类土质边坡失稳机理分析与稳定性研究

李满意,周洪燕,魏燕珍,史　玲

(1.重庆市地质灾害自动化监测工程技术研究中心, 重庆　400042；2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都　610059；3.重庆邮电大学移通学院 管理工程系,重庆　401520)



类土质边坡失稳机理分析与稳定性研究

李满意1,2,周洪燕3,魏燕珍1,史玲1

(1.重庆市地质灾害自动化监测工程技术研究中心, 重庆400042；2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都610059；3.重庆邮电大学移通学院 管理工程系,重庆401520)

摘要：类土质边坡工程特性及稳定性明显区别于一般的均质土边坡和岩质边坡，实际生产项目中，工程技术人员多将其视为一般的均质土边坡进行勘察、设计，造成了设计浪费或设计失败，因此对类土质边坡变形的地质力学模式及失稳机理的研究具有实用价值。以重庆市合川区狮滩镇洞堂湾边坡为地质原型，在对边坡赋存的地质环境条件、边坡的坡体结构特征、变形破裂特征分析的基础上，得出该类边坡变形的地质力学模型为渐进后退式蠕滑-拉裂；边坡失稳机理分析结果表明该边坡多发生在暴雨或持续降雨期间，有一定的滞后特征，边坡失稳多受坡体中倾外的缓倾结构面及陡倾的裂隙面控制。最后采用平面滑动法对该边坡进行稳定性分析和评价，计算结果与边坡的变形破裂特征基本相互吻合。

关键词：类土质边坡；洞堂湾边坡；地质力学模式；失稳机理；稳定性评价；重庆合川区

1研究背景

重庆地区出露的自流井组岩组以泥质砂岩、粉砂质泥岩及砂质泥岩等软岩为主，该岩组具有全—强风化的特性，即所谓的类土质边坡[1-5]。根据笔者近年来对重庆地区发生多处类土质边坡失稳事例的总结，此类边坡具有类土质、浅表层、规模小(危害严重)、渐进式和边坡失稳的后缘通常在坡体的中后部等共同特征。类土质边坡工程特性及稳定性明显区别于一般的均质土边坡和岩质边坡，然而，现行规范中对边坡稳定性评价多针对于岩质边坡和土质边坡，对类土质这种过渡型边坡的稳定性评价方法较少。在实际生产项目中，设计人员多将该类边坡视为一般均质土边坡或岩质边坡进行处理，这类边坡的失稳模式往往不是土质边坡的圆弧形破坏，而是近似于产生受结构面控制的平面形破坏。设计人员在没有弄清楚坡体结构特征、边坡变形的地质力学模式和失稳机理的情况下，盲目地进行支护设计，这势必造成支护结构或可靠性不足，或偏于保守[1,6-8]等问题。

本文以重庆合川区洞堂湾边坡为典型实例，根据该边坡的坡体结构及变形破坏特征，结合边坡所赋存的地质环境条件，从类土质边坡的风化层、裂隙性及时间效应对该边坡变形破裂的地质力学模式及边坡失稳机理进行分析，在此基础上对该边坡稳定性现状进行分析和评价，并以此为依据，提出边坡相应的加固措施，对确保边坡下方厂矿的安全具有一定的工程指导意义，同时为同类工程提供参考。

2边坡的地质环境条件和基本特征

2.1地质环境条件

边坡所在的区域属构造剥蚀型低山地貌，系一条北东-南西走向的条状山体，呈现出中部高、东、西两侧低的特点。地形坡度一般20°～30°。边坡两侧边缘为冲沟，左右两侧双沟同源，且边坡以沟为界。边坡出露的主要地层为为侏罗系中下统自流井(J1-2zl)中段暗紫红色砂质泥岩、灰白色砂岩不等厚互层，岩层产状315°∠72°，根据勘探成果并结合地面调查，全风化层厚度8.0～12.0 m。边坡前缘由于修建工业用房对边坡坡脚进行开挖，破坏了斜坡的原始平衡状态，这为边坡失稳提供了临空条件，边坡坡脚虽采用条石挡墙支挡，但局部已发生外倾变形。

2.2边坡形态特征及规模

洞堂湾边坡位于富玖建材厂厂房后缘，边坡平面形态呈不规则扇形，前缘宽115.0 m，后部宽35 m，坡向69°；坡度26°～35°，坡长55 m，面积约4 000 m2，全风化层厚度8.0～12.0 m，体积约4.0×104m3。据现场调查，结合该边坡的变形破坏迹象，洞堂湾边坡沿泥岩全—强风化线内部发生渐进后退式破坏(溜滑体即说明这一破坏模式)，属于小型类土质边坡。

