某邊坡滑塌地質模型構建及力學參數選取淺析

薛春梅

（山西省交通建設工程質量檢測中心（有限公司），山西 太原 030032）

0 引言

邊坡穩定性問題是巖土工程的基本典型問題，國內外許多科研人員對此進行了大量的分析，并取得了一定的研究成果。目前，關于邊坡穩定性的分析方法主要有3種：一是極限平衡理論；二是室內模型試驗；三是數值模擬方法。極限平衡分析法是最早利用的一種解決方案，在計算中不用考慮土體的應力-應變關系，物理概念清晰，計算簡單。室內模型試驗基于相似模擬，或者模擬重力加速度，能夠對邊坡穩定性破壞起到很好的模擬作用，對于判斷邊坡變形過程、破壞模式等起到關鍵作用。數值模擬通過對邊坡滑動體進行應力-應變（變形）分析，重點分析邊坡的應力應變變化，擬定特定破壞判別條件，進而找到破壞區域，求得穩定性、變形解。

對于常規邊坡工程，極限平衡分析和數值分析由于其便于實施、工期短、造價低等特點，可廣泛采用，而室內模型試驗由于周期長、費用高等特性一般用于大型工程中。這就要求在常規邊坡工程地質勘察中，取得的資料能夠滿足極限平衡分析和數值模擬的分析方法。

蘇鵬[1]以太佳高速西坡塬上土體外側滑塌為例，通過地質條件分析了產生滑塌的原因，通過極限平衡的傳遞系數法計算穩定性和下滑力，為處治方案提供了理論依據。

李萬紅[2]采用有限元計算程序NEDAM計算土層以及散粒體地基混凝土防滲墻上土石壩邊坡，算出各種工況的變形、剪應力水平等，評估土工建筑物穩定性系數。

李永亮等[3]采用有限元軟件，通過強度折減法，對含軟弱夾層土坡的穩定性進行了數值分析，為邊坡的支護設計提供了理論依據。

無論運用傳統極限平衡還是運用數值分析，對邊坡進行穩定性分析時，都需要地質模型構建，都需對地層、物理力學參數和邊界條件加以界定[4]。這是分析邊坡問題的基本條件，也是邊坡工程地質勘察的重點內容。鑒于此，本文以某高速公路路塹邊坡滑塌為例，在地質模型構建及力學參數選取方面進行初步探討，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

該邊坡為路塹邊坡，線路方向長度為200 m，最大高度23 m。該邊坡為三級坡，第一級高8 m，坡度1∶0.75；第二級坡高8 m，坡度1∶1；第三級最大高度7 m，坡度1∶1。邊坡平臺為2 m。

該邊坡位于黃土覆蓋丘陵區，下部為泥巖。根據養護部門介紹，該邊坡在雨后出現滑塌，邊坡從邊坡一級坡面剪出，造成坡體覆蓋路面，影響交通。清理路面堆積物時，可見泥狀土體。具體滑塌現場見圖1。

圖1 滑塌邊坡

2 工程地質條件

圖2 剖面圖

2.1 地形地貌

該段邊坡位于黃土覆蓋丘陵區，地形起伏較大，沖溝較發育，沖溝一般深 6～10 m，寬 2～5 m，呈“V”字型，坡體地面標高約為1 261.21～1 296.84 m，自然坡角最大約為35°。自然邊坡植被不發育，偶有灌木分布。

2.2 地層巖性

根據野外地質調繪及鉆探資料成果，該段邊坡主要由第四系上更新統（Q3eol）粉土和下部風化砂泥巖（P）構成，各巖土層情況如下：

a）粉土（Q3eol）黃褐色-紅褐色，稍濕-飽和，稍密-中密，土質較均勻，干強度中，韌性中，表層有植物根系。該地層分布于邊坡的上部，厚度不均勻。

b）泥巖（P） 灰白色，黃褐色，全-強風化，呈土狀或碎塊狀。該部分位于邊坡的下部，構成邊坡的基座。

2.3 地質構造

根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015），該區抗震設防烈度為Ⅵ度，地震動峰值加速度0.05g，反應譜特征周期為0.45 s。

由于該邊坡穩定性涉及范圍內風化的砂泥巖呈砂土狀和碎塊狀，巖層產狀對邊坡穩定性影響較小，故野外勘察時未對巖層產狀進行專門地質調查。

2.4 氣象水文

邊坡工程區地下水主要為第四系松散層孔隙水，以大氣降水為主要補給方式，以蒸發和補給為主要排泄途徑，動態隨季節性變化較為明顯，水質良好。下部強風化泥巖為隔水層，下部砂巖內未見地下水。

