不同交界面对二元结构边坡破坏影响试验研究

梅 林，王述红，佟可蕙，蔡 智

（东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819）

边坡稳定性一直是岩土工程研究的热点问题，许多专家学者对边坡的失稳机理进行了深入研究。王伟［1］等人对均质土边坡的稳定性进行分析，随着荷载的增加，土体损伤逐渐增大，坡顶和斜坡面处损伤较大，坡顶的竖向位移大于侧向位移，坡底处侧向位移大于竖向位移。徐金明［2］等对层状土坡进行细观模拟，指出靠近坡脚处的竖向应力小于土坡内部的竖向应力。王述红［3-5］等对岩质边坡的研究发现，关键块体控制边坡稳定性。

对于实际工程中广泛存在的二元结构边坡却少有人研究，Chen Zhenlin［6］等研究了岩质二元结构边坡动态响应机制，通过调查能量分布原理显示接合处的影响在边坡稳定中具有重要作用。唐晓松［7］研究上软下硬的堆积层二元结构边坡破坏时上部发生旋转滑移，下部土体沿土岩分界面发生滑移破坏。对于二元结构边坡，一般将上土下岩或上硬下软岩层边坡按照二元结构边坡考虑，但是上下不同土层的边坡也应按照二元结构边坡考虑。倪武杰［8］将二元结构边坡归入土质边坡范畴，把土质边坡分为均质土边坡、层状松散土边坡、二元结构边坡三类；赵波［9］通过强度折减法找到上下不同土层二元结构边坡黏聚力和内摩擦角的比值临界值对边坡滑动面的影响。本文通过物理模型试验研究静载作用下不同上下土层交界面对二元结构边坡破坏形式的影响，并运用有限差分软件数值模拟，验证并数值再现了二元结构边坡破坏过程，分析了二元结构边坡破坏机理。

1 静载模型试验设计

模型试验主要用于观察二元结构边坡在静载作用下的破坏过程和二元结构交界面与边坡破坏之间的关系。

1.1 试验装置

本次物理模型试验模型箱采用有机玻璃制作，防止在荷载作用下模型箱外鼓，在模型箱外侧用三道角钢加固，为了减少内壁摩擦对试验的影响，在内壁涂抹润滑剂并覆盖塑料薄膜。模型箱尺寸1.6m（长）×0.25m（宽）×1.2m（高）。

1.2 试验方案设计

1.2.1 试验材料

滑坡模型相似材料具有低弹模、高重度、低黏聚力和较低的内摩擦角等特点，程圣国、曹玲［10-12］等对滑坡相似材料进行了深入的研究，重晶石粉能较好的模拟软土滑坡。本文物理模型为上下不同土层的二元结构边坡，上层土体所用材料及配比，沙∶重晶石粉∶双飞粉=3∶1∶1；下层土体所用材料及配比，沙∶重晶石粉∶黏土∶水=5∶2∶3∶0.6。为了减小粒径效应的影响，所用材料粒径均小于1mm。通过三轴压缩试验测定各土层物理力学参数见表1。

表1 上下土层主要物理力学参数

1.2.2 试验加载

常用的模型加载方式有离心加载和重力加载，本次试验采用重力加载。在模型顶部放置垫板，在垫板上面均匀放置重力铁块，每次施加均布荷载3kN／m2，直至模型破坏，施加每级荷载之间间隔1h。

1.2.3 位移监测

在坡体内布设8排测点，每排4个，测点间距10cm。上层土体为白色，用红色测点；下层土体为深灰色，用白色测点，用数码相机记录不同荷载作用下测点的位移大小及运动方向，通过模型破坏特征及测点的位移信息来分析边坡的破坏机理。

根据上下土层交界面的形式，模型分为水平、顺倾（倾角12°）、逆倾（倾角15°）、上凸（顶点高于其他两端连线20cm）和下凹（顶点低于其他两端连线20 cm）五种形式。图1为顺倾二元结构边坡模型。

图1 顺倾二元结构边坡模型

2 静载模型试验结果

2.1 测点位移分析

由于篇幅所限，本文仅对顺倾模型进行详细介绍，其他几组模型进行对比分析。随着荷载的增加测点位移逐渐增大，靠近坡顶处受荷载影响大位移也大，远离坡顶处，受荷载影响小位移较小。同一排测点从坡面到边坡内部位移逐渐增大，与水平面的夹角逐渐增大。边坡中部测点的移动轨迹平行坡面，测点位移方向如图2所示。

