体下部8、9、10排监测点有位移信息，该区域出现左右对称形态的表面裂缝并逐渐扩展，如图14(a)所示。

3)第三部分(900～5 800 s)，可细分为以下4个阶段：

①弹性阶段(900～1 400 s)，滑体下部表面裂缝继续扩展，于该阶段末期基本成型。

②内部破坏阶段(1 400～2 200 s)，该阶段下部裂缝形态无变化，而深度和宽度逐渐增加。

③裂缝发育阶段(2 200～2 800 s)，拱间开始出现拱形裂缝1，如图14(b)所示。其余坡面监测点也开始有位移信息，第4、5、6、7排区域的土体下滑速度与8、9、10排区域的一致，拱上1、2、3排区域的土体运动速度最小。

④失稳滑动阶段(2 800～5 800 s)，拱支座的存在使拱后土体挤压形成土拱，一定程度上阻挡拱后土体(即1—3排位移监测点区域的土体)下滑。拱支座以下土体由于没有阻挡，其运动速度比拱后土体的快。当土体下滑到一定程度，第一个土拱被冲破贯穿破坏，于3 000 s又出现拱形裂缝2，如图14(c)所示。随后拱形裂缝1逐渐被覆盖，于3 800 s完全消失，如图14(d)所示。随着拱形裂缝2与拱后裂缝逐渐贯通，拱后又出现更大的拱形裂缝3，且拱形裂缝 2与拱形裂缝3之间有相互融合的趋势，如图14(e)所示。之后滑坡将匀速蠕滑直至完全破坏，滑面最大像素位移为90，锁固段以上部位最大像素位移仅为15。

3 滑坡演化规律分析

3.1 牵引力曲线规律分析

4组试验的牵引力时程曲线数据见表6，通过数据对比寻找规律。

表6 牵引力-时间曲线数据

对比试验1(单段式无锁固体)与试验2(单段式有锁固体)的数据可知：在单段式滑坡类型条件下，由于锁固体的存在，牵引力-时间曲线的极限力值提升了41%，维持时间提升了1 790%。对比试验3(两段式无锁固体)与试验4(两段式有锁固体)的数据可知：两段式滑坡类型条件下，由于锁固体的存在，牵引力-时间曲线的极限力值提升了40%，维持时间提升了1 900%。以上对比分析说明，锁固体对滑坡的稳定性有一定的控制作用。

对比试验1与试验3的数据,无锁固体滑坡类型条件下，单段式与两段式两组试验极限力值接近且在峰值持续时间均较短，均发生了大滑动。对比试验2与试验4的数据,有锁固体滑坡类型条件下，单段式与两段式两组试验极限力值同样接近且持续时间较长，且均无大滑动。以上对比分析说明，拉力筋段数不影响牵引力，锁固体对边坡的稳定性有一定的控制作用。

3.2 变形场规律分析

对比分析试验1与试验2可知：单段式锁固型滑坡的坡面位移量大大减小，位于拱支座以上的监测点位移量和速度均为最小，坡面整体没有大滑动，滑体后缘裂缝未横跨模型；后缘土体在向下滑动通过拱支座时会在拱间相互挤压，形成土拱效应[15]，进而调动自身抗滑效应对拱后的土体有一定的支撑作用，拱间的横裂缝就是因为拱前后土体运动速度不一致而形成的；当裂缝发育贯穿拱支撑部位后，拱后的土体会失稳与拱前土体相接并一起加速运动，拱间横缝完全消失。

对比分析试验1与试验3可知：两组试验在大滑动前几秒坡体后缘拉裂缝均为突然出现，且快速贯穿模型，随后整体发生大滑动；在发生大滑动时后缘位移监测点位移量均最大。不同之处在于，单段式大滑动前坡面无位移信息，而两段式其下部先有裂缝信息，但在大滑动时上部土体快速下滑与下部土体相接，下部土体裂缝被掩盖，然后以整体形式继续下滑。说明两段拉力筋在滑坡整体滑动前可观察到更多的裂缝信息，无锁固体条件下边坡的滑动具有突发性和整体性。

对比试验2与试验4可知：两组试验的支撑拱形成的时间与拱后土体监测到位移信息的时间一致，均为牵引力-时间曲线峰值时刻；土拱与拱后裂缝贯穿被破坏的时刻均为牵引力-时间曲线峰值过后；拱后最大像素位移值分别为53与15，拱前最大像素位移值分别为85与90，拱后土体的像素位移量最小，而且后缘拉裂缝延伸扩展均较弱，说明支撑拱在一定程度上阻止土体的下滑，具有抗滑作用；其中两段式锁固效果更好，原因是两段式在第一个土拱被破坏后又能继续形成新的土拱来抵抗拱后土体的下滑。对于试验2单段式拉力筋而言，拱支座位于滑面的中上部。而试验4两段式拉力筋，由于滑坡的中下部先运动，此时拱支座不起作用，当第二段拉力筋受力对中上部滑体作用时，拱支座相当于处在第二段拉力筋的中部位置。

对比试验3与试验4可知：两组两段式拉力筋试验的前期，与第一段拉力筋作用时期的试验现象相同，均为中下部土体出现对称的裂缝信息，上半部土体出现位移信息时刻均为牵引力-时间曲线峰值时刻。不同之处在于，无锁固体条件下，在大滑动时上半部土体会快速滑动与下部土体相接，然后以整体形式发生大滑动；而存在锁固体时，上半部土体为蠕滑，并不会快速与下半部相接，下半部土体的裂缝继续发育，不以整体的形式破坏。

4 结论

1)未加锁固体条件下，单段和两段式坡体的牵引力-时间曲线峰值过后陡降，坡体发生大滑动，破坏形式具有整体性和突发性。加装锁固体条件下，单段和两段式坡体的牵引力-时间曲线峰值过后均为慢速下降，坡体的破坏形式为慢速蠕滑。

2)未加锁固体条件下，单段和两段式坡体的最大牵引力分别为39.5 N和35.7 N，后缘裂缝贯穿模型。加装锁固体后，单段和两段式坡体的最大牵引力分别为55.7 N和50.0 N，极限力值提升40%，拱后土体位移最小且后缘裂缝发育较弱，锁固体对拱后土体的稳定性有一定的控制作用。

3)在牵引力-时间曲线初到峰值时，土拱形成；在峰值维持阶段拱间横缝闭合度保持稳定，此时支撑拱对拱后土体有支撑作用。随后，牵引力-时间曲线下降，拱前后裂缝逐渐穿过拱支座而贯通，支撑拱被破坏，拱后土体下滑使拱间横缝逐渐闭合。

本文初步探索了单段和两段式拉力筋条件下支撑拱式锁固型滑坡的变形演化特征，对于不同间距和位置的拱支座等变量所形成的支撑拱,其对拱后土体支挡的效果有待进一步研究。