風化巖邊坡主要失穩模式及機理

(廣東工業大學土木與交通工程學院 廣東 廣州 510006)

邊坡失穩破壞模式一般可分為圓弧破壞、平面破壞、塊體破壞、楔體破壞、傾倒破壞以及潰曲破壞[3]。

一、橫向擴展破壞

橫向擴展破壞變形主要發生在水平層狀邊坡中，此類邊坡一般具有較陡的坡度，中間夾軟弱層、巖層上下硬、中間軟，俗稱“三明治”邊坡，軟弱層以侵蝕變形，具有流變性。在重力作用下，邊坡內部軟弱夾層發生向坡外的橫向塑性變形，邊坡上部巖體與軟弱夾層形成滑裂面，拉應力主要集中在滑裂面上部，方向指向開挖臨空面，形成拉應力效應，造成滑裂面以上的巖體出現垂直張拉裂隙。邊坡巖體出現松動，隨著變形的進一步發展，張拉裂隙逐漸向上擴展并貫通，當垂直張拉裂隙面與水平滑移面貫通時，尤其是降雨在貫通裂隙中形成水力作用時，邊坡可能發生平移式的失穩破壞[4]。

當下部軟弱層受河水淘蝕，水平層狀邊坡可能發生傾倒崩落破壞，如圖1所示。當邊坡下部軟弱夾層受河水侵蝕，極易在邊坡臨空面形成空腔，軟弱層上部堅硬巖層在自身重力作用下形成張拉裂隙，此時，邊坡可能出現兩種破壞變形：一是受張拉裂隙切割的邊坡巖柱在重力或裂隙水力作用下，巖柱有向坡外轉動的趨勢，使得張裂隙進一步擴展，當裂隙從上至下擴展到一定程度后，臨空面巖柱將發生傾倒破壞，此后隨著河水的進一步侵蝕[5]，這種傾倒變形逐步向坡內發展；二是巖體在重力作用下，垂直張裂隙下部形成剪應力集中帶，一旦剪應力集中帶的巖體被剪斷并形成貫通面，則將導致邊坡發生崩落破壞。

圖1 水平層狀邊坡傾倒/崩落模型

二、順層滑動

順層滑動變形較多出現在中傾抑或緩傾巖層邊坡中，巖質坡體順著軟弱結構面或軟弱夾層向開挖臨空暴露面側滑，隨之發生拉裂解體。一般而言，該類邊坡主要受軟弱結構面的抗減強度和巖層傾角之間的相互關系所控制，當巖層傾角大于軟弱結構面的摩擦角(考慮黏聚力影響時為等效摩擦角)時，一旦邊坡開挖使得軟弱結構面在坡面出露，邊坡后緣出現張裂隙或張裂隙擴展，邊坡將沿軟弱結構面循序滑動剪出破壞。在巖層傾角小于軟弱結構面的摩擦角時，一般認為邊坡是滑動穩定的，但遇到暴雨或持續降雨而坡內地下水排泄不暢時，邊坡后緣張裂隙極有可能出現較大的地下水壓力(含靜水壓力和滲透力)，使邊坡產生除重力以外的巖軟弱結構面的附加下滑力[6]，導致邊坡發生水力驅動型的滑動破壞。

需要指出的是，邊坡發生順層滑動破壞除了考慮結構面現狀和抗剪強度等內在因素及地下水等外部誘發因素外，邊坡兩側邊界是自由邊界或約束很小的解離面是其基本條件之一。

三、楔體破壞

順層滑動變形的邊坡走向和巖層走向近似水平或小角度斜交(夾角限定在20°范圍以內)，當二者夾角較大時，層面或軟弱結構面交切于坡頂線，當邊坡中發育多組節理并在坡面出露[7]，邊坡巖體被切割成大小不等的楔形體，若構成楔形體的軟弱結構面或交線傾角大于摩擦角時，楔形體將會研軟弱結構面或交線剪出。楔形體破壞的實質也是一種平面滑動破壞，但由于其可能沿單一面滑動也可能沿兩結構面的交線滑動，其受力條件較為復雜。

四、傾倒破壞

當巖體中存在一組傾倒的都傾角結構面(特別是層面)，其走向與邊坡的走向近乎一致時，由這組結構面切割形成的巖柱有可能發生彎曲，即巖體在自身重力彎矩作用下，有向坡外轉動或彎曲變形的趨勢以至于整個邊坡出現傾倒破壞現象。主要表現為兩種基本形式—彎曲式和塊體式。前者多出現在巖性連續性較好的巖體中，具體表現為巖體受重力荷載的影響，發生彎曲變形兼帶有層間滑動，巖體下部區域有拉裂隙，嚴重時會有橫切巖層的折裂。后者主要受陡傾層面為主附帶多組切割面的結構面處，主控結構面與邊坡走向近乎平行，這組結構面即為破壞面，并受切割面切割[8]。此時，邊坡已是由不同散狀巖塊組成的集合體，散狀巖石在重力荷載的作用，產生繞地點轉動的趨勢，卻受到底部巖石的制約，這種約束即是此類邊坡維持穩定的基礎，一旦該種平衡被破壞，即發生巖石傾倒。

五、潰屈破壞

潰屈破壞主要存在陡傾順層邊坡中，多見于薄層狀巖體以及具有較好延展性的碳酸類層狀巖體邊坡。此類邊坡潛在的滑動控制面(軟弱層面)的傾角近似于巖層傾角，并顯著大于其摩擦角，因此表層巖體具備沿潛在滑動面下滑的力學條件。邊坡巖體中的應力分布是產生潰屈變形的主控因素，由于巖層較陡，邊坡坡腳處巖層不出露，形成插入坡，巖體順坡向應力很大，而垂直于坡面或巖層的應力較小，坡腳因承受較大的順層向的壓力容易產生彎曲變形累積效應并最終破壞[9]。

潰屈破壞具有典型的結構控穩特征，因此，其穩定性分析多以梁板理論為基礎。其破壞進程分為三步：①彎曲變形出現在坡腳向臨空暴露面法向處②坡腳處因變形疊加，巖層呈“X”型錯動③錯動面向上擴展與潛在滑裂相互貫通，從而導致崩塌破壞。