残余构造应力作用下的顺层路堑滑坡机理研究

2024-01-01李耀华刘猛黎俊杰查俊韦芳元

西部交通科技 2024年5期

摘要：文章以广西山区高速公路某构造区顺层路堑滑坡项目为依托，通过残余构造应力分析，结合数值模拟，对边坡在逐级开挖过程中受残余构造应力的影响程度和滑坡演化机理进行研究。研究表明：边坡开挖中，复杂地质构造带孕育的较高残余构造应力瞬时释放，致使坡体浅层岩石迅速产生裂纹及既有节理裂隙快速扩大，短时间内降低结构面抗剪强度，形成开裂→变形→位移→滑移，并在其他因素综合影响下，形成完整滑坡。对是否考虑构造应力下的边坡稳定性进行数值模拟的结果说明，残余构造应力对边坡的稳定性影响甚大，同时也得出了残余构造应力快速计算方式，可供类似项目参考。

关键词：顺层滑坡；残余构造应力；高速公路；数值模拟；滑坡机理

U416.1+3A020054

0 引言

近些年，工程安全愈发得到重视，边坡稳定成为工程安全的重要组成部分。边坡工程领域相关研究成果丰硕，其中边坡工程的构造应力研究在水电站和矿山边坡工程中较为集中，部分学者采用理论方法研究、数值模拟等揭示出地质构造应力场分布规律及相互影响机理［1-2］；部分学者则依托大型工程研究构造应力对地下洞室围岩和边坡稳定的变形特征、力学机制及控制措施等［3-5］，此类研究往往存在持续时间长、工程规模大、场地构造作用及应力分布明显的特点，对于个体规模相对较小的公路边坡多因考虑费效比而在构造应力方面研究所涉极少，目前尚未见系统研究。

在地质构造复杂的山区公路顺层路堑边坡中，众多岩土学者及工程技术人员对顺层高边坡防护和顺层滑坡的设计治理方面开展了系统研究，主要集中在顺层坡的变形机理、演化过程、破坏模式、影响因素等方面［6-9］，但鲜见考虑构造应力作用对边坡稳定性的附加影响，导致部分复杂构造区的边坡出现多次变更处治的情况。

由于顺层边坡自身极易破坏失稳，为公路工程中最易出现的滑坡类型之一，而复杂场区构造应力对公路顺层边坡的稳定性存在不可忽视的负面影响，故深入探究残余构造应力的分布规律、作用大小及其作用下的顺层路堑滑坡机理具有重要的理论意义和实际应用价值。本文以广西河池大化县巴羌路某段顺层路堑滑坡为研究对象，根据其宏观变形特征，采用正向分析、数值模拟等方法，对残余构造应力深度影响边坡的稳定性进行分析研究，为类似项目提供参考。

1 工程概况

巴羌路某路堑边坡属剥蚀丘陵地貌区，地形起伏较大，高差约88 m，自然斜坡坡度15°～35°，局部有陡坎分布，现状稳定。

场地内地层主要为第四系残坡积（Qel+dl）硬塑状粉质黏土及三叠系中统百逢组（T2b）泥质粉砂岩。粉质黏土厚度为6.4～13.5 m；强风化泥质粉砂岩为薄～中厚层状构造，岩体破碎，节理很发育，厚度4.0～40.0 m，岩体质量为Ⅴ级～Ⅳ级，钻探中其岩芯见局部饼化现象；中风化泥质粉砂岩埋深较大，岩体质量为Ⅳ级。

该路堑段位于乙圩箱状背斜的西南翼（见图1），距离羌圩正断层最近约500 m，受乙圩箱状背斜及羌圩断层影响明显，场地内复式小褶皱发育。受与路线平行的向斜影响（见图2），路线左侧边坡岩层产状为230°∠5～36°，倾角自下而上渐次增大，由第1级近水平倾角增加至第五、六级的25°～36°，为典型的变倾角顺向缓倾高边坡；同时发育两组优势节理，其产状分别为J1：347°∠80°、J2：30°∠52°；路线右侧边坡区则发育有多个微小型褶曲，受构造影响，该侧岩层产状杂乱，总体倾向北东侧。