3 地質模型構建及參數選擇

3.1 邊坡現場變形

從現場調查來看，邊坡出現整體滑塌有以下原因：

a）邊坡體上分布張拉下錯裂縫。

b）邊坡前緣以水平變形為主，邊坡后緣以豎向變形為主。邊坡前緣沖毀片石擋墻，水平位移很大，而后緣豎向位移為主，后緣水平裂縫閉合，但豎向錯動最大達120 cm。這主要是由滑面的形狀決定的：前緣較為平緩，故其變形為水平方向為主，后部滑面較為陡峭，故以下錯裂縫為主。同時，該邊坡滑體前部較厚，后緣較薄，前級稍微變形，便引起后部變形較大，加之后部滑面陡峭，所以后緣產生錯臺較大。

c）邊坡兩側翼變形裂縫指向邊坡中線。兩側裂縫不是常見的剪切裂縫，而是張拉下錯裂縫，這個主要是由下部風化巖溝谷對邊坡有控制作用造成的。地質調查可見，邊坡兩側風化基巖出露，而滑體為第四系粉土，即風化巖構成的溝谷對邊坡邊界、深度具有控制作用。

3.2 基于工程地質分析的地質模型構建及穩定性分析

3.2.1 地質模型構建

以極限平衡法分析邊坡時，地質模型構建主要有以下幾個方面的內容：a）邊坡三維破壞范圍，在平面上以后緣、側界和前緣剪出口為界，在深度方向上以勘察取得的滑動面為界。b）按照地層分布或者現場深度位移監測資料，確定可能的滑動面。c）根據邊坡穩定狀態，給定邊坡現有狀態穩定系數。d）構建邊坡主滑動面，依據幾何條件，參考不同試驗條件下的試驗數據和經驗數據，確定牽引段和阻滑段力學參數，在給定主要滑動段內黏聚力情況下，反算內摩擦角，并最終確定滑動面內摩擦角和黏聚力。e）計算下滑力，考慮支擋結構設置。

3.2.2 工程地質模型與滑動面力學參數反分析

通過圖3極限平衡方法結合現場地質勘察，認為邊坡滑動面位于一級邊坡坡腳，滑動面位于粉土層和風化泥巖層，產生的滑動模式類似于均質體同生面滑動。根據現場變形跡象，邊坡穩定系數在0.95～1.0之間，取0.98。由于原支擋結構為護面墻，不考慮其支擋條件，多次計算，反算得滑動面C=20.0 kPa，內摩擦角φ=19.0°，計算得到下滑力為380 kN/m。

圖3 極限平衡法計算滑動面及結果

3.3 基于室內物理力學試驗的模型構建及穩定性分析

3.3.1 地質模型構建

以數值模擬方法分析邊坡時，地質模型構建主要有以下幾個方面的內容：a）邊坡三維破壞范圍，在平面上以后緣、側界和前緣剪出口為界，在深度方向上已超出邊坡可能滑動范圍；b）按照地層和物理力學試驗為模型分層；c）為各力學地層賦予本構模型和試驗參數；d）初始應力計算；e）開挖計算，自動形成滑動面；f）設置支擋結構。

3.3.2 力學分層的試驗依據

3.3.2.1 室內試驗取樣

進行現場勘察鉆孔取樣，芯樣土體土質均勻，黃褐色-紅褐色，較濕，土樣起始含水率為14.5%，在芯樣中選取較完整的原狀土樣，制備土樣封存進行室內試驗，包括土性試驗及強度參數測試試驗。

3.3.2.2 試驗方法及設備

試驗儀器采用立式常規應變控制三軸儀，可進行固結排水剪切試驗。利用三軸儀進行固結排水三軸試驗，粉土（天然/飽和）、風化泥巖（天然/飽和）均制備4個原狀三軸試樣，圍壓控制為 50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa，當三軸土樣有明顯裂紋時，停止剪切，關閉電源，結束試驗。

