水平软弱夹层黄土滑坡形成机制及启动角度

易志强， 龙建辉*， 张吉宁， 李旭鹏， 李鸿强， 倪向龙

(1.太原理工大学， 地震与地质灾害防治研究所， 太原 030024； 2.山西冶金岩土工程勘察有限公司， 太原 030000；3.山西省勘察设计研究院有限公司， 太原 030013； 4.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司， 成都 610000)

随着中国基础设施的建设需求和蓬勃发展，工民建用地范围逐年扩大，带来的结果是对自然斜坡的人工开挖，无论是以何种切坡方式扩建都极大地削弱了原始斜坡稳定性，甘肃省天水市罗峪沟古滑坡的复活为坡脚前缘开挖形成高陡临空面所致[1]，舟曲县瓜咱坝3号滑坡成因机理为前缘大规模挖方[2]，贵州省贵阳市龙家岩村古滑坡的复活是在坡脚区域开挖所诱发[3]，全国各地由于坡脚开挖所引发的滑坡地质灾害屡见不鲜，造成了所在地区大量财产损失，甚至对人类生命安全带来巨大威胁。

当坡体地层结构中含有水平软弱夹层时，开挖自然斜坡前缘坡脚以后，软弱夹层及随之出现的拉裂缝对边坡失稳过程起重要影响[4]，通常是控制边坡稳定性的关键结构[5-6]。许多学者着重研究软弱夹层本身的物理力学性质来研究滑坡启动机理[7]，也有学者通过数值模拟来研究含软弱夹层的岩质边坡失稳破坏过程[8-10]。同时中外学者相继开展物理模型试验[11-12]，系统研究了含有软弱夹层的坡体失稳破坏动力响应规律及破坏特征，并显示此地层类型的边坡体易发滑坡地质灾害。王壮壮等[13]基于数值模拟分析了不同地层结构类型黄土边坡坡脚开挖效应，但是并不包括含有水平软弱夹层地层结构类型，这是由于具有水平角度的软弱夹层的坡体一般被认为具有较高的稳定性，从而缺乏深入研究，尤其是不同开挖坡角与水平软弱夹层模式下的坡体稳定性的研究甚少。

滑坡失稳破坏特征研究多采用数值分析方法，其作为一种再现历史过程复杂动力学特征的重要技术手段[14]，对坡体的破坏运动过程模拟具有较好的适用性[15]，以山西省吕梁市临县“5·3”大型黄土滑坡为研究对象，采用有限差分FLAC3D研究坡脚在不同开挖角度条件与水平软弱夹层组合模式下的坡体失稳破坏机理，以期为类似地层结构黄土边坡的防治提供基础理论。

1 研究区概况

1.1 滑坡概况

2020年5月3日凌晨，山西省吕梁市临县临泉镇胜利坪村风峪沟南山发生一起黄土滑坡地质灾害，研究区域所在地理位置如图1(a)所示， 数字高程模型(digital elevation model，DEM)根据1∶500 000的制图等高线得出，并基于Xi’an 1980(China)大地坐标系。滑坡形态特征如图1(b)所示，整体形态呈扇状分布，滑体长约150 m，宽约354 m，坡体高差平均60 m，平均厚度21 m，滑体体积约1.11 ×106m3，属于大型滑坡。灾害发生后，槐树塔小区2#楼4个单元48套房屋整体受损，造成直接经济损失457.92万元，未造成人员伤亡。

图1 研究区域临县“5·3”大型黄土滑坡Fig.1 “5·3” large loess landslide in Linxian County of the study area

滑坡滑动面及软弱夹层的特性如图1(c)所示，自然斜坡坡体软弱夹层主要为一层产状近乎水平的卵石，滑坡体沿软弱夹层滑动破坏。

1.2 气象水文

研究区域风峪沟南山的基础设施扩建开挖从2019年2月份开始，自然黄土斜坡坡脚开挖至原设计场地范围以后在2020年5月3日凌晨发生了此次大型黄土滑坡，期间降雨分布如图2所示，研究区域现场没有雨量计站，最近的一个可用卫星位于约3 km处，本研究使用该站的降雨数据。

图2 研究区域2019年2月—2020年5月降雨量统计Fig.2 Rainfall statistics of the study area from February 2019 to May 2020