2 滑坡特征

该路堑左侧边坡在施工阶段受多因素影响发生过两次主要滑坡，第一次发生于边坡开挖早期，尚未实施防护措施；第二次发生于按第一次变更设计方案自上而下实施三级防护后，并向后牵引至边坡后缘外侧约15 m处，向前则往下部坡级发展，典型剖面如图3所示。两次滑坡发育阶段均可见坡体浅层在开挖后约2 h内产生裂缝（纹）并迅速扩大化现象，滑坡发育及发生阶段基本处于持续降雨期。

综合两次滑坡状况，概括其主要要素特征如表1所示。

3 边坡区残余构造应力分析

本公路项目地处云贵高原东南缘，为两广丘陵带西部，受造山运动影响，地貌变化大，其下伏地层分布上亦具复杂性和构造应力影响普遍存在的特点。而本边坡处于乙圩箱状背斜和羌圩正断层影响范围，多次构造运动的应力场叠加、牵引和改造及其他因素，共同构成了场地构造应力的复杂性和多变性。综上考虑，该边坡最大水平应力与垂直应力的比值约为2.09［10］。

由于边坡走向与乙圩背斜轴向、附近羌圩正断层走向及边坡区小向斜轴向接近，边坡区构造应力的最大主应力方向与边坡坡向（开挖侧临空面方向）基本一致。而在长期地质演化中，场区初始构造应力得以部分释放，主要存留残余构造应力。

综上分析，本边坡区构造应力与垂直应力近似呈线性关系，取边坡开挖深度H值为30～60 m，坡体岩土层参数按表2采用，垂直应力σ=0.65～1.365 MPa；构造应力按其2.09倍考虑，则σH=1.36～2.85 MPa。

以下结合前文内容及边坡第二次滑坡情况，通过FLAC 3D软件对边坡在自重应力及残余构造应力作用下的失稳破坏模式进行数值模拟分析验证，为滑坡成因与机理分析提供依据。

残余构造应力作用下的顺层路堑滑坡机理研究/李耀华，刘猛，黎俊杰，查俊，韦芳元

4 数值模拟分析验证

边坡施工中按1∶1.5坡率分6级放坡，其中边坡四至六级已设置锚杆格梁。边坡地层主要物理力学参数通过室内试验与反演分析综合确定，见表2。

根据图3中的典型剖面图建立数值模型，如图4所示，边坡岩土体采用Mohr-Coulomb本构模型，岩土层物理力学参数采用表2中非正常工况Ⅰ条件下参数以吻合滑坡发育及发生阶段的降雨场景，第四、五和六级坡已设置的锚杆格梁采用梁单元与锚索单元模拟，坡体模型单元总数为79 215个，节点数为19 765个。

本文模拟中利用应力边界条件在模型X方向上施加相应荷载以调试得到第4节所述构造应力场（其中A’点处的X向主应力为4.95 MPa，约为竖向主应力的2.12倍），得到较为符合场区内的初始残余构造应力情况，并在此基础上对边坡实施自上而下的多级开挖。其中数值模型的合理性可由图5所示的A-A’剖面坡体自重应力场的数值模拟结果与经典理论计算值的一致性得到初步确定。

模拟中当开挖第六级时，由于坡顶粉质黏土层自身抗剪强度低，在开挖后自身应力场迅速改变，粉质黏土层向临空面发生反弹位移与滑动，至最大0.26 m位移时达到自稳状态；对于边坡后缘位置，若考虑拉伸应变全部在裂缝处集中，则后缘位移可达0.2 m，如图6所示，基本吻合现场实况，这也进一步验证了数值模拟所取参数及初始应力场是较为合理的。

在上述第六级达到自稳状态后，继续向下开挖第5～2级边坡，水平残余构造应力及开挖后位移变化如图7～8所示。在每开挖一级时，边坡中的残余构造应力便会进行一次集中和迅速的释放，其分布变化具体表现为在边坡开挖最上级时，残存于坡体中的水平构造应力便开始由压应力转变为拉应力。随着开挖深度的加大，水平残余构造应力不断向下变化，以至于最终整个开挖坡面附近的水平向构造应力均由压转拉，在岩土实体上面则表征出坡面及坡体浅层岩石在开挖后快速显现裂缝（纹），节理裂隙迅速扩张等现象，同时坡面与坡脚处发生较大程度反弹位移，而坡顶处的位移也进一步受到影响增大至0.49 m，但坡体在完成部分应变能释放后，边坡整体仍处于基本稳定状态。

