延安市阳崖黄土边坡开挖破坏离心模拟试验研究*

贾　杰　裴向军　谢　睿　贾　俊　贺　密

(①地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)　成都　610059) (②中国地质调查局西安地质调查中心　西安　710054)



延安市阳崖黄土边坡开挖破坏离心模拟试验研究*

贾杰①裴向军①谢睿①贾俊②贺密①

(①地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)成都610059) (②中国地质调查局西安地质调查中心西安710054)

人工开挖是黄土地区滑坡形成的主要诱发因素之一，开挖导致斜坡一定范围内产生卸荷回弹和应力重分布，斜坡应力重新平衡的过程伴随着斜坡形变，甚至破坏。延安市宝塔区枣园镇阳崖滑坡为典型开挖诱发的黄土边坡，本文选取阳崖滑坡为地质原型，采用TLJ-500大型土工离心机对边坡坡脚开挖状态下变形破坏过程进行模拟试验，通过对模型控制点监测数据分析，研究边坡坡脚开挖前后坡体形变位移特征、坡体内部土压力响应特征以及边坡变形破坏机理。结果表明：坡脚开挖后临空面附近产生局部垮塌，其坡体位移、潜在滑移面以及拉张裂缝均由坡体前缘往后部渐进性变化发展。开挖后坡体内部产生明显的应力松弛，且越靠近开挖面卸荷效应越明显，开挖主要影响坡体的中前部分，对坡体后部影响较小甚至无影响，分析得知坡体变形破坏机理为典型的渐进后退式。

开挖黄土边坡离心模拟试验变形破坏机理

0　引　言

随着我国社会经济的快速发展以及人口规模的迅速膨胀，黄土地区城镇建设规模逐步加快，对建设用地的数量提出了更大的需求，工程建设与黄土地质灾害之间的矛盾日益突出，修渠建路、挖取建筑材料等人工开挖改变了斜坡自然边坡形态，严重破坏了地质环境的力学平衡，常会引起滑坡，人工开挖诱发黄土边坡失稳现象屡见不鲜(雷祥义， 2001； 徐张建等， 2007)。边坡坡脚开挖造成开挖面范围内岩土体发生卸荷回弹，引起应力重分布和应力集中等效应，开挖导致坡体内部应力平衡体系被打破，应力调整和重新平衡的过程伴随着斜坡形变，甚至产生失稳破坏(张茂省等， 2011； 陈春利， 2012)。

离心模拟试验根据重力场和离心力场等效的原则，针对自重应力场改变所产生的形变位移和应力改变，离心模型具有保持与原型应力应变相同的优点(濮家骝， 1996； 包承纲等， 1998； 王庚荪， 2000)。在模拟开挖对边坡的变形影响、破坏过程、变形机制等研究方面逐步为广大学者和工程技术人员接受并应用(高长胜等， 2005；牟太平等， 2006； 姚裕春等， 2006；刘悦等， 2007； 张嘎等， 2008； 龚成明等， 2010； 李明等， 2011)。本文选取延安市宝塔区枣园镇阳崖滑坡为地质原型，采用离心机模拟试验客观再现阳崖滑坡的开挖→变形→破坏动态全过程，通过对模型边坡内部所布设控制点位移、土压力传感器监测数据的分析，探索研究边坡坡脚开挖前后坡体形变位移特征、坡体内部土压力响应特征以及边坡变形破坏机理。研究结果为开挖诱发的黄土滑坡形成机理研究提供了一定的物理模拟技术数据。

1　地质原型概述

阳崖滑坡地处陕西省延安市枣园镇阳崖村，属延安市宝塔区城郊镇之一，位于延安城西北7.5km处，省道303与黄延高速贯穿其中，交通便利。阳崖滑坡发育于枣园镇阳崖村冲沟右岸，因坡体前缘坡脚不当开挖引发滑坡沿老滑坡滑面的滑动，属于典型的人工开挖诱发的黄土中小型滑坡。

阳崖滑坡在平面上近似“钟”形，主滑方向为130°，坡体上可见滑体下错形成的陡坎，坡体冲沟发育，灌木及蒿草茂盛，滑坡后缘高程约1100m，前缘至阳崖村冲沟外缘。滑体长160m，宽120m，平均厚度10m左右，面积1.9×104m2，体积2.0×105m3。滑坡为黄土层内滑坡，由晚、中更新统黄土组成，灰黄-浅黄-黄褐色混杂，可塑-硬塑，节理发育，土质略疏松，经滑动后，土质显得更为疏松破碎，表面见多条拉裂缝。黄土覆盖于侏罗纪岩层上，岩层由灰白-灰色砂岩泥岩互层组成，坚硬，近水平产状。图1 为现场实测剖面图。

