山東某水庫道路開挖軟硬互層順層斜坡穩定性分析

任 杰，李 慧

（山東省臨沂市水利局，山東 臨沂 276000）

0 引言

工程建設中經常出現對自然邊坡進行開挖的現象，人類工程活動的擾動必然引起邊坡的穩定性情況產生改變。目前常用的開挖邊坡穩定性研究方法主要包括數值模擬方法、物理模擬試驗方法以及理論計算的方法。各種方法的使用均建立在現場調查工程邊坡實際工程地質條件的基礎上。數值模擬結合工程邊坡原型建立數值模擬模型，采用有限元[1~2]、離散元[3]等多種數值模擬軟件進行邊坡穩定性計算，確定邊坡變形破壞機制。物理模擬[4~7]是在相似原理的基礎上，結合工程邊坡原型建立室內物理模型，模擬邊坡開挖過程中邊坡的應力變化特征，重現邊坡的變形破壞過程。理論計算方法，在工程實踐中使用較多，采用極限平衡理論、條分法、圓弧法等多種規范規定的方法，通過現場調查和室內試驗獲取計算基本參數，從而計算獲得穩定性系數。

本文以山東某水庫開挖邊坡為例，采用室內物理模型試驗的方法，研究邊坡開挖前后不同工況下的穩定性情況以及邊坡支護后的穩定性情況。

1 工程概況

該水庫位于山東省。水庫的建設改善了庫區的生態環境，為當地居民提供了水源，促進了當地經濟的發展。在水庫建設中對進場道路路基邊坡進行開挖。經過現場工程地質調查，該工程邊坡表層為粉質粘土，基巖巖性主要為砂巖、泥巖、粉砂巖，其中砂巖、粉砂巖厚度在0.5 m~1.0 m，泥巖厚度較薄，一般小于0.05 m。巖性組合為砂巖、泥巖不等厚互層夾薄層粉砂巖，巖體結構較為破碎，傾向坡外，巖層產狀為：123°~135°∠27°~33°，發育兩組結構面，產狀為：130°~135°∠57°~65°和205°~215°∠72°~77°。該邊坡為一處順層巖質邊坡。邊坡坡高為15 m，開挖方式為30°一坡到底。

圖1 邊坡原始坡面及開挖示意圖

2 底摩擦試驗

底摩擦試驗[8]是目前較為常用的一種使用皮帶與試驗樣品之間的摩擦力代替重力的物理模擬方法。該方法假設樣品足夠薄時，摩擦力在樣品內部是均勻分布地。底摩擦試驗儀首先需要滿足在任何時刻可以均勻地改變橡皮帶的轉速；可以隨時觀察任一時刻的摩擦力的大小，通過改變橡皮帶的轉速可以改變摩擦力的大小；儀器可以根據試驗的進行隨時開啟或停止轉動。

2.1 模型相似比及材料確定

模型相似比[9]是指現場原型與室內物理模擬模型之間具有相同量綱的物理量的比值?？梢允褂米帜窴來表示。根據物理模擬試驗滿足相似原理，同時在彈性力學的約束下，認為相似原理的基本相似判據滿足以下條件：Kσ=KE=KC=Kσc=Kσt；Ku=Kl；Kσ=KγKl；Kφ=Kf=Kε=Kμ=1。式中：Kl表示長度相似比，Kγ表示容重相似比，Ku表示位移相似比，Kσ表示應力相似比，Kσc表示抗壓強度相似比，Kσt表示抗拉強度相似比，Kε表示應變相似比，KE表示彈性模量相似比，KC表示內聚力相似比，Kφ表示摩擦角相似比，Kμ表示泊松比相似比，Kf表示摩擦因數相似比。根據室內底摩擦物理模擬條件，設計模型與現場原型之間的線性比例為Kl=50，相似材料容重比為Kγ=1.5，根據上述判據得知：Kσ=KE=KK=KσK=Kσt=75，Ku=Kl=50。

