软硬互层边坡降雨失稳过程力学响应研究

李龙起 赵瑞志 王 滔 张 帅 何 川

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059)

软硬互层岩质边坡是一种包含各类断裂破碎层及不整合面(带)的广义软硬组合结构体边坡,广泛分布于我国西南地区.软硬互层边坡的岩体性质差异明显,层间结合较差,与单一岩体相比,在极端条件(如降雨、地震)下,其软岩层稳定性易急剧下降,出现“短板效应”,从而发生失稳破坏.

由于软硬互层边坡的工程地质条件复杂、脆弱,其稳定性分析与判定一直是工程界的难题[1].吉世祖等[2]通过建立缓倾坡外软硬互层高陡边坡演化概念模型,总结出边坡形成及变形破坏过程分为河谷形成过程中的时效变形、滑移-逐级拉裂、滑移-弯曲-剪断3个阶段;李昂等[3]建立互层状岩体局部区域细观数值模型,总结出软硬互层状岩体的细观非均匀特性对其变形特性、强度特征、声发射规律及累计损伤过程影响显著.李龙起等[4-5]初步开展了不同降雨强度及支护条件下顺层边坡的地质力学模型试验,并分析雨水入渗对于坡体位移、孔压力及支护结构受力的影响.张磊等[6]和邹维列等[7]通过人工降雨模拟试验,分别研究了土坡不同坡度的滑动位移及含水率,推导试验降雨条件下“坡度-泥流率”、“坡面位置-含水率”和“含水率-黏聚强度”的关系式.以上研究均是基于顺层边坡降雨特性对软硬互层边坡展开的探索性研究.但目前,降雨型软硬互层边坡研究仍存在诸多问题:①软硬互层边坡内部岩性差异明显,其复杂的岩层组合形式严重影响其破坏模式,目前尚未有系统的理论解释其力学响应及破坏之间的内在联系;②对于软硬互层边坡破坏过程中力学响应变化特征缺乏系统性了解.本文以四川省古蔺县站场滑坡为工程依托,根据现场勘查资料构建出软硬互层边坡概念模型,结合人工雾化降雨技术,进行大型室内堆积体边坡探索性试验.通过间歇性循环降雨试验,模拟软硬互层边坡降雨破坏过程,综合分析坡体破坏变化与坡内特殊位置孔隙水压力之间的内在联系,研究成果为我国西南地区类似边坡的防灾预警提供理论参考.

1 依托工点及试验设计

1.1 依托工点概况

站场滑坡位于四川省古蔺县福来村古蔺河左岸,为中倾外顺向砂泥岩互层的单斜顺层边坡,滑坡剖面如图1所示.坡体岩性主要以侏罗系中统沙溪庙组(J2s)为主,砖红色、青灰色砂岩与紫红色泥岩相互叠加沉积.坡表泥岩为强风化岩石,裂隙相对较发育;砂岩为中厚层、厚层-巨厚层.岩层倾角与坡体近乎平行,约为20°,砂岩产状为N62°W/NE∠20°,泥岩产状为N64°W/NE∠19°,岩层厚度为0.8～1.3 m互层分布,强风化带厚约2～3 m,裂隙发育,岩体连通性较好,导水能力强,具备良好的地下水赋存空间和运移通道[8].

图1 站场滑坡地质概况

原始坡体走向为SW-NE,整体坡度为15°～20°,滑移体岩层倾角约为20°.站场滑坡进站端岩层产状:N60°W/NE∠15°,出站端岩层产状:N69°W/NE∠25°.坡体内部优势发育3组控制节理:①N77°E/NW∠85°;②N40°E/NW∠83°;③N70°W/SW∠80°.原始边坡前缘以坡度比1∶1进行人工开挖,最大开挖高度为18 m.

1.2 相似常数及配比系数

根据三大相似理论,结合原型边坡的大小及岩体物理力学参数(见表1),本次室内降雨模型试验相似常数值拟取Cl=100,为突出反映在自重应力场作用下,岩土体的滑坡效应,试验中岩土体的重度相似比取Cγ=1.模型边坡大小为:长×宽×高=200 cm×60 cm×34 cm.

表1 岩体物理力学参数

1.3 试验设计

模型边坡拟采用规格为10 cm×10 cm×2 cm的岩块进行堆砌.通过正交配比试验,最终确定软岩相似材料配比为:石英砂∶黏土∶重晶石∶石膏∶水=32∶1∶40∶9∶18,其重度ρ为22.3 k N/m3,黏聚力c为5.42 k Pa,内摩擦角φ为24.8°;硬岩相似材料配比为:石英砂∶水泥∶重晶石∶石膏∶水=45∶0.5∶36∶0.5∶18,根据室内基础物理试验可知其重度ρ为23.6 k N/m3,黏聚力c为8.36 k Pa,内摩擦角φ为38.7°.