图1　阳崖滑坡剖面图Fig. 1　Profile of the Yangya landslide

2　离心模拟试验

2.1试验原理

土工离心模型试验是用原材料或相似材料根据相似原理及相似比制成模型，由于离心惯性力与重力等效的原理，故将土工模型置于高速旋转的离心机中，通过离心力的作用使模型达到与原型相同的应力状态，这样就能够再现土体在自重应力场下有关的变形发展过程，能够很好地模拟边坡破坏的全过程。

2.2离心模型与方案设计

本次离心模拟试验采用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的TLJ-500大型土工离心机，其主要性能指标(表1)。选取枣园镇阳崖滑坡为地质原型进行离心模拟试验，主要模拟开挖诱发边坡失稳破坏过程。选定试验模型比尺n=80，模型规格为长×宽×高=1.0m×1.0m×0.75m，模型尺寸(图2)。

表1　离心机主要技术性能指标Table 1　Main technical indices of geotechnical centrifugal test

离心机容量/g·t有效半径/m离心加速度/g加速度稳定度/%FS(12h)吊斗设计空间/m×m×m500410～250±0.51.5×1.3×1.5

表2　阳崖滑坡原状黄土物理力学特性指标Table 2　Physical property indexes of undisturbed loess of the Yangya landslide

取样地点天然含水率/%天然密度/g·cm-3土粒比重孔隙比塑限/%液限/%c/kPaφ/(°)阳崖滑坡8.81.582.70.8615.728.127.125.9

图2　离心模型结构及尺寸图(单位：mm)Fig. 2　Structures and dimensions of centrifuge model test

模型材料： ①下部岩体材料以石膏，细砂及少量水泥为基材，按不同的配合比配制的混合材料为相似材料，通过多次配比试验，尽可能使岩体相似材料与原型材料满足相似比条件； ②上部滑体材料取用滑坡现场扰动土进行重塑，保证颗粒级配与物质成分与现场黄土一致。为使扰动土强度与现场强度一致，通过不同的干密度和含水率对扰动土进行配制，选取与现场原状土样最接近的含水率和干密度对模型进行重塑。参考现场原状黄土样所测得的强度参数(其物理力学特性见表2)，通过多次剪切试验最后得出重塑土样在干密度1.48g·cm-3，含水率8%时的强度参数与现场原状样强度参数最为接近； ③坡前开挖土体材料，由于机械手作用范围有限，不能达到整个断面开挖的效果，故将其预先置换成同等容重，同等坡型的材料块体，在试验中通过机械手臂的上提将预置块体拉出，以此来实现开挖，模型试验前如图3 所示。

图3　开挖前边坡的模型Fig. 3　Slope model before the excavation

堆放模型前在模型箱内侧贴上一层塑料薄膜，有机玻璃内侧涂上凡士林以尽可能减小侧壁摩擦带来的影响。为有效地观察土体位移变化情况，装样时预先埋入一些标志点，按一定间距排列，分层埋入形成网格，线与线之间的间距控制精度为5mm×5mm，并在有机玻璃面外侧贴上印有观测网格的透明薄膜以便读数。试验根据埋深不同选取不同量程的土压力传感器埋入坡内预定位置，其中土压力计1， 2， 3， 5， 6， 7为竖向放置，测量水平向应力，土压力计4， 8为水平放置，测量垂直向应力，传感器精度±1%FS，电源供电6～2VDC，输出电压0～2VDC，允许过载120%FS，使用温度0～45℃，具体(图4)。

图4　土压力传感器布置图(单位：mm)a.剖面布置图； b.平面布置图Fig. 4　Soil pressure sensor arrangement

试验模拟的过程(图5)： ①离心加速度从0g开始匀速增大到试验设计加速度值80g，旋转约10min； ②在设计加速度80g下对原始边坡进行固结，保持离心机匀速旋转2～3min左右； ③保持80g的设定加速值，使用机械手对边坡坡脚进行预定角度的开挖，模拟边坡开挖的过程，旋转约7～8min； ④坡体失稳变形并再度稳定后，离心机的加速度值由设计值逐步减速至静止，旋转约10min。

图5　离心机加速度历时图Fig. 5　The centrifuge acceleration last figure

3　离心模拟试验结果分析

3.1坡体整体位移分析

根据开挖前、后模型 (图3、图6)中标志点的位置 (图7)，然后绘出开挖后边坡位移的矢量变化图 (图8)。

图6　开挖后边坡的模型Fig. 6　Slope model after the excavation

图7　开挖前、后标记点位置(单位：mm)Fig. 7　Before and after the excavation markers in the position(Hollow points represent for“before excavation”，solid points represent for“after excavation”)空心点代表开挖前，实心点代表开挖后