图2 坡体测点位移方向图

在荷载作用下，坡顶处竖向位移最大，随着荷载增大，竖向位移增量速率变小，水平位移增量速率变大。滑裂面出现之前，靠近坡面测点位移小于坡体内部测点位移，并随着内部深度的增加位移逐渐增大。滑裂面出现之后，在滑体上的测点随着荷载的增加，位移非线性增加，非滑体上的测点随荷载的增加位移线性增加。

2.2 边坡破坏分析

随着荷载的增加，在交界面上部出现裂缝，继续增加荷载，裂缝以不规则的形式向坡顶延伸，直至与边坡顶面相交。滑体位移随着荷载非线性增加，在最先开裂处出现明显的剪出口。当滑裂缝贯通那一刻，边坡并未立即破坏，李亚生［13］等人认为，在未加固的边坡失稳破坏过程中，岩土体必须先形成贯通的塑性区，若只是塑性区贯通了，但其周围的土体仍处于弹性阶段的话，将会限制塑性应变的进一步发展，那么就意味着边坡的失稳破坏不一定就是沿着塑性屈服区产生滑动。

边坡发生滑坡的主要特征是滑体从稳定体脱离，沿着滑动面发生滑移。滑体和稳定体的分界面定义为临界滑动面。这里需要指出的是稳定体包括没有发生位移的稳定体和位移未超过临界值的稳定体两部分。边坡岩土体变形只有超过临界值后，才能产生滑裂破坏。当某区域岩土体的位移大于临界值时，就可以认为这一区域为滑体［14］。

在荷载作用下，物理模型坡顶发生了较大沉降，在上下土层交界面处轻微隆起，在坡面上出现了较浅深度的滑移，位移测点和滑裂面如图3所示，图中裂缝位置所在的平面为滑裂面，滑体沿着滑裂面向下移动，说明边坡的破坏形式是浅表层剪切-拉裂破坏。边坡的滑体和未发生移动的稳定体占模型的较小部分，大部分是位移未超过临界值的稳定体，从坡面到边坡内部，土体的稳定程度越来越高。

图3 边坡浅表层滑动图

2.3 不同交界面形式破坏对比分析

边坡的破坏形式很大程度上取决于坡体内结构面的状态、形状和空间分布，其组合形式不同，坡体的变形破坏特征也各不相同。五个物理模型破坏特征对比，相同点：（1）边坡滑动都是浅表层剪切-拉裂破坏；（2）坡顶主要发生垂直位移，坡底主要发生水平位移；（3）在滑体后缘出现陡倾拉裂面，滑体底部出现缓倾剪出口。不同点：（1）顺倾和上凸模型的滑动面未通过上下土层交界面，其他三种模型的滑动面均通过交界面；（2）顺倾和上凸模型破坏由单滑动面控制，其他三种模型破坏由双层滑动面控制；（3）顺倾和上凸模型滑体较完整，其他三种模型的滑体出现不同程度的破裂，下凹模型滑体的破裂程度最大；（4）虽然都是浅表层破坏，但上层土体滑裂面的深度不同，顺倾模型滑裂面最深，逆倾模型滑裂面最浅；（5）下层土体剪出口的角度下凹模型较陡，水平模型次之，逆倾模型较缓。五个模型的滑裂面均未通过边坡坡角，这是二元结构边坡与均质土坡破坏的不同点之一。

滑裂面通过交界面的模型首先在交界面处出现裂缝，随着荷载的增加，裂缝逐渐变宽，并向下延伸至下部剪出口。交界面处裂缝并未向上延伸，而是在交界面上部出现了剪出口，裂缝是从剪出口向上延伸至坡顶，形成上下两个剪出口。交界面形式不同，交界面上裂缝距坡面的距离亦不同，下凹形式的裂缝距坡面较近，逆倾形式的裂缝距坡面较远。边坡下部受力大，下部剪出口位移大于上部剪出口位移，从下部剪出口剪出破坏。