3.3.2.3 試驗結果與分析

天然含水量下粉土和泥巖的應力-應變曲線見圖4、圖 5。

圖4 粉土應力-應變曲線

圖5 風化泥巖應力-應變曲線

從圖4與圖5可以看出粉土、泥巖強度與圍壓呈正相關關系，其應力-應變曲線呈現軟化及硬化特性取決于圍壓分界點200 kPa，低于200 kPa時為軟化型曲線，高于200 kPa時為硬化型曲線，且由于泥巖內部含風化夾塊，試驗剪切時存在應力突變的現象，故應力-應變曲線比較曲折。

試樣抗剪強度包線見圖6～圖9。

圖6 天然含水率下粉土抗剪強度包線

圖7 暴雨后粉土抗剪強度包線

圖8 天然含水率下泥巖抗剪強度包線

圖9 暴雨后泥巖抗剪強度包線

根據固結排水三軸試驗應力峰值，繪制莫爾圓，對比不同含水率條件下強度參數，飽和條件下黏聚力及內摩擦角均降低較多。

3.3.3 基于室內試驗的模型構建及計算結果

結合室內試驗成果，各層基本物理力學參數見表1。

表1 土體基本物理力學參數

通過有限元計算，天然狀態下穩定系數1.06，暴雨后穩定系數0.96。有限元計算變形結果如圖10，可以看到邊坡塑性破壞區呈圓弧狀，坡腳破壞首先開始，位于風化泥巖和泥巖的交界面處，隨著應力的重新分布，逐步呈現與現場破壞相一致的弧形滑動破壞。這種破壞面受地質參數的影響較大，參數決定了滑動弧面的形狀，當勘察不精確，取樣密度及試驗所得參數與實際相差較大時，所得結果往往不符合現場實際變形。

圖10 有限元計算滑動面及結果

對于參數選擇，所用參數應該盡量與現場的實際應力狀態相吻合，進行固結排水剪切時，不同的埋深應該取相應深度的圍壓參數。

3.4 兩種模型分析結果對比分析

從兩種方法的構建模型、參數選取及計算中可以看到，兩種方法是完全不同的工作思路：一種以破壞模式為出發點，以現有穩定狀態為依據，反算參數，最終取得結構物設計值；另一種從原始狀態出發，以試驗數據作為主要依據，從邊坡破壞機理出發進行數值分析，最終得到破壞面和結構物設計值。

a）地質分析的方法重在根據變形的蛛絲馬跡，構建正確的破壞面，進而取得結果。這種方法的優勢是滑動面確定，計算簡單，便于手算，但是對現場調查的要求較高。

b）基于試驗數據的方法，對現場變形行跡的調查要求相對較低，但取樣質量、數量及室內試驗設置相對復雜，存在較大的不確定性因素，對取值的經驗要求較高。

c）兩種分析方法都可作為以后設計中的分析手段加以運用，只是需要與現場變形情況對比，調整模型、參數，達到符合實際變形情況。

4 結語

地質模型構建和參數選取是邊坡工程實踐中最為重要的內容，本文對某高速公路邊坡進行現場勘察，并分別依據工程地質分析和室內試驗參數兩種方法分別構建地質模型，并對穩定性分析和變形結果進行對比分析，形成的主要結論如下：

a）在邊坡穩定性分析中，工程地質條件的調查是重中之重，無論何種分析方法，都涉及地質模型構建問題（邊坡的幾何形狀、物理邊界、變形特征和力學參數），故采用合理的、針對性的勘察手段，取得準確的工程地質條件是穩定性分析的前提。

b）傳統極限平衡方法是在準確構建地質模型的基礎上，通過變形分析，確定邊坡變形范圍、破壞區域、運動模式，以穩定性系數為準繩，反算破壞面參數，最終為支擋結構計算提供依據。

c）基于室內試驗參數的模型計算結果顯示，邊坡的變形和破壞模式與所取參數變化敏感，有時甚至產生與現場不相符的變形特征或者破壞模式，室內試驗及地層分布構建的模型計算結果需與現場匹配，否則得到錯誤的結果。

d）室內固結排水三軸試驗顯示，粉土、泥巖強度與圍壓呈正相關關系，其應力-應變曲線呈現軟化及硬化特性取決于圍壓分界點200 kPa，低于200 kPa時為軟化型曲線，高于200 kPa時為硬化型曲線。構建地質模型時，應根據地層埋深，分別賦予本構模型和取值。

e）傳統極限平衡方法對現場變形特征、破壞模式和范圍需要有敏銳的洞察力；數值分析方法則對參數選取較為敏感，在實踐中，兩種方法相互對照，往往可以取得較好的效果，防止出現未能預見的破壞模式，造成工程失敗。