目前，无明显剪出口。边坡后缘最大高程为325.0 m，前缘潜在剪出口高程289.0 m，最大相对高差36.0 m(见图1)。据现场调查及前缘开挖坡脚后基岩露头揭露，边坡表层土体薄，基岩露头的岩层产状与稳定基岩的产状存在一定的差异，这说明边坡存在一定的蠕变特征。根据边坡的坡体结构特征并结合变形破裂迹象，推测该边坡是由于坡体前缘开挖坡脚，加之持续暴雨而形成的，失稳方向N18°～25°E。

图1　边坡工程地质剖面图Fig.1　Engineering geological profile of slope

2.3边坡体结构特征

该边坡为类土质边坡，其失稳的机理为渐进后退式沿全—强风化岩体内部发生蠕滑变形甚至逐级失稳。坡体结构特征根据地质调查及对钻探资料的分析。滑体物质主要由表层粉质黏土夹碎块石，以及紫红色全—强风化泥岩组成。全—强风化岩体表层存在一定的球状风化现象，遇水后可塑状，新鲜断面未现明显的层理结构。根据地质调查，并结合地表变形破裂特征分析，该边坡的潜在滑面在全—强风化泥岩内部；滑带土成分主要为全风化泥岩，根据边坡前部开挖后的基岩露头观察，滑带土手捻滑感强，质地松软，含膨胀性黏粒，遇水后崩解，呈可塑状，固结程度较其他岩体弱，重结晶不明显，抗风化能力差，该类岩土体浸水后强度明显降低。

3边坡变形破裂特征及失稳机理分析

3.1边坡变形破裂特征

据调查，该边坡所在区域常发生失稳，具有类土质、浅表层、规模小、渐进式和边坡失稳的后缘通长在坡体中后部的共同特征。该边坡在历史时期内就出现不同程度的变形，主要表现在：两侧出现可追踪性断续雁行式地表裂缝(图2)。

图2　侧缘继承性圈弧状下错台坎Fig.2　Successive arc-shaped steps on both sidesof the slope

坡体前缘陡坎临空面向临空方向发生一定的滑移，前缘出现鼓胀变形，前缘的条石挡墙局部发生外倾变形的现象；后缘发育多条可追踪性圈弧状张拉裂缝，分析是前缘牵引式变形而致，这类拉裂缝具有一定的拉裂-下错特征，坡体中后部具有明显的伴生错落陡坎。另外，坡体前缘虽出现多条地表裂缝，但未发现明显的剪出迹象(图3和图4)。

图3　挡墙受挤压发生外倾变形Fig.3　Toppling deformation of retaining wall causedby extrusion

图4　前缘基岩受挤压变形Fig.4　Deformation of the leading edge of bedrockcaused by extrusion

3.2边坡失稳机理分析

边坡的变形破裂特征及失稳机理取决于边坡的坡体结构特征、岩土体的工程特性等内部因素；降雨及坡脚不合理开挖等外部诱发因素亦起到较重要的作用。本文所研究的类土质边坡，其工程特性及稳定性明显区别于一般的均质土边坡和岩质边坡；如前述，边坡的岩体中含有膨胀性黏粒，以往的研究表明，此类岩体具有遇水膨胀、失水干缩龟裂的特征，这是边坡产生陡倾裂隙面(隐伏陡倾裂隙面)的原因之所在。

该类岩体的工程地质问题主要是膨胀性软岩遇水后产生陡倾裂隙面；由于其膨胀性、裂隙性和湿化性引起的岩土体遇水后工程特性恶化，岩土体抗剪强度显著降低，从而导致边坡失稳。以往的研究表明，此类边坡岩土体由原岩风化而来，既保留着部分原岩的结构面，边坡具有一定的自稳能力；同时，边坡又在风化过程中坡表形成隐伏的陡倾裂隙面，这为地表水的渗入提供了通道，对类土质边坡的变形甚至失稳起着关键的作用。在暴雨或持续降雨季节，大量的雨水直接沿坡体裂隙面(隐伏裂隙面遇水后变为裂隙面)渗入坡体内部，使裂隙面(隐伏裂隙面)张开，从而引起边坡岩土体强度骤减，同时，水对边坡的软化效应及饱和加载效应，边坡极有可能发生失稳[6，8-9]。

图5　边坡变形的地质力学模式及失稳机理Fig.5　Schematic diagram of geomechanical mode and instabilitymechanism of slope deformation