现场地下水的储存与补给条件差，含水微弱，滑坡下部岩土层未揭露到地下水。

2 滑坡破坏特征与形成机制

2.1 破坏特征

吕梁市临县临泉镇风峪沟南部自然斜坡体主要被第四系黄土层所覆盖，该场地自2019年2月份开始进行拟建楼房等基础设施场地开挖工作，自然斜坡综合坡脚开挖坡度约45°，随着开挖工作的推进逐渐出现坡体失稳变形特征，2020年4月28日槐树塔小区靠西面山上的挡土墙出现裂缝，小区内柏油路路面油皮鼓起，如图3(a)所示，随之坡顶裂缝于4月29日被当地地质灾害巡视人员发现，如图3(b)所示，裂缝均不具备拉张裂缝水平拉张的一般特点，而是表现出沉陷裂缝垂直错动的典型特征，说明裂缝的发育是由于坡脚土体开挖牵引坡体产生的沉陷所引起，之后裂缝急剧扩展，坡顶最长一条裂缝长约 56 m,裂缝宽度2～6 cm，可见深度约 10 cm。5月3日凌晨，坡体顶部拉裂缝贯通至坡脚卵石泥岩分界面形成了此次大型黄土滑坡，滑坡发生以后，滑坡后壁明显，如图3(c)所示，平均高度7 m，最大高度约15 m，坡度 70°～80°，局部陡直，整个后缘形态呈圈椅状。坡体相互推挤使得滑体整体移动变形，如图3(d)所示，坡面植被东倒西歪，呈现醉汉林景象，原状土扰动后局部形成大量松散堆积物。滑坡体向下及前方发生位移之后，滑坡整体错动被解体为两段及两段以上，每段滑块的前缘因差异滑动而形成具有一定高差的台坎，如图3(e)所示，形成滑坡平台，宽度15～20 m，在坡脚位置出现明显反翘鼓起现象，如图3(f)所示，此外，坡脚处还出现有羽状裂缝。

图3 滑坡破坏特征Fig.3 Landslide failure characteristics

2.2 形成机制

依据现场调查与裂缝扩展情况分析水平软弱夹层黄土边坡主要受控于坡脚土体开挖，通过理论分析该类黄土滑坡形成机制主要包括以下三个过程。

(1)水平软弱夹层应力集中。黄土边坡中存在的水平软弱夹层对坡体稳定性起到至关重要的影响，自然斜坡在坡脚工程开挖作用下，如图4(a)所示，坡脚关键阻滑块体的缺失导致坡体内部应力重分布，应力场发生改变，而逐渐在水平软弱夹层出露位置出现应力集中现象，如图4(b)所示。

图4 滑坡形成机制Fig.4 Landslide formation mechanism

(2)牵引沉陷拉裂。水平软弱夹层出现的应力集中现象逐渐出现由剪应力作用下的两侧土体错动剪出变形破坏，如图4(c)所示，逐渐向后发展，黄土边坡在牵引力作用下逐渐产生蠕变沉陷，如图4(d)所示，极易在坡顶形成拉裂缝，如图4(e)所示，而实际临县“5·3”黄土滑坡验证了沉陷拉裂缝的典型特征。

(3)裂缝贯通失稳破坏。随着坡顶沉陷拉裂缝与坡脚水平软弱夹层的贯通，导致滑面下滑力大于抗滑力，最终引起黄土滑体整体失稳向临空方向滑动，如图4(f)所示，在坡体中上部往往形成多级滑坡平台，并在坡脚形成滑坡鼓丘和羽状裂缝。

3 启动角度数值分析

为了定量分析研究水平软弱夹层黄土滑坡的启动角度规律，本研究开展数值模拟实验，使用FLAC3D三维有限差分数值模拟软件对模型分析计算，数值模拟计算过程中岩土体均采用Mohr-Coulomb本构模型。

3.1 强度折减法原理

FLAC3D三维数值模拟采用强度折减法进行计算，强度折减法所定义的边坡安全系数为把强度指标减小到边坡临界破坏时的强度指标折减的系数，强度指标折减[16]公式为

cf=c/F

(1)

φf=arctan(tanφ/F)

(2)

式中：cf为折减后的黏聚力，Pa；c为岩土体的黏聚力，Pa；F为安全系数；φf为折减后的内摩擦角，(°)；φ为岩土体的内摩擦角，(°)。

通过不断调整土体的强度指标黏聚力c和内摩擦角φ，然后对土坡进行有限元分析，直到其达到临界破坏，此时得到的折减系数F即为安全系数，同时在计算过程中可以获取到边坡的动态破坏过程，主要包括位移场及应变场结果。