制模过程中,坡体基底为4 cm的硬岩层,所用材料与硬岩相似材料配比相同.堆砌方式为错缝堆积,保证相邻岩块与上下岩块压实并充分接触,相同岩层间隙采用同一相似材料进行填缝拼接.考虑到软岩在原始坡体内部接触面中起主导的粘结作用,所以不同岩层面间采用软岩相似材料进行粘接.坡体表层铺设2 cm厚的软岩相似材料碎屑,模拟原始坡体表层泥岩强风化状态的真实情况.模型堆砌完成后静置24 h,确保坡体内部粘结材料固结,充分还原原始边坡破坏前的真实状态.模型箱两侧PVC挡板分别涂抹凡士林,以减小边界效应对试验效果的影响.坡体稳定后起吊20°,并在坡前进行开挖坡比1∶1操作.坡体开挖结束后静置3 h,保证坡体内部应力场重新达到平衡后,开始进行降雨试验.

1.4 试验系统及试验方法

本次所采用的试验系统由自行设计加工的模型箱及降雨叠加系统组成,其平面布置图如图2所示.模型箱由高强度槽钢组成骨架,PVC一侧由吊钩和滑轮组成吊装系统,实验过程中将模型箱吊起一定角度,模拟现场坡度情况,如图3所示.通过控制电磁阀,调节水泵功率,从而调节降雨强度,达到控制流量的目的,并通过流量监视器实时读取降雨流量,其电路连接方式如图4所示.

图2 试验系统布置平面图

结合西南地区降雨资料及试验的相似量纲关系,本次模型试验的降雨强度为0.325 mm/h.试验设定降雨40 min,停雨20 min为一次降雨循环,试验总时长36 h,模拟原型边坡在间歇性循环降雨工况作用15 d内坡体破坏全过程.本次试验对坡体内部特殊位置处孔隙水压力值进行了实时监测,试验模型测点布置图如图3所示.

图3 试验模型及传感器布置(单位:mm)

图4 试验降雨系统

2 试验分析

2.1 试验的破坏过程

图5为软硬互层模型边坡降雨破坏过程图.图5(a)、(b)、(c)、(d)分别为降雨试验前期、中期、后期、末期坡体侧面镜像图.

图5 模型边坡破坏过程图

由图5可知,坡体在间歇性循环降雨作用下:①降雨前期:坡脚处中、上部岩体最先出现松动,裂隙由前缘坡表逐渐向中间层岩体延伸、扩展,软岩接触入渗雨水后,开始软化、泥化,侧边界少量软岩开始流失,岩层面抗剪强度急剧下降;②降雨中期:坡体前缘裂隙逐渐延伸、贯通,形成小型滑动面,前缘岩体沿此滑动面发生滑移破坏,并堆积于坡脚形成锁固段.随着入渗雨水的排出,带走部分岩体碎屑及浅层软岩块体,逐渐形成固定的排水裂隙通道,前缘岩体整体下错、持续微弱滑动;中部岩体因前缘失稳对其产生的拉裂作用影响,岩层面逐渐向坡前倾倒,自坡表向内6～8层岩体向坡前小幅滑移破坏;③降雨后期:坡体前缘软岩碎块不断脱落,切层裂隙延伸至坡体底部,且裂隙渗流通道越发明显,锁固段逐渐失效;坡体中部切层裂隙不断扩张,底层软岩软化、泥化程度加深,中部岩体在牵引力、自重作用下,沿泥化面向坡前持续滑移;后缘裂隙继续下切,坡表沉降;④降雨末期:随着深层软岩层面的强度不断弱化、软弱面完全贯通,坡脚锁固段彻底失效,坡体沿已贯通的大型滑动面发生整体滑动,大方量的滑体堆积于坡体前端直至模型槽前端底部,覆盖原始开挖基准面,坡体后缘出现陡坎.大型滑动面长约134 cm,中-上部岩体下滑至坡体前缘,滑动水平位移约12 cm,坡体破坏严重,整体变形较大.

2.2 应力分析

深入解析坡体内部关键物理量与坡体破坏之间的内在联系,在坡体内部不同层面不同高度布设孔隙水压力传感器,为试验研究提供关键性的定量数据.图6为坡内孔隙水压力变化特征时程曲线图.坏,结合降雨试验过程中坡体变形全程监测数据,表明:在降雨1 134 min时,坡体前缘裂隙贯通,形成小型滑动面,前缘岩体沿此滑面发生滑移失稳.③降雨后期(2 036 min),前缘孔隙水压力数值再次发生突变,表明此时坡体后缘裂隙贯通,大型滑动面形成,模型边坡逐渐沿此滑动面发生第2次失稳破坏.④模型边坡在间歇性循环降雨作用下,孔隙水压力呈规律性波动,即缓慢增长一段时间后出现一次明显下降和回升,与降雨工况紧密结合,并伴随坡体变形发生相应的突变,结合坡体破坏过程可知:孔隙水压力数值突变时刻较坡体整体突发失稳时刻提前约6 min,建议可根据孔隙水压力监测数据对软硬互层边坡进行失稳预警.