图8　开挖后坡体位移变化矢量图Fig. 8　Slope position change vector diagram after the excavation

图8为开挖后坡体位移矢量变化。开挖前的固结过程中，坡体的变形主要以自重应力作用下的竖向变形为主； 随着坡脚的开挖，开挖处产生局部的垮塌，坡体中前部的位移矢量发生了明显的变化，从坡体内部往开挖面方向，位移矢量方向由竖直向下逐渐发展为与滑动面(根据模型位移控制点的位移监测数据和实验过程视频影像分析可得模型边坡失稳滑动面)的方向基本平行，而坡体中后部变形仍以竖向变形为主，说明坡脚开挖主要对开挖面附近区域的影响大，对坡体中后部影响较小甚至无影响。

图9　水平位移等值线图(单位：mm)Fig. 9　Horizontal displacement contour figure(unit： mm)

图9、图10显示了坡体开挖后水平和竖向位移的等值线图，由于坡脚的开挖，坡脚处水平围压的卸荷，使坡体产生明显变形，并在坡脚开挖处出现最大位移。从图9 可知：水平位移等值线密度从坡体内部到坡面由稀疏发展为密集，越靠近开挖面水平位移越大，最大值达到46mm，而从水平位移等值线为0处(坡体最左边虚线处)到坡体后部并无水平方向的位移。从图10 分析可知竖向位移等值线图在坡脚开挖处集中，最大值达到40mm，越往坡体内部越稀疏，与水平位移等值线的分布规律以及等值线由密到疏的转折带位置基本一致。

图10　竖向位移等值线图(单位：mm)Fig. 10　Vertical displacement contour figure(unit： mm)

根据水平、竖向位移等值线的疏密程度可以将坡体划分为主要影响区(位移等值线密集区)，过渡区(位移等值线稀疏区)和无影响区(无位移区)，如图中虚线划分的区域。坡体主要影响区是开挖影响的集中区域，区内开挖面附近坡体位移变化幅度大； 过渡区坡体位移变化幅度小，其主要是由于开挖面附近区域的大变形逐步引起的变化； 无影响区是坡体稳定的区域，开挖并未影响该部分坡体的变形。开挖并未影响整个坡体，主要集中影响坡体前缘位置。等值线图中由主要影响区到过渡区的转折带位置与滑动面的位置基本吻合。

3.2坡体控制点位移分析

参照图7，距离开挖面不同的水平距离选取a、b、c、d 4个控制点，以固结完成时刻(大约开挖前5min左右)控制点的位置为参照点，选取开挖过程中不同时刻的位置 (图11)，分析开挖过程中控制点水平和竖向位移的变化，得到图12、图13。

从图12 中可知，在固结过程中控制点的水平位移并无大的变化，大约在750s开挖之后，位于坡脚的控制点a水平位移首先迅速增大，其他控制点水平位移仍在缓慢变化，在开挖整个过程中a点水平位移最大值达到22mm，持续时间450s左右； 在760s左右位于坡体中前部的控制点d水平位移也迅速增大，但其变化率比a点的小，在开挖过程中水平位移最大值达到15mm，持续时间410s左右； 之后坡体中部的控制点b水平位移增大，在开挖过程中水平位移最大值达到10mm，持续时间350s左右； 在整个开挖过程中位于坡顶的c点水平位移几乎无变化。从坡体前缘a点到坡体后部d点，水平位移的变化值、变化率、持续时间依次减小。图13 中，各控制点竖向位移的变化规律和水平位移大致相似。

图11　坡体开挖变形发展过程图Fig. 11　Slope excavation deformation development process

图12　控制点水平位移变化Fig. 12　Horizontal displacements of control points

图13　控制点竖向位移变化Fig. 13　Vertical displacements of control point

分析坡体控制点在开挖过程的位移可知，开挖面附近的控制点在坡脚开挖后产生的水平位移与垂直位移同时产生且大小相差不大； 而坡体中前部的控制点在开挖后会先产生较大的垂直位移，而水平位移较小，随后水平位移逐渐增大； 坡体中后部的控制点产生的垂直位移则远大于水平位移。说明坡脚处土体较早受到开挖的影响，临空条件较好，故产生较大的向临空方向的水平位移，此时中后部土体主要为垂向位移，而坡体中后部的土体由于前部土体产生较大水平位移后发生松动，为其往临空面的位移发展提供了空间和条件，从而逐渐开始产生较大的水平位移，这是一个渐进的变化过程。同时潜在滑移面、拉裂缝的发展与坡体位移的发展过程大致一致的，也是从坡脚往坡体中后部逐渐发展的过程。坡体位移、拉裂缝以及潜在滑移面的发展变化过程是坡脚开挖诱发坡体变形的一个重要发展规律。