3.2 计算模型建立

本试验将研究区域未开挖前的斜坡形态概化以后作为初始境界，天然斜坡原坡度约为18.6°。数值模拟通过设计坡脚不同开挖角度，从而设计出一系列倾斜的坡面(25°～60°、Δα=5°，共计8个模型)，实现不同角度坡面与水平软弱夹层不同的组合模式，利用有限元软件ANSYS建立有限元物理模型，计算模型采用三维地质模型，如图5所示，其建立在笛卡尔直角坐标系下，xy平面内的直角坐标系位于岩土体质量中心投影一致的水平区域，z轴方向与重力方向相反，未切坡前计算模型长300 m、宽300 m、高129 m，计算模型剖分为四面体等参单元。

图5 FLAC3D有限元三维边坡数值模拟计算模型Fig.5 FLAC3D finite element 3D slope numerical simulation model

计算模型所加入的地层综合考虑模型设计范围内的工程地质勘察钻孔地层层位信息，真实还原实际场地自然斜坡工程地质条件，模拟计算过程中，采用滚轴边界条件对计算模型四周边界与底部固定，使其只受竖直方向的重力作用，忽略其他方向的应力作用。

3.3 计算参数选取

岩土体物理力学参数的选取将会直接影响数值模拟计算结果的准确性，有限元物理模型计算参数则是根据钻孔取样室内物理力学实验结果以及研究区域经验值综合考虑选取。

表1 岩土体物理力学参数值

3.4 变形失稳分析

3.4.1 位移场分析

经过数值模拟计算，可以获得边坡位移云图结果，如图6所示，由此可以分析得出如下结论。

图6 各组合模式下位移云图Fig.6 Displacement nephogram under each combined mode

(1)开挖角度：25°～35°。边坡以小角度开挖完成切坡以后，最大位移出现在坡顶位置处，并且随着开挖角度的增大逐渐转移到和坡面顶部交汇位置处，坡体处于向不稳定状态发展过程中，这个过程主要是由于岩土体在自重作用下产生垂直方向沉降变形所致，位移方向基本垂直向下。因此，小角度坡脚开挖对边坡主要体现在对坡体顶部应力重分布的影响。

(2)开挖角度：40°。当开挖角度为40°时，边坡开始出现失稳滑动现象，从边坡最大位移云图可以发现，边坡形成了具有弧线滑动面的下滑区，逐渐向上部土质区域贯通形成滑动面，贯通趋势较为明显。最大位移由滑动面从坡脚向坡顶逐渐增大，具有显著的位移特征，坡体正处于失稳破坏状态，主要破坏方式为剪切破坏，失稳破坏区剪出口位于水平软弱夹层位置处，这和工程地质勘察查明的滑动面位置基本吻合，因此，边坡存在水平软弱夹层对失稳破坏起着关键性作用。

(3)开挖角度：45°～60°。随着开挖角度进一步加大，边坡最大位移云图几乎不再发生变化，与40°开挖角度条件下边坡失稳位移特征大致相同，并且依旧呈现出失稳破坏下滑区和明显滑动面贯通区，而且，实际临县研究区域自然黄土斜坡坡脚开挖综合角度45°发生了滑坡，从而验证了数值模拟的准确性。此外，滑动面角度随着边坡开挖角度的加大呈正相关关系，滑动面逐渐变得陡直。

提取各组合模式下坡顶水平变形位移数据绘制如图7所示曲线图，具有水平软弱夹层黄土体边坡在小角度开挖条件下边坡水平变形极小，当坡脚开挖角度达到40°时变形急剧加大，最大位移值达到6 m，随着开挖角度超过55°以后，边坡水平变形逐渐减小，向竖直方向产生大变形的结果所致。此外，黄土边坡首先在水平软弱夹层位置开始产生大变形，并逐渐向上部土质区域增大，并在黄土状粉土区域达到最大，这是由于降雨条件对最上部黄土体物理力学参数带来衰减影响所致，结果是导致更大的变形量，边坡水平变形最终逐渐在坡顶位置减小。

图7 各组合模式下坡面水平变形Fig.7 Horizontal deformation of slope surface under each combination modes

提取各组合模式下坡顶竖向变形位移数据绘制如图8所示曲线图，具有水平软弱夹层黄土体边坡在小角度开挖条件下边坡竖向变形量极小，当开挖角度达到40°时变形量急剧增大，最大位移值达到5 m，竖向变形随着距离坡顶拐角距离的加大而呈递减趋势，随着开挖角度的增大，边坡所形成的滑动面逐渐后移，当超过55°以后，边坡竖向变形值基本保持不变。从曲线图来看，边坡失稳主要是向临空方向发生大变形，并逐渐牵引后部土体向下滑动，并将会在后缘部位形成沉陷拉裂缝。