2)对比分析坡体浅表层不同部位(K3、K5、K6)孔隙水压力变化时程曲线可知:①在坡体浅层相同岩层内,孔隙水压力数值由大到小为:K坡体前缘＞K坡体中部＞K坡体后缘;②降雨初期,在坡体前缘失稳破坏前,由于降雨强度大于坡体渗透速率,故坡表中部、后缘的浅表层积水均沿斜面向坡前流动,而坡体前端受开挖扰动,裂隙相对发育,雨水易入渗,因此孔隙水压力迅速上升,且裂隙水能得到持续的渗流补充.③K6孔隙水压力传感器埋设在坡体后缘顶层软岩层面内,其变化时程曲线表明后缘岩体在间歇性循环降雨作用下,在坡体发生大型破坏前一直较稳定.在坡体整体失稳破坏时,由于后缘拉裂形成陡坎,使得后缘浅表层裂隙水散失,孔隙水压力有下降趋势.

3)间歇性循环降雨过程是边坡岩体强度及裂隙变化的一个动态损伤过程,坡体内部形成固定的给、排水通道.降雨不均匀入渗导致裂隙的不均匀切割效应,致使坡体浅表层的开裂,层面抗剪强度的下降.坡体内部孔隙水压力数值变化充分反映坡体内部裂隙发育状况,是探究坡体内部破坏特征的重要指标.

由图6可知:

1)对比分析坡体前缘不同深度岩层内(K1、K2、K3)孔隙水压力变化特征时程曲线可知:①降雨初期,前缘坡脚岩体孔隙水压力响应速率最快,前缘中间层岩体次之,前缘顶部岩体响应速率最慢,期间时间差均约为20 min,表明坡体开挖扰动对坡脚岩体影响较大,微裂隙的产生使得开挖面附近岩体在降雨初期雨水入渗速率较快,其孔压计数值变化最快.②坡体前缘岩体孔隙水压力均在降雨0～120 min内出现不同程度的陡增现象,之后其数值均稳定波动;降雨中期,前缘孔隙水压力数值均在降雨1 134 min发生突变,充分证明坡体前缘在该时刻后突然发生变形破

3 软硬互层岩质滑坡地质力学模式分析

结合站场滑坡的破坏特征,综合整理模型试验的应力及变形特征,分析软硬互层岩质斜坡的地质力学模式:

1)前缘切层裂隙贯通-滑移阶段(图7a)

前缘坡表受开挖扰动出现少量细小裂隙.降雨前期,前缘坡表覆盖物流失,岩层裸露,裂隙增多、扩张,雨水沿裂隙入渗坡内,浅部泥岩层软化;随着降雨持续作用,前缘中间层下部岩层面形成小型泥岩软化面,前缘中、上部岩体沿小型滑动面滑移破坏,滑体于坡脚形成锁固段.

2)中-后部岩体倾倒,后部裂隙发育阶段(图7b)

随着坡体中部中-底层软岩层的逐渐软化、泥化,坡体中-后部岩体在前缘失稳滑移的牵引作用、后缘岩体的下滑推力及自身重力的共同作用下,中-后部岩体沿软弱滑面有向下滑移的趋势.坡体后缘裂隙发育迅速,局部充水,下伏软岩泥化严重,裂隙扩展延深,坡体深层软化岩层逐渐贯通.

3)后缘滑面贯通-失稳阶段(图7c)

前缘岩体沿小型滑动面持续向下滑移变形,坡体稳定性急剧下降,坡脚锁固段失效.后缘裂隙向下扩张,与坡体深层软化岩层贯通,形成通路,雨水沿优势结构面排出,形成大型滑动面.由于坡体前缘岩体的牵引拉裂作用,降雨裂隙及坡体自身重力的增加,边坡沿大型滑动面发生整体失稳现象.

图7 模型边坡地质力学模式

4 结 论

1)间歇性循环降雨是边坡岩体强度及裂隙变化的一个动态损伤过程的诱因,坡体内部形成固定的给、排水通道.降雨不均匀入渗导致裂隙的不均匀切割效应,致使坡体浅表层开裂,层面抗剪强度下降.

2)在坡体浅表层相同岩层内,孔隙水压力数值由大到小为:K坡体前缘＞K坡体中部＞K坡体后缘.

3)模型边坡在间歇性循环降雨作用下,孔隙水压力呈规律性波动,即缓慢增长一段时间后出现一次明显下降和回升,与降雨工况紧密结合,并伴随着坡体变形发生相应突变,孔隙水压力数值突变时刻较坡体整体突发失稳时刻提前约6 min,建议可根据孔隙水压力监测数据对软硬互层边坡进行失稳预警.

4)缓倾顺层软硬互层边坡的破坏模式总体可概括为3个阶段:①前缘切层裂隙贯通-滑移阶段;②中-后部岩体拉裂,后部裂隙发育阶段;③后缘滑面贯通-失稳阶段.