3.3坡体内部土压力分析

选取分别位于坡体剖面1和剖面2，距离开挖面不同距离的1、2、3和5、6、7以及4、8微型土压传感器，得到水平土压力变化曲线图(图14)，垂直土压力变化曲线图(图15)以及土压变化统计表(表3)。

图14　水平向土压力随时间变化曲线Fig. 14　Timely varying curves of horizontal soil pressure

图15　竖向土压力随时间变化曲线Fig. 15　Timely varying curves of vertical soil pressure

表3　土压力变化统计表Table 3　Statistics of the change of soil pressure

TP0P1ΔL土压力方向11221040.1593水平方向2106960.10118水平方向31101050.05200水平方向45485300.03200垂直方向538290.2458水平方向61281200.06153水平方向789890400水平方向83273040.0793垂直方向

表中T为土压力计编号；P0为初始土压力(kPa)；P1为开挖后下降后土压力值； Δ为土压力下降(%)；L为土压力计距开挖面水平距离(mm)

根据土压变化的曲线图，结合坡体控制点位移曲线可将滑坡的变形破坏过程大致分为4个阶段。第1阶段：各土压力随加速度的上升而匀速增大，直至500s左右加速度达到预定值保持不变，各土压力也保持稳定，对应滑坡开挖前的自然固结阶段，期间坡体位移以竖向固结位移为主，量值较小； 第二阶段：大约750s开挖时刻，各土压力出现了不同程度的下降，对应滑坡坡脚开挖阶段，说明开挖后坡体前缘出现短时间的卸荷现象，模型边坡坡体内产生了显著位移，位移量值大幅上升，模型边坡产生破坏； 第3阶段：各土压力均有一定程度的回升，对应坡体应力重新调整阶段，伴随土压力趋于稳定，模型边坡位移量逐步减小，位移变化量也趋于收敛； 第4阶段：各土压力开始趋于稳定值，对应坡体应力重新调整并达到一个新的平衡状态，坡体内部位移曲线几近水平，位移无明显增加。

从表3、图14 及图15 中可知，位于同一剖面且距离开挖面水平距离越小的点，开挖后土压力下降比越大，位移变化量也显著于距离坡表距离较远的监测点，说明位于这一区域的点的卸荷作用明显，受到开挖的影响大； 位于不同剖面的土压计4和8可看出，坡体内竖向土压力同样会受到开挖的影响而产生卸荷，与同一位置的水平向卸荷相比小的多，但与水平向卸荷规律相同，即距离开挖面越近卸荷作用越明显； 开挖引起的卸荷作用已影响到坡体的中部，但卸荷作用已经很小，到坡体后部卸荷作用几乎消失，主要还是影响坡体的中前部。

4　切坡型黄土滑坡的破坏机理分析

根据坡体整体位移、控制点位移以及坡体内部土压的分析，总结出坡脚开挖下黄土滑坡的破坏过程为：坡脚开挖，土体局部破坏→坡体后缘产生拉裂缝→前缘剪切带与后缘拉裂缝不断向后、向深扩展形成滑带→滑带贯通，坡体失稳破坏。

(1)坡脚开挖，土体局部破坏

坡脚的开挖导致坡体前缘形成临空面(相当于在临空面施加一个指向下侧的等效开挖力系)(王敏强等，2001)，土体出现短暂的卸荷回弹并产生应力的释放和重新调整，表现为1-8#土压力计在开挖初始阶段不同程度的下降之后趋于稳定； 土体自身结构强度下降导致临空面局部土体破坏，坡脚处剪应力逐渐增大形成剪应力集中带并逐步向坡体中后部发展，坡体处于蠕滑变形阶段。

(2)坡体后缘产生拉裂缝

坡体前缘土体水平位移急剧的增大，导致中前缘土体向临空面方向发生变形并产生拉裂缝，拉裂缝逐渐向坡体后缘发展，并最终在后缘产生，对应为坡体控制点位移的变化过程。随着剪应力的调整，塑性破坏区开始在坡脚出现并逐步往后扩展，坡体处于形变发展阶段。

