某多次开挖边坡治理失效机制分析

顿佳伟，吴卓林，冯文凯，张国强，孟 睿，陈振雷

(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)， 四川 成都 610059；2.四川省工程地质集团， 四川 成都 610017)

西南地区由于特殊和复杂的地质环境条件和强烈的河谷动力学过程，导致这一地区以滑坡、崩塌、泥石流为典型的地质灾害事件特别发育[1-3]。近些年来，随经济建设的恢复和高速发展及自然因素的影响，滑坡灾害呈逐年加重的趋势，而人类工程建设的不断发展，促使人工开挖而形成的土质边坡逐渐增多，并且这类边坡在开挖及加固不当、降雨和地震等其它不利因素影响下，更易发生失稳破坏[4-6]。与一般边坡相比，这类边坡的稳定性与边坡所处的地质环境条件和人类工程活动的破坏程度息息相关，其变形机制会相对复杂[7]。鉴于人工开挖形成的边坡通常靠近道路、居民区等人类活动聚集区，一旦这类边坡问题不能妥善解决，将严重影响和制约重大工程建设和威胁人民生命财产安全。

目前关于开挖导致滑坡失稳破坏的研究主要集中在滑坡形成原因及变形特征、开挖与滑坡稳定性关系、滑坡失稳机理研究等。国内学者早期主要通过查明场地工程地质条件，基于变形理论对开挖边坡特别是高边坡进行变形机制的定性分析，如王思敬[8]针对在金川露天矿的开采过程中发生了大量的高边坡变形失稳问题进行了变形机制及过程的分析。柳旻等[9]研究了东南亚某水电站厂房边坡开挖变形特征及成因机制。黄润秋[10]研究了岩质高边坡开挖条件下卸荷带的形成机理等。随着数值模拟计算的长足发展，众多学者借助相关技术对开挖边坡稳定性进行了定性和定量分析。曹卫文等[11]研究边坡分段开挖过程中的应力和位移变化过程后发现，相比于坡内位移变化，应力的变化过程存在一定的滞后性。陈雪珍等[12]通过PLAXIS有限强度折减法对永宁高速公路边坡施工过程进行模拟分析，得出随着坡体逐级开挖，安全系数不断降低。倪勇等[13]结合辽宁建兴高速公路某高边坡施工过程，利用软件3DEC模拟边坡采用不同的台阶数进行开挖，找出该边坡不稳定块体位置，并分析边坡整体稳定性，对该类边坡工程施工及后期支护具有重要参考意义。

迄今为止，对于开挖导致滑坡多次失稳破坏的研究相对较少，且对受治理工程、降雨等因素影响而改变滑坡失稳机制模式的研究更少。为此，本文立足于大量滑坡现场调查和资料，基于岩土体应力应变分析方法，利用FLAC3D数值模拟软件对该滑坡多次失稳破坏机制进行了探讨。

1 朝天中学滑坡概况

1.1 滑坡概况

朝天中学滑坡位于广元市朝天区清风村三组，属中低山斜坡沟谷侵蚀堆积地貌形态，斜坡坡向约350°，主滑方向约352°(见图1)，滑坡平均宽度约72 m，斜长约102 m，滑体平面面积约7.34×103m2，地形总体趋势呈南高北低，坡面呈倾斜状，整体地形坡度为20°～30°。滑坡区后缘地形坡角20°～25°，高程565.00 m～575.00 m，主要为耕地；滑坡中地形平缓，坡面变化不大，地形坡度约15°～25°；坡脚地形平坦，主要为拟建朝天中学教学楼及周边居民区，高程518.00 m～522.00 m，前后缘相对高差43.0 m～48.0 m。朝天中学教学楼拟建场地人工切坡整平地基时在滑坡前缘开挖形成高14.00 m～17.00 m的人工边坡。滑坡东侧为冲沟，冲沟宽2.00 m～14.00 m，切割深度3.00 m～5.00 m，纵坡坡度20°～35°，坡降较大,滑体平均厚度约10.50 m，主要由松散～稍密状的碎石土及强风化页岩组成，体积约7.71×104m3，滑坡全貌见图2，工程地质剖面图见图3。

图1 滑坡区工程地质平面图

图2 滑坡全貌

图3 滑坡区工程地质剖面图

1.2 地层岩性

该滑坡物质结构特征从上至下主要为残坡积碎石土、三迭系飞仙关组(T1f)强风化页岩、三迭系飞仙关组(T1f)中风化页岩和三迭系飞仙关组(T1f)微风化页岩。

(1) 残坡积碎石土。覆盖层残坡积碎石土呈黄褐色，松散—稍密状，稍湿，粉质黏土主要由粉粒和黏粒组成。碎石、角砾含量50%～60%，碎石粒径较小，一般20 mm～400 mm，最大可达600 mm，呈棱角状—次棱角状，磨圆度较差，呈强—全风化状态。层厚1.8 m～6.2 m，平均厚度约4 m。