图8 各组合模式下坡顶竖向变形Fig.8 Vertical deformation of slope top under each combined mode

3.4.2 边坡安全系数分析

由强度折减法原理得到数值模拟计算出的边坡安全系数结果，如图9所示。

图9 各组合模式下边坡安全系数Fig.9 Slope safety factor under each combined mode

有限元物理模型边坡安全系数计算结果表明，在水平软弱夹层存在条件下边坡稳定性受坡脚开挖角度影响较大，当开挖角度达到35°时，边坡稳定性处于极限平衡状态，当边坡体处于复杂工况条件下将会出现失稳滑坡可能，随着开挖角度超过35°以后，边坡已经发生失稳破坏，说明水平软弱夹层的存在对边坡稳定性起到至关重要的影响，这与文献[5-6]得出的结论类似。

3.5 应变场分析

为了进一步研究分析验证边坡失稳破坏机制及启动角度规律，计算获得边坡剪应变增量云图结果，如图10所示，由此可以分析得出如下结论。

图10 各组合模式下最大剪应变增量云图Fig.10 Nephogram of maximum shear strain increment under each combined mode

(1)开挖角度：25°～35°。有限元物理模型的剪应变增量云图主要分布在土质区域，从云图展示效果来看，主要集中在各岩土层分界面位置处，并且两者之间具有相互平行的空间位置关系，逐渐由分界面向上下过渡递减，并在切坡坡面位置处出露，这是由于切坡导致坡脚阻滑关键块体消失的原因，可见边坡坡脚为失稳破坏启动源[17]。此外，水平软弱夹层分界面与坡面位置处出现最大剪应变增量及应变集中现象，推测将会在水平软弱夹层位置处逐渐开始形成滑动面，而在底部砂岩分布区域未出现剪应变增量，从物理力学参数数值大小可以解释为什么强度参数大对形变响应小而强度参数小对形变响应大的结果。剪应变增量并未形成一条明显的滑动面，坡体依旧处于相对稳定状态，说明小角度的切坡并未对坡体造成失稳破坏。

(2)开挖角度：40°。随着开挖角度增大到40°以后，边坡的剪应变增量云图发生了变化，其空间分布不再呈现层状以及与岩土层分界面平行的位置关系，从整体剪应变增量云图趋势来看，开始呈圆弧状的弧线分布，从坡脚位置处水平软弱夹层位置逐渐向上形成一条较为清晰的贯通坡体弧线分布路径，这与上面推测在水平软弱夹层位置开始出现滑动面结果一致，而实际滑坡滑动面位置也在此位置处。此外，对于上部黄土状粉土区域的剪应变增量大于其分界面以下的土质区域，这和黄土状粉土物理力学参数在降雨工况下处理后结果相符合，因此，在降雨工况条件下，往往是受雨水浸润以后岩土体强度参数衰减区域对形变响应最快。因此，40°开挖角度条件下的水平软弱夹层黄土边坡开始出现失稳迹象，且数值模拟计算过程难以达到收敛，这说明坡体已经开始发生了失稳破坏，从边坡工程实际治理案例来看，40°开挖角度条件下的工程边坡处于相对稳定状态，而水平软弱夹层的存在则大大较低了坡体的稳定性。

(3)开挖角度：45°～60°。随着边坡开挖角度继续增大，剪应变增量云图形成清晰直观的滑动面贯通区及失稳下滑区，失稳下滑区剪出口位于水平软弱夹层位置处，上部土质区域剪应变增量整体增大，但是最上部黄土状粉土依旧呈现出大增量值，底部砂岩依旧处于相对稳定状态。

4 结论

以山西省吕梁市临县“5·3”大型黄土滑坡为研究对象，对具有水平软弱夹层限制条件黄土滑坡的变形破坏特征与形成机制进行了分析，利用有限差分FLAC3D软件进行数值分析研究了坡脚在不同开挖角度条件与水平软弱夹层组合模式下的坡体失稳破坏机理，得到以下结论。

(1)调查研究表明，临县“5·3”大型黄土滑坡主要由坡脚工程开挖导致关键阻滑块体缺失所引发，坡体沿近乎水平软弱卵石夹层滑动破坏，地下水与降雨条件对黄土边坡失稳破坏所带来的影响甚微。

(2)实际滑坡变形活动迹象特征明显，并通过理论分析与数值分析验证了具有水平软弱夹层地层条件的黄土滑坡形成机制，总结形成机制主要表现为：①水平软弱夹层应力集中；②牵引沉陷后缘拉裂；③裂缝滑面贯通失稳破坏。

(3)具有水平软弱夹层黄土边坡的坡脚开挖启动角度介于35°～40°，数值模拟结果与实际临县“5·3”大型黄土滑坡案例结果一致。