基于深部位移曲線形態的邊坡變形特征分析

潘惠芳

(廈門信息集團建設開發有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

邊坡動態監測的目的是監控邊坡坡體的安全與穩定，為防護設計提供實際變形依據；若邊坡坡體的變形持續發展，當累積變形量值累積到坡體發生災變的臨界值，或位移不收斂、持續增加時，便出現滑動、滑塌、溜塌、崩塌、潰屈、傾倒等工程地質災害，而坡體的變形隨時間變化反映到位移監測曲線上，呈現出多種特征形態，對應不同的潛在變形破壞趨勢[1]。通過FLAC程序數值模擬計算，可以分析順層滑動、切層滑動、順層潰屈、傾倒變形、崩塌變形及其破壞特征，實際工程所得到的監測曲線形態也與其相似，反映出相應的變形特征規律。因此，基于深部位移曲線形態的邊坡變形特征分析，可以為邊坡變形定性、變形規模、工程針對性治理方案及安全預警提供可靠依據。

1 邊坡變形監測曲線一般形態特征

一般邊坡深部位移監測，可以明確邊坡變形位置、性質，因此，根據監測手段判別滑動面的位置與性狀，是動態監測評估坡體穩定性最主要的內容之一。變形滑動面位置與形狀的判識的正確與否，直接影響著滑坡推力的計算和防治工程的效果[2]。通過邊坡變形監測曲線形態分析，不僅可以準確得到邊坡滑動面的位置，還可以得到邊坡在不同時間、不同深度的位移變形特征，對于深層、多層和性質復雜的邊坡滑坡的性狀都可以進行把控。動態監測方法比其他方法優越之處，還體現在可以測出滑坡位移量的大小，滑動方向，以及歷時動態變化過程。

結合鉆孔地質剖面，可以將某斷面上不同監測點的測斜曲線進行合理連接，繪制出滑動面形狀，根據坡體地質結構，反演坡體滑動機理與成因，坡體發生滑動變形起因于軟弱夾層、結構面、巖土界面的存在。坡體變形，通常體現為兩個面之間的相對錯動，此時坡體巖土介質將受到剪力作用，是一種剪切變形，標志著存在潛在滑動破壞的危險[3]。

對于這種坡體深部滑動型變形模式，從成因上又可以再細分為兩類[4]：一種是圖1中A型的變形模式，曲線變形形態體現為，坡體是由深部存在的軟弱面首先發生蠕動變形，繼而帶動上部巖土發生蠕動變形，曲線體現為滑動面處變形位移值最大，滑面以上變形量值呈現小量值下降趨勢。另外一種如圖1中B型，坡體深部也存在滑動面，但滑動面上巖土整體發生蠕動，是一種上部巖土蠕動帶動下部變形的體現。這兩種都是深部滑動型變形模式，A型體現滑動面的變形特性，B型體現了滑面上部巖土的變形特性。

(a)A型滑動變形破壞(b) B型滑動變形破壞圖1 邊坡滑動變形破壞深部位移監測特征曲線

大量監測結果顯示，一般老(古)滑坡病害體、或者滑動面明顯的坡體，易產生第一種類型；工程開挖卸荷等因素造成的新生滑坡對應于后者。這兩種坡體深部變形，前者在達到破壞時具有突發性，后者常會出現淺部的小坍塌，變形不斷惡化的現象。

2 邊坡典型位移變形曲線的形態特征分析

邊坡地質條件、坡體結構類型不同時，坡體歷時變形發展至災變時的變形破壞類型也不同，反映到位移監測變形曲線上的曲線形態特征也不同。因此，以坡體變形破壞類型為出發點，分析與歸納不同變形破壞狀態下坡體的監測曲線形態特征，可以為大量的路塹邊坡深孔監測曲線的判識提供理論依據與指導作用。工程實踐證明，邊坡變形受坡體結構控制，其變形破壞形式有順層滑動、切層滑動、順層潰屈、傾倒變形、崩塌變形等多種類型。為了詳細系統地分析不同變形破壞類型對應的監測曲線形態，采用彈塑性有限元結合有限差分分析程序FLAC進行數值分析。

通過在邊坡坡頂與坡中位置處分別布置一條垂直監測線，考察坡體發生開挖過程中發生變形時的水平位移變形情況，及平位移監測動態變形曲線的形態[4-5]，來分析不同類型邊坡變形特征曲線。

2.1 切層滑動變形位移曲線分析

當坡體的結構面以水平方向為主導方向時，坡體的變形體現為切層滑動變形。通過FLAC數值分析，坡體最大剪切屈服帶呈現為圓弧或似圓弧狀，如圖2(a)所示，其變形破壞呈現出切斷效應，坡體上部巖層發生下錯位移，下部逐漸趨近剪斷形態，最大變形區在坡體臨近坡腳處，如圖2(b)所示，變形破壞在坡腳的剪出口常依附于水平結構面出露。

(a)最大剪切屈服帶(b)變形破壞圖圖2 切層滑動變形的最大剪切屈服帶、變形破壞圖

(a)坡頂位移監測曲線(b)坡中位移監測曲線圖3 切層滑動變形坡頂、坡中位移監測曲線

考察坡體發生切層滑動變形時的水平位移變形情況，水平位移監測曲線形態如圖3所示，呈現出切層滑動變形的變形規律：通過坡體中部的監測變形曲線，體現出在坡腳高程位置的剪出突變特點，即對應于坡體發生切層滑動時在此處發生最大變形的本質，通過坡頂部的監測變形曲線，在上部呈現出U形開口狀態，在坡腳處有變形回彈趨勢，下部臨坡腳高程位置有一顯著突變點對應坡體在坡腳發生滑移剪出的本質。