(2) 强风化页岩。强风化页岩层呈黄褐色，页理和风化裂隙发育，受构造影响，岩体结构破碎，呈碎裂结构，薄层状构造，质较软，遇水易软化。地层厚度2.1 m～5.8 m，平均厚度约3.1 m。

(3) 中风化页岩。中风化页岩层呈灰褐色，页理发育，薄层状构造，裂隙较发育，岩体较完整，质较硬，工程力学性质较好，岩层产状为135°∠87°，该层岩体渗透性较小，为相对隔水层。层厚3.2 m～7.2 m，平均厚度约5.4 m。

(4) 微风化页岩。微风化页岩层呈灰白色，页理发育，有少量风化裂隙，岩体较完整，薄层状构造，质较硬。

1.3 水文地质条件

滑坡区上覆第四系松散堆积层为中透水层，下伏页岩强风化带均为弱透水层，中风化层为微透水层。按照地下水的赋存介质类型、划分为孔隙水和基岩裂隙水两类。

(1) 孔隙水。赋存于残坡、崩积碎石松散土层中，具上层滞水性质，直接由大气降水及边坡基岩裂隙水补给。当大气降水时，大部分地表径流通过沟谷向坡脚排泄，部分地表水渗入土层形成孔隙水。

(2) 基岩裂隙水。赋存于三迭系飞仙关组(T1f)页岩裂隙中，主要接受大气降水补给，强风化岩体内裂隙发育，岩层透水性较好，中强风化层透水性较差，150 L/h,岩层储水量不大，水动态极不稳定，多出露于冲沟底。

2 滑坡变形机制分析

2.1 滑坡的变形破坏特征

(1) 首次开挖引起变形特征。朝天中学场平切坡后，在斜坡坡脚人工开挖形成了长约95 m，高约14 m～17 m的高陡临空面。2010年2月26日，斜坡前缘失稳出现滑塌，滑坡后部体发育多条变形裂缝(见图4)，显示出其牵引破坏表征。滑坡第一次失稳后，经过详细勘察及论证，确定采用“抗滑桩+截排水沟+裂缝封填”的工程治理方案，即分别在滑坡中部(A型、B型)和滑坡左侧前部(C型)布置抗滑桩；滑坡后缘设置截水沟，滑坡左右两侧沿滑坡纵向设置排水沟；在滑坡右侧前缘至中部，设置混凝土挡土墙。在工程治理施工完成后，滑坡的变形得到了有效控制。

图4 滑坡后部拉张裂缝

(2) 第二次开挖变形特征。因学校建设需要，教学楼后斜坡进一步切坡开挖坡脚，滑体向临空方向再次发生蠕滑，并引起了原设计A型、B型、C型桩的位移变形，抗滑桩变形方向与斜坡主滑方向基本相同，滑坡前缘西侧住宅楼出现鼓胀开裂(见图5)，挡墙鼓胀龟裂。滑坡再次发生变形以后，在未经勘察及论证情况下，又在滑坡主滑方向的前缘增设了D型抗滑桩并在滑坡上方已实施的抗滑桩上增加锚索加固，滑坡变形得到暂时性的控制。

(3) 第三次变形破坏特征。2012年7月4日，该地区普降暴雨，在暴雨的影响下，滑坡于7日—8日出现严重滑移失稳，边坡土体整体下移，变形较大，滑坡后缘出现明显下错(见图6)，出现贯通性裂缝。滑坡体上除了D2、D3及D12抗滑桩外，其余抗滑桩均出现较大程度位移甚至剪断(见图7)。教学楼后方挡土墙中部出现贯通裂缝，裂缝宽度约20 cm，教学楼后地面挤压错动(见图8)。

图5 前缘地面鼓胀开裂

图6 滑坡后缘下错

图7 抗滑桩滑移变形

图8 挡土墙挤压变形及教学楼后地面错动

2.2 滑坡的变形机理

2.2.1 首次切坡失稳机理

坡脚在坡体稳定性中起到阻滑的关键作用，主要体现在两个方面，一是开挖前未产生临空面，作为坡体前缘关键阻滑体而存在。二是保护坡脚不受扰动及风化影响，维护原有地质环境状态[3]。首次开挖后形成的临空面，一方面使得滑坡阻滑体消失，给滑体带来了良好的运动空间，另一方面使得沿基辅界面的潜在滑带被暴露(基覆界面深度约3 m～4 m，强风化与中风化页岩界面约8 m～12 m)，诱导整个边坡优先沿坡体结构差异最明显的岩土界面(见图9)发生牵引式堆积层滑坡。可以预见，若不及时进行加固处理，滑体前缘已开裂的部分滑体将扰动并牵引后部滑体，不断开启下一级滑体演化进程。