(3)前缘剪切带与后缘拉裂缝不断向后、向深扩展形成滑带

随着剪应力集中带不断向后发展，后缘拉裂缝不断向下延伸、发展最终与塑性破坏区贯通，潜在滑带基本形成，坡体稳定性大幅度降低，处于加速变形阶段。

(4)滑带贯通，坡体失稳破坏

当坡体的下滑推力超过土体强度所能承受的范围时，最终沿滑动带 (图8 中所示)迅速贯通，坡体失稳破坏。

开挖坡脚打破了坡体原有的应力平衡环境，坡体破坏从坡脚处开始进而引起坡体的整体破坏，开挖是诱发滑坡的直接因素。据现场调查，切坡初期坡脚应力重新调整，导致斜坡向临空方向卸荷回弹产生一定变形，但遇暴雨后坡体变形持续发展，这与Q3黄土的性质有关，Q3黄土有很好的自稳能力，若遇后续的强降雨，雨水沿拉裂缝与黄土自身发育的垂直节理渗入土体，Q3黄土遇水后强度迅速降低，后期的强降雨导致斜坡在卸荷回弹变形基础上持续变形的主要因素。开挖诱发边坡的变形破坏是从坡脚处局部破坏扩展到坡体的整体破坏的渐进性变化的发展过程，为渐进后退式的变形破坏。

5　结　论

本文通过对阳崖滑坡离心模拟试验研究，模拟其开挖破坏的全过程，基于试验结果主要得到以下结论：

(1)开挖前的固结过程中，坡体的变形主要以自重应力作用下的竖向变形为主。随着坡脚的开挖，坡体中前部的位移矢量发生了明显的变化，从坡体内部往开挖面方向，位移矢量方向由竖直向下逐渐发展为与滑动带的方向基本平行，而坡体中后部变形仍以竖向变形为主。

(2)水平和竖向位移等值线在坡脚开挖处最为集中并为最大位移，越往坡体内部越稀疏，根据位移等值线的疏密程度可将坡体划分为主要影响区，过渡区和无影响区3个区域，坡脚开挖主要影响区为坡体的中前缘，对后缘并未产生明显的影响。

(3)在坡体开挖过程中，坡体控制点越靠近开挖面，其位移的变化值、变化率、应力卸荷变化越大，持续时间越长，距离开挖面越远，其变化越小，直到不发生变化。开挖引起的水平方向的卸荷明显大于竖直方向的卸荷，但两者变化规律是一致的。

(4)黄土滑坡的破坏过程为：坡脚开挖，土体局部破坏→坡体后缘产生拉裂缝→前缘剪切带与后缘拉裂缝不断向后、向深扩展形成滑带→滑带贯通，坡体失稳破坏。

(5)开挖诱发边坡的变形破坏是从坡脚处局部破坏扩展到坡体的整体破坏的渐进性变化的发展过程，为渐进后退式的变形破坏。

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CENTRIFUGAL SIMULATION EXPERIMENT FOR A LOESS CUTTING-SLOPE AT YANGYA，YAN’AN CITY，NW CHINA

JIA Jie①PEI Xiangjun①XIE Rui①JIA Jun②HE Mi①

(①StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059) (②Xi’anCenterofChinaGeologicalSurvey，Xi’an710054)

Artificial excavation is one of the main inducing factors of the landslide formation in loess area. It causes unloading rebound and stress redistribution within the scope of slopes. The process of slope stress rebalancing is followed by slope deformation， which even causes damage. The landslide happened at Baota Zaoyuan town in Yan’an city is a typical induced loess slope excavation. This paper chooses the Yangya landslide as the geological prototype. It uses the type of TLJ-500geotechnical centrifuge for the condition of excavation slope foot test to simulate the deformation and failure process. It studies the characteristics of the displacement of slope deformation before and after the excavation of the slope foot， slope soil pressure response and mechanism of slope deformation and destruction through analysis of the model monitoring data at monitoring points. Results show that partial collapse happens after the slope toe excavation near the international airport face. The slope displacement， shear stress concentration belt and tensile fracture increase progressively from the front part to the inner part of the slope. After excavation， the slope internal zone can produce obvious stress relaxation. The closer to the excavation face the more obvious effect of unloading. Excavation influences a majority of the front and middle parts of the main slope. So there is less or even no effect at the back slope， which means that slope deformation failure mechanism is the typical-steps-back type．

Excavation， Loess slope， Centrifugal simulation test， Deformation and failure mechanism

10.13544/j.cnki.jeg.2016.01.001

2015-04-07;

2015-06-05.

中国地质调查局项目(1212011140005)，国家重点基础研究发展计划项目(2014CB744703)资助.

贾杰(1989-)，男，硕士生，主要从事岩土工程方面的研究. Email：1198006930@qq.com

简介： 裴向军(1970-)，男，博士，教授，主要从事工程地质教学与科研工作. Email：379975908@qq.com

P642.22

A