通过对重庆地区类土质边坡失稳机理的分析可知，该边坡多发生在暴雨或持续降雨期间，有一定的滞后特征，边坡失稳多受坡体中倾外的缓倾结构面及陡倾的裂隙面控制。如上所述，坡体上陡倾裂隙面(隐伏裂隙面)为地表水渗流的重要通道，降雨期间，陡倾裂隙面(隐伏裂隙面)充水，裂面逐渐张开，岩土体颗粒的黏结力减少甚至丧失。随着陡倾裂隙面的拉张加深，孔隙水压力逐渐升高，边坡岩土体遇水后强度降低；同时，随着陡倾裂隙面的拉张加深至潜在滑带位置，由于全—强风化岩体介质的差异效应，受弱透水基岩层的阻挡，在上覆全—强风化泥岩与下伏中风化泥岩接触面上形成径流带，进而产生扬压力，且随着坡表裂隙面的加深拉宽，扬压力逐渐增大；另外，缓倾结构面的逐渐贯通，由于水的软化效应，滑带土软化且强度降低甚至丧失，这将导致岩土体剪应力集中区转移至后侧岩土体，并使之发生前述类似的变形和破坏，最终导致相对缓倾的潜在滑面贯通；加之水入渗边坡后的饱水加载效应及软化效应，最终类土质边坡发生渐进后退式平面滑动，即：前缘块体先失稳，其后块体依次失稳[8-10]。

根据上述内容，结合水对边坡的饱水加载效应、软化效应、静水压力及扬压力效应，类土质边坡变形的地质力学机制为渐进后退式蠕滑-拉裂。其失稳机理大概可以概括以下4个阶段(如图5所示)。

(1) 降雨入渗阶段：由于类土质边坡中含膨胀性黏粒，岩体遇水后膨胀、失水干缩后龟裂，这使得边坡产生了与坡面近垂直的裂隙面或隐伏裂隙面。在降雨补给的过程中，隐伏裂隙面张开，裂隙面加深拉宽；雨水沿着裂隙面下渗，一方面由于水的软化效应，降低了边坡岩土体的的抗剪强度，另一方面坡体内孔隙水压力不断增大。

(2) 边坡恶化阶段：根据有效应力原理分析，当岩土体内孔隙水压力增大时，其有效应力迅速减少；由于陡倾裂隙面的加深(至潜在滑面位置)拉宽，雨水沿着裂隙面下渗至潜在滑带位置，由于风化后岩体的差异，受下覆弱透水中风化泥岩的阻挡，在潜在滑带处形成径流带，进而产生扬压力，且随降雨时间不断增强。同时，陡倾裂隙面充水深度增高，这使得静水压力不断增大；边坡由于受饱水加载效应、扬压力效应及静水压力效应，稳定性开始恶化。

(3) 局部失稳阶段：随着降雨的不断入渗，陡倾裂隙面不断加深拉宽，潜在滑面逐渐贯通；由于水的软化效应，滑带土饱水软化且强度降低甚至完全丧失；加之静水压力、扬压力的不断增大，边坡前缘A块体与后缘B块体形成拉陷槽且不断拉宽，最终A块体发生失稳。

(4) 整体失稳阶段：随着拉陷槽的不断加深拉宽，导致A块体失稳，边坡前缘B块体具有一定的临空条件，由于阶段(2)所述的效应，使之发生阶段(3)类似的变形和破坏，最终导致相对缓倾的潜在滑面贯通，类土质边坡发生渐进后退式平面滑动，即：前缘块体先失稳，其后块体依次失稳。

4边坡稳定性评价与预测

4.1定性分析

根据该类土质边坡的坡体结构特征、变形破裂特征对边坡稳定性进行定性分析。经综合分析认为：该边坡在天然状态下处于基本稳定状态；在暴雨或持续降雨下处于欠稳定—不稳定状态。预测该边坡在不利工况下将发生大规模的失稳。

4.2定量计算

4.2.1计算模型及计算原理

为进一步分析边坡的稳定性，笔者在本文选取的类土质边坡的坡体结构特征、变形破裂特征及变形的地质力学机制及失稳模式分析的基础上，对该边坡进行稳定性评价。结合图5中的失稳机理分析，现基于极限平衡理论，采用平面滑动法对边坡进行稳定性计算，计算模型如图6[11]所示。