图9 斜坡首次开挖失稳模式图

2.2.2 二次切坡失稳机理

滑坡在经过第一次治理后，由于已设抗滑桩的存在减小了滑坡后部的剩余下滑力，并且隔断了原基覆界面的潜在滑移面，使滑坡浅表土体出现变形的空间减小，但同时由于由于抗滑桩(A型、B型、C型)埋设的地层为第四系碎石土及强风化页岩，未到达中风化页岩层，阻滑力通过桩身向深部锚固段转移，应力转移促使强风化页岩层承受更强的滑坡下滑推力。坡脚二次开挖后，一方面，切坡创造的临空面，促使滑体再次获得了运动空间，且阻滑块体的缺失导致边坡自身整体抗滑力下降；另一方面，抗滑桩发挥阻滑作用时会依靠滑坡前缘土体提供一部分抵抗力，而开挖阻滑块体导致这部分抵抗力绝大部分被卸载掉，抗滑桩提供的阻滑力将通过桩身向深部锚固段转移更多。故而在应力转移作用下坡体沿强-中风化接触面形成的软弱夹层面发生滑移(见图10)。滑坡此阶段的滑动面已从基覆界面向深部转移，致使滑坡前缘西侧住宅楼出现鼓胀开裂及挡墙鼓胀龟裂等现象。

2.2.3 暴雨触发

滑坡在经历二次治理后，其破坏变形得到了暂时性的控制，但在2012年6月下旬到7月上旬发生多期连续降雨(雨量达458.2 mm，为多年同期平均降雨量的2.72倍)。在降雨入渗作用下，一方面降雨过程中地表水通常沿着出露于地表的裂隙渗入坡体，并沿着结构面不断向下运移，这时裂隙水由于形成水头差会对裂隙壁面产生静水压力，当地下水到达强-中风化接触面(潜在滑面)时，由于中风化页岩层较强风化页岩透水能力弱，故形成相对隔水层，地下水转而沿相对隔水层运移，并对底面产生扬压力[11]；另一方面，不断入渗的地表水不但增大了坡体自重，而且地表水向滑面运移过程中会极大软化岩土体，造成潜在滑面力学性质急剧降低[14-15]，故坡体抗滑力和下滑力的此消彼长再次造成边坡整体严重失稳。

虽然滑坡前缘布设了挡土墙和C型、D型抗滑桩，但阻滑能力有限，而A型、B型抗滑桩由于埋设深度不够，转与滑体发生“协同”运动(见图11)。

图10 斜坡第二次开挖失稳模式图

图11 暴雨工况下斜坡失稳模式图

3 基于FLAC3D的应力分析

3.1 计算模型及参数

本次采用FLAC3D对边坡变形进行模拟，选取1-1′剖面建立模型(如图12所示)；按照实际地层分步将模型分为4组，1组和4组为碎石土组、2组为强风化页岩组、3组为中风化页岩组，相关岩层岩体物理力学参数参考勘察资料及室内试验进行选取(见表1)。

表1 岩体物理力学参数

图12 计算模型图

3.2 数值分析计算原理

数值计算中，将岩土体看作理想弹塑性材料，屈服准则采用内置的摩尔-库仑准则即：

(1)

这里，Nφ=(1+sinφ)(1-sinφ)，σ1为最大主应力；σ3为最小主应力；C为黏聚力。

桩与岩土体之间的相互作用是通过耦合弹簧来实现的。耦合弹簧为非线性、可滑动的连接体，能够在桩身节点和实体单元之间传递力和弯矩。切向弹簧作用是主要考虑桩土接触面的黏聚力和摩擦力。法向弹簧可以模拟法向荷载的作用以及桩身与实体单元节点之间缝隙的形成，还可以模拟桩周土对桩身的挤压作用。

3.3 计算结果分析

从图13中可以看出，边坡剪应力由上往下依次增大，且坡脚处剪应力较为集中，这表明边坡前缘起到阻滑的关键作用。

图13 天然状态下剪应力分布图(单位：Pa)

边坡在首次开挖后，坡脚处应力值增大(见图14)，边坡剪应力增量在坡脚临空面处出现集中现象(见图15)，这表明整个边坡在经过应力调整后易在结构差异最明显的岩土界面发生牵引式堆积层滑坡。

二次开挖后，阻滑力通过桩身向深部锚固段转移，应力转移促使强风化页岩层承受更强的滑坡下滑推力(见图16、图17)，滑坡此阶段的滑动面已从基覆界面向深部转移。

图14 首次开挖下剪应力分布云图(单位：Pa)

图15 首次开挖状态下剪应力增量云图

图16 二次开挖状态下剪应力云图(单位：Pa)

图17 二次开挖状态下剪应力增量云图

4 结论与建议

(1) 首次切坡条件下，边坡沿原生结构中最“活跃”的基覆界面发生了牵引式堆积层滑坡失稳。

(2) 在第二次切坡和加固手段实施后，坡体临空条件和自身结构的改变，促使坡内应力向深部转移，边坡也因此转为沿强—中风化接触面发生失稳的牵引式滑坡。

(3) 由于前两次边坡失稳对坡体自身完整性的破坏，在边坡遭遇罕见暴雨的条件下，坡体抗滑力和下滑力的此消彼长造成边坡整体严重失稳，使得前期治理工程再次失效。