3 数值试验

考虑到本次研究的重点是讨论二元结构交界面对边坡破坏形式的影响，作为物理试验的验证和补充，本文提出，利用数值模拟软件开展系列模拟再现，FLAC3D具有很强的解决复杂力学问题的能力，在岩土体的渐进破坏和岩土体材料的变形局部化剪切带的演化模拟研究方面有其自身的优势［15］。

3.1 建立模型

顺倾交界面数值模拟模型边界条件和模型网格如图4、图5所示。固定边坡底部，约束边坡前部和后部边界水平向位移，坡顶布置均布荷载，且荷载以3kN／m2逐级增加，本构模型选用摩尔—库伦塑性模型，对应强度准则为摩尔—库伦强度准则。

3.2 数值模型破坏分析

图6为顺倾模型网格单元在荷载作用下的受力状态，从物理模型试验可以看出，边坡的破坏形式为浅表层剪切-拉裂破坏。在交界面上部边坡浅表层的单元体受到拉力，而其他单元体不受拉力。数值模型试验的单元体受力状态及所受拉力范围同物理模型试验结果具有较好的一致性。

图4 模型边界条件及监测点位置

图5 顺倾模型网格

图6 顺倾模型网格单元受力状态

根据物理模型试验中坡体内位移测点的位置，在数值模型相应位置布置位移监测点，记录不同荷载下计算的位移值。

图7、图8为顺倾模型靠近坡面测点X、Y方向不同荷载下监测位移对比图。由图7、图8可以看出，边坡中部X向位移最大，Y向位移与X向位移相近，可以推断出测点移动的方向近乎平行坡面；边坡顶部X向位移最小，Y向位移最大；边坡底部X向位移大于Y向位移。与物理模型坡顶主要发生垂直方向位移，坡角主要发生水平方向位移的破坏形式相一致。

图7 顺倾模型靠近坡面测点X方向位移图

图8 顺倾模型靠近坡面测点Y方向位移图

通过第四排测点在不同荷载下的X、Y方向位移图9、图10可以看出从边坡坡面向坡体内部X方向位移略有减小，Y方向位移显著增加，测点的运动轨迹与水平面的夹角从坡面向内部逐渐增大。

图9 顺倾模型第四排测点X方向位移图

对于不同交界面的五个模型，上层土体取5-1测点（五个模型相同编号测点具有相同坐标，五个模型的5-1测点均处于上层土体内），下层土体取测点2-1（五个模型的2-1测点均处于下层土体内）进行对比分析，2-1测点和5-1测点位置如图4所示。图11、图12为2-1测点X、Y方向位移对比图，图13、图14为5-1测点X、Y方向位移对比图，交界面对下层土体X方向位移影响甚微，Y方向位移较小；对上层土体X方向影响较小，Y方向影响较大。综合判断，顺倾交界面对下层土体测点Y方向位移影响最大，下凹交界面对上层土体测点Y方向位移影响最大。

图10 顺倾模型第四排测点Y方向位移图

图11 五个模型2-1测点X方向位移对比图

图12 五个模型2-1测点Y方向位移对比图

图11～图14中水平、顺倾、逆倾、上凸、下凹分别对应交界面为水平模型、顺倾模型、逆倾模型、上凸模型、下凹模型。

由五个模型的位移对比图可以看出，不同交界面对测点X方向位移影响较小，不同荷载下测点X方向位移比较接近，但对测点Y方向位移影响较大。对五个模型2-1测点Y方向位移影响顺序从大到小为顺倾、水平、上凸、逆倾、下凹；对五个模型5-1测点Y方向位移影响顺序从大到小为下凹、顺倾、水平、上凸、逆倾。

图13 五个模型5-1测点X方向位移对比图

图14 五个模型5-1测点Y方向位移对比图

简化交界面为一条直线，不考虑交界面位置对边坡稳定性的影响，以中点O为分界点，直线分为OA、OB两部分，OA、OB转角为θA、θB，设定θA、θB顺时针转向为正、逆时针转向为负，如图15所示，表2为各交界面的水平转角。