图6　稳定性计算模型Fig.6　Stability calculation model

图6中Pi为第i条块的推力，Pi-1为第i条块的剩余下滑力，Wi为第i条块自重标准值与附加荷载之和，单位均为kN/m。

稳定性系数计算公式为

其中：

式中：K为稳定系数；n为条块个数；Ri，Ti分别为第i条块的抗滑力和下滑力(kN/m)；Di为第i条块所受的动水压力(kN/m)；Qi为第i条块所受的地震力(kN/m)，Qi=ζeWi，ζe为水平地震力系数；ψj为第i条块剩余下滑力传递至第i+1条块时的传递系数(j=i时)；Wi为第i条块自重标准值与附加荷载之和(kN/m)；ci，φi分别为第i条块土的黏聚力(kPa)和内摩擦角(°)；li为第i条块滑动面长度(m)；γw为水的重度，取10 kN/m3；hi为第i条在地下水位面至河(库)水位面范围内的高度(m)；αi为第i条块滑面倾角(°)，滑面反倾时取负值；βi为第i条块地下水流线平均倾角(°)。

4.2.2计算参数及计算工况选取

根据室内试验成果，并结合对已发生垮塌区进行反演和同类工程类比进行综合取值(表1)。

表1　岩土体力学参数

4.2.3计算结果及分析

对该类土质边坡稳定性计算时，暴雨或持续降雨工况采用降低岩土体抗剪强度指标(c,φ)，增大其重度(γ)进行计算。

通过稳定性计算(表2)，并结合《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)表5.3.1及表5.3.2相关规定表明，该边坡在天然状况下处于基本稳定状态；在暴雨或持续降雨工况下处于欠稳定—不稳定状态；稳定性计算成果也反映出类土质边坡在天然条件下自稳能力较好，其稳定性的决定性因素为暴雨或持续降雨。

表2　各工况下边坡稳定性系数

定性分析和定量计算基本相吻合。可以预测到，该边坡在暴雨或持续降雨工况下发生局部失稳,甚至会发生整体失稳。

5结论及建议

(1) 重庆地区出露的自流井组岩组形成的边坡易发生失稳，该类边坡失稳具类土质、浅表层、规模小(危害严重)、渐进式和边坡失稳的后缘通常在坡体中后部的共同特征。

(2) 类土质边坡变形的地质力学机制为渐进后退式蠕滑-拉裂。其失稳机理经历降雨入渗、边坡恶化、局部失稳、整体失稳4个阶段。

(3) 本文以洞堂湾边坡为例，结合该边坡的坡体结构特征及变形破裂特征对该边坡进行稳定性评价，结果表明，边坡在天然条件下处于基本稳定状态，在持暴雨或持续降雨等不利工况下处于欠稳定—不稳定状态。

(4) 稳定性计算成果也反映出类土质边坡在天然条件下自稳能力较好，其稳定性的决定性因素为暴雨或持续降雨。

(5) 建议对该边坡采取“格构护坡+护脚墙+地表截排水”的防治措施，从而确保边坡坡脚位置厂矿及公路的安全。

参考文献：

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(编辑：赵卫兵)

Instability Mechanism and Stability Analysis of Soil-like Slope

LI Man-yi1,2, ZHOU Hong-yan3, WEI Yan-zhen1, SHI Ling1

(1.Chongqing Engineering Research Center of Automatic Monitoring for Geological Hazards, Chongqing 400042, China; 2.State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu610059, China; 3. Management Engineering, College of Mobile Telecommunications, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing401520, China)

Abstract:The engineering properties and stability of soil-like slope obviously differ from those of homogeneous soil slope and rock slope. In actual construction projects, soil-like slopes are regarded as general homogeneous soil slope and rock slope, resulting in inadequate reliability, or conservative support. Research on the geomechanical model and instability mechanism of soil-like slope is of practical significance. In this paper, Dongtangwan slope in Hechuan district of Chongqing is taken as a geological prototype to analyze the geological conditions, structural features, and deformation behaviors of the slope. Results reveal that the geomechanical model is progressive backwards creep slide-tension fracture; instability analysis shows that the failure of soil-like slope usually happens in storm or continuous rainfall, with some lag in time, and the instability is mainly controlled by the gently-inclined structural planes and steep-inclined fissure planes. Furthermore, the slope stability is analyzed and evaluated based on plane sliding mode. The calculation results are consistent with the deformation characteristics of the slope.

Key words:soil-like slope; Dongtangwan slope; geomechanical model; instability mechanism; stability assessment; Hechuan district of Chongqing

中图分类号：P642.22

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)05-0111-05

doi:10.11988/ckyyb.201501402016,33(05):111-115

作者简介：李满意(1986-),男,安徽砀山人,工程师,硕士,主要从事岩土体稳定性评价及地质灾害防治等方面的生产及研究工作，(电话)15213097163 (电子信箱)562365608@qq.com。

收稿日期：2015-02-25;修回日期：2015-03-25