查閱相關資料，底摩擦試驗材料配比見表1。

表1 底摩擦試驗材料配比

2.2 試驗模型設計

通過現場邊坡調查，該待開挖邊坡總高為25 m。設計底摩擦物理模型總高為50 cm。開挖根據設計方案進行，采用30°一坡到底的開挖方式。試驗過程中可使用尺子對模型的變形量進行測量。建立的實驗模型見圖2（a）所示。

2.3 試驗步驟

（1）首先打開底摩擦試驗儀，確保儀器可正常使用，打開開關使儀器開始轉動并保持穩定20 min以上。

（2）按照試驗設計，進行試驗模型相似材料的配比；將配置完成的相似材料，均勻地平鋪在底摩擦儀的橡皮帶上，進行壓實，厚度保持在1.0 cm；模型鋪設完成后，打開底摩擦儀對模型進行預壓實，保持橡皮帶轉動時間60 min；之后關閉底摩擦試驗儀，使用小刀將模型刻畫成需要的形狀。

（3）完成邊坡開挖后，開始進行試驗，使用數碼照相機對模型的變形特征進行記錄，試驗時間應當保持在24 h左右。

3 試驗現象及變形破壞特征分析

3.1 試驗現象分析

完成邊坡開挖后，打開底摩擦試驗儀，當橡皮帶開始轉動后，在摩擦力（模擬重力）的作用下，模型擠密壓實，在斜坡的中上部和中下部出現裂縫，寬度約為1 mm（實際寬度5 cm），坡面部分巖體與斜坡脫離，運動至坡腳，見圖2（c）；隨著試驗的進行，首先形成的裂縫逐漸加寬，寬度大2mm（實際寬度為10cm），坡腳部分巖體與斜坡分離，坡腳位置斜坡已經破壞，同時坡體內部出現與斜坡層面近乎垂直的拉裂縫，寬度為3 mm（實際寬度15 cm），此時見圖2（d）；在底摩擦試驗的中后期，斜坡破壞加劇，坡體頂部巖土體亦與斜坡母巖脫離，在后緣陡傾拉張裂隙和斜坡層面的控制下，頂部巖土體以旋轉的方式向下運動，由于斜坡上仍有部分巖體未與母巖脫離，組織了后緣滑體向坡腳運動，最終有部分已經破壞的巖體堆積在坡面，見圖 2（e）。

對順層巖質邊坡進行開挖時，尤其是巖層傾角小于開挖坡度的情況下，該斜坡的穩定性情況較差，邊坡的變形破壞不是一次發生的，而是多次滑動破壞，常常形成階梯狀滑動面。

3.2 變形破壞機制分析

模型開挖后，斜坡巖體形成了良好的臨空條件，隨著試驗的進行共發生兩次滑動破壞，首先在坡體內部出現與層面幾乎垂直的拉張裂隙，在重力作用下，拉張裂隙不斷的擴張，同時巖體沿著層面發生破壞。

由此可以推斷，在現場對邊坡進行開挖且不采取治理措施的情況下，邊坡首先會沿著層面滑動形成拉張裂隙，在后期降水、地下水、地表水入滲的情況下，巖體中的薄層泥巖遭受雨水浸泡軟化，強度降低，斜坡將會形成沿著泥巖的大規?；瑒悠茐?，造成嚴重的后果。故建議現場在對邊坡進行開挖時需及時設置防治措施，防止斜坡變形破壞，威脅人員安全。

圖2 底摩擦試驗過程

4 結論

（1）通過底摩擦試驗對邊坡開挖后的穩定性和變形特征進行分析，邊坡開挖后斜坡巖體具有滑動破壞的臨空條件，在重力作用下沿著軟層發生滑動形成滑坡。

（2）軟硬互層順層斜坡的變形破壞是發生在多個軟層之間的，斜坡的破壞也不是一次發生的，斜坡破壞后多形成階梯狀滑動面。

（3）在實際工程中，對順層邊坡進行開挖，將會大大降低斜坡的穩定性，需要及時采取治理措施，防止斜坡破壞威脅人員安全。