2.2 順層滑動變形位移曲線分析

當邊坡的變形破壞受順層結構面控制時，其坡體變形破壞常呈現出順層剪切滑移破壞，通過FLAC進行數值分析，坡體的最大剪切屈服帶呈現出與控制結構面產狀相同方向的分布狀態如圖4(a)，其變形破壞呈現出顯著的層間滑動效應如圖4(b)，最大變形區域位于坡體中上部，下錯位移較結構面水平時更大，變形破壞在坡腳處的剪出呈現多個突變形態。

(a)最大剪切屈服帶(b)變形破壞圖

在邊坡通過坡頂與坡中位置處分別布置一條垂直監測線，考察坡體發生順層剪切滑移變形時的水平位移變形情況，水平位移監測曲線形態如圖5所示。呈現出順層剪切滑動變形規律：通過坡體中部的監測變形曲線，體現出在坡腳高程位置的多個剪出突變特點，突變程度小于坡體變形破壞受結構面產狀水平時的狀態，在坡腳處無明顯變形回彈趨勢，通過坡頂部的監測變形曲線在上部呈現出U形開口狀態。

(a)坡頂位移監測曲線(b)坡中位移監測曲線圖5 順層滑動變形坡頂、坡中位移監測曲線

2.3 順層潰屈變形位移曲線分析

當邊坡較陡，且控制坡體變形的結構面傾角產狀與坡面傾角產狀相近時，邊坡易產生順層潰屈變形破壞。通過FLAC進行數值分析，坡體的最大剪切屈服帶呈現出與坡面及結構面傾角方向的條帶分布，坡體變形在中上部以下錯變形為主，在坡腳位置高程處發生潰屈變形，變形劇烈區為坡體潰屈變形部位，其變形破壞形態呈現出顯著的上部滑移致使下部壓裂潰屈效應，坡體變形在坡腳呈現為潰屈鼓脹特征如圖6所示。

(a)最大剪切屈服帶(b)變形破壞圖

考察坡體發生順層潰屈變形時的水平位移變形情況，水平位移監測曲線形態如圖7所示。呈現出順層潰屈變形的規律特性：通過坡體中部的監測變形曲線體現出在坡腳高程位置顯著的潰屈成因的突變形態，監測曲線在坡腳位置高程處無明顯變形回彈趨勢，通過坡頂部的監測變形曲線在上部呈現出V形大開口狀態。

(a)坡頂位移監測曲線(b)坡中位移監測曲線圖7 潰屈變形時坡頂、坡中位移監測曲線

2.4 傾倒變形位移曲線分析

當邊坡坡體由陡傾的層狀巖層組成時，在施工開挖作用下易發生坡體傾倒變形破壞。通過FLAC進行數值分析，邊坡最大剪切屈服帶為彎曲狀，在坡腳位置為水平剪出狀；考察坡體的變形破壞如圖8(a)，坡體上部發生顯著松弛變形，呈現出向邊坡臨空面緩慢彎曲變形特征，最大變形區域位于坡體中上部，變形呈現出顯著的向邊坡臨空面松弛彎曲效應，如圖8(b)。

(a)最大剪切屈服帶(b)變形破壞圖

考察坡體發生傾倒變形破壞時的水平位移變形情況，水平位移監測曲線形態如圖9所示，呈現出傾倒變形的規律特性：通過坡中的位移監測曲線沒有明顯的突變特征，向上呈現出漸變擴展形態。從該監測曲線可以看到，整體呈現重疊迂回開口狀，曲線上變形突變點從下至上程度加大。考察通過坡頂的位移監測曲線，可以把握坡體水平位移變形的整體形態。

(a)坡頂位移監測曲線(b)坡中位移監測曲線圖9 傾倒變形時坡頂、坡中位移監測曲線

2.5 崩塌位移變形曲線分析

對于風化破碎的高陡邊坡，其坡體常由一組或者多組結構面組成，坡體由于開挖施工，后部巖體失去支撐時易發生崩塌變形破壞現象。通過FLAC進行數值分析，坡體的最大剪切屈服帶呈現平直狀斜切，坡體上部如圖10(a)，剪出位置一般高于坡腳一定位置處；考察坡體的變形破壞，如圖10(b)，從圖10中可以看到，在坡體頂部，巖體呈現出彎曲松弛狀，變形劇烈區位于坡頂部位，坡腳位置處變形不明顯，變形破壞主要發生在坡體的中上部分。坡體的變形破壞呈現出顯著的崩落與剪切下錯效應。

考察坡體發生崩塌變形破壞時的水平位移變形情況，水平位移監測曲線形態如圖11所示。呈現出崩塌變形的規律特性：通過坡體中部與坡體頂部的位移監測曲線形態相似，沒有位移突變點，曲線呈現出V形大開口狀。

3 結語

(1)通過對邊坡發生各種不同變形破壞的數值計算分析，得到了坡體發生不同類型變形破壞時的坡體最大剪切屈服帶特征、變形破壞特征以及水平位移監測曲線的形態變化特征規律，如表1所示。

表1 邊坡變形破壞監測曲線特征形態表

(2)基于數值計算分析手段，反演分析了邊坡變形破壞的監測曲線類型，得到了不同變形破壞的典型監測曲線特征規律，并與現場監測相互映證，為邊坡設計、安全施工治理提供依據。

(3)以上結論可以為大量的實測深孔測斜數據的分析提供理論依據，為邊坡的安全監測、預警技術提供參考借鑒。