表2 各交界面水平转角

转角综合累计水平转动0°、顺倾转动24°、逆倾转动-30°、上凸转动0°、下凹转动-9°，与对2-1测点Y方向位移影响顺序相似；若以θA、顺时针转向为正、θB逆时针转向为正，转角综合累计水平转动0°、顺倾转动0°、逆倾转动0°、上凸转动-44°、下凹转动45°，与对5-1测点Y方向位移影响顺序相似。通过对交界面转角大小和方向的分析，初步推断以中点O为基点，OA、OB顺时针旋转角度越大，对下层土体Y方向位移影响越大；OA顺时针，OB逆时针旋转角度越大，对上层土体Y方向位移影响越大。

图15 不同交界面简化图

4 结 论

通过物理模型试验和数值模拟试验研究了不同交界面形式对二元结构边坡破坏的影响得到如下结论：

（1）随着荷载的增加，边坡的破坏形式为浅表层剪切-拉裂破坏。

（2）随着荷载的增加测点位移逐渐增大，靠近坡顶处受荷载影响大位移也大，远离坡顶处，受荷载影响小位移较小。同一排测点从坡面到边坡内部位移逐渐增大，与水平面的夹角逐渐增大。边坡中部测点的移动轨迹平行坡面。

（3）顺倾和上凸交界面边坡模型滑裂面未穿过交界面，水平、逆倾、下凹交界面边坡模型滑裂面穿过交界面，五种模型的滑动面均未通过坡角。不同交界面形式影响滑体的破裂程度及剪出口倾角等。

（4）顺倾和上凸交界面边坡模型的破坏形式由单滑动面控制，水平、逆倾、下凹交界面边坡模型的破坏形式由双层滑动面控制。

（5）对不同交界面形式对上下土层位移的影响做了初步推断，把交界面简化成直线，以中点O为基点，直线分为OA、OB两条线段，OA、OB顺时针旋转角度越大，对下层土体Y方向位移影响越大；OA顺时针，OB逆时针旋转角度越大，对上层土体Y方向位移影响越大。

［1］王 伟，王中华，许芝娟，等.荷载作用下黏性土坡位移场应变场分 析［J］.岩 土 力 学，2011，32（11）：3263-3268.

［2］徐金明，谢芝蕾，王国珍.层状土坡稳定性的细观模拟［C］／／城市地质环境与可持续发展论坛论文集.北京：中国统计出版社，2010.

［3］王述红，张 航，张艳桥，等.随机结构面切割岩质边坡空间块体模型及关键块体分析［J］.东北大学学报，2011，32（3）：341-344.

［4］王述红，饶文杰，关祥祥，等.复杂岩体边坡关键块体搜索及开挖支护［J］.东北大学学报，2013，34（7）：1017-1021.

［5］Wang Shuhong，Ni Pengpeng.Application of block theory modeling on spatial block topological identification to rock slope stability analysis［J］.International Journal of Computational Methods，2014，11（1）：903-914.

［6］Chen Zhenlin，Xu Qiang，Hu Xiao.Study on dynamic response of the ‘Dualistic’structure rock slope with seismic wave theory［J］.Journal of Mountain Science，2013，10（6）：996-1007.

［7］唐晓松，郑颖人，唐辉明.边坡变形破坏演化特征的数值分析［J］.重庆大学学报，2013，36（10）：101-113.

［8］倪武杰.土质边坡破坏机理及稳定性研究［D］.西安：长安大学，2010.

［9］赵 波，王保田，崔建娜，等.基于强度折减法的二元结构边坡潜在滑动面位置分析［J］.水利与建筑工程学报，2014，12（2）：100-104.

［10］程圣国，吴 剑，朱乔森.滑坡模型相似材料组成试验研究［J］.水电科技进展，2003，（2）：1-4.

［11］程圣国，罗先启，刘德富，等.三峡库区滑坡地质力学模型试验技术研究［J］.水利水电技术，2005，36（6）：36-38.

［12］曹 玲，罗先启，程圣国.千将坪滑坡物理模型试验相似材料研究［J］.三峡大学学报，2007，29（1）：37-39.

［13］李亚生，周翠英，张惠明.基于位移突变判据的强度折减法边坡稳定分析［J］.人民黄河，2012，34（2）：146-148.

［14］张 科，曹 平.基于变形分析的3维边坡滑动面搜索新方法［J］.四川大学学报，2012，44（6）：55-60.

［15］陈育民，徐鼎平.FLAC／FLAC3D基础与工程实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2013.