由于最后一级埋深大而受构造应力影响较大，随着残余构造应力的持续释放及坡顶处局部滑体的持续位移作用，使得下部坡体同时受到推挤作用与构造应力释放后变形影响，滑坡后部微裂缝继续向下发展，形成如图9～10所示深度约13 m的潜在滑面，剪出口位于第二级坡顶附近；当滑坡继续发展时，便可能沿此滑面于二级顶平台附近完全剪出，但受到上陡下缓的岩层倾角影响，前部近水平的岩层起到一定阻滑作用，滑体在第二级平台处位移到达0.6～0.75 m后便重新达到自稳状态，这一结果也与实际情况较为符合。以上数值模拟结果进一步证明坡体内部的残余构造应力对边坡失稳破坏有明显影响。

为进一步验证残余构造应力对坡体稳定性的影响，以下给出了未考虑构造应力作用下的边坡开挖稳定情况（即未施加应力边界条件，坡体处在自重应力场），如下页图11所示。由图11可知，在无水平残余构造应力作用下，第六级边坡情况与构造应力作用下较为相似，但随着埋深加大，坡体开挖情况出现差异化，仅在自重应力场作用下坡体未形成图11中的第二次潜在滑面，这也在一定程度上验证了残余构造应力对坡体稳定性的负面影响。

根据上述数值模拟结果，坡体X向的残余构造应力最大值σ1（即最大水平主应力）与抗拉强度相近，为4.5～5.0 MPa；在第二次滑坡中，对于距边坡线约15 m处，若考虑拉伸应变全部在裂缝处集中，则开裂缝宽可达0.225～0.25 m，基本吻合现场实况，表明数值模拟所取参数及结果是较为合理的。

5 滑坡成因与机理分析

根据滑坡宏观地质特征，结合场地地质条件和残余构造应力分析结果，滑坡成因为多方面因素综合迭加及影响形成，包括坡体岩土条件、地质构造及残余构造应力、气候降雨和人类施工影响，具体如下：

5.1 坡体岩土条件

边坡坡体主要由强风化泥质粉砂岩组成，局部见泥化夹层，该部分造岩矿物中含有大量亲水性黏土矿物，在降水入渗后与水结合性好而致其胶结物被软化或溶解，导致其粘聚力大为降低；且岩体节理裂隙极发育，岩体质量等级低，揭露后浅层极易崩解软化，强度迅速降低，同时易使降水入渗，此因素构成滑坡产生的基础条件。

5.2 地质构造及残余构造应力影响

边坡属典型的顺层边坡，层面倾角自下而上渐次增大，形成上陡下缓的变倾角顺向缓倾结构，加之泥化夹层影响，形成极不稳定组合。而边坡受区域地质构造及自身小构造影响，残余构造应力分布明显，其最大水平主应力方向与坡向基本一致，对边坡开挖的卸荷影响很大，具体表现为边坡开挖中残余构造应力的应力释放十分快速，致使坡体浅层岩石迅速产生裂纹或致节理裂隙迅速扩大，短时间内即可降低结构面结合程度和抗剪强度，形成开裂→变形→位移→滑移，直至最终成为滑坡，构成滑坡产生的主因。

5.3 降雨影响

项目区属亚热带季风气候，雨季降水丰沛，降水冲刷影响及节理裂隙中雨水入渗降低了岩块和结构面的抗剪强度，特别是渗水在泥化层面易形成水膜效应而对滑面形成润滑剂作用，加速滑坡发育。

5.4 人类施工影响

实际施工中未严格按照设计方案实施（如未形成地表截排水系统的畅通性、未落实逐级开挖及防护而采用大坡面开挖等）亦是构成滑坡产生的一大因素。

综上，本边坡滑坡的诱发机理为多因素的耦合作用，主要表现为边坡在岩土结构、地质构造、顺层结构、残余构造应力和降雨等共同作用下，经人工开挖后，边坡后部坡体浅层受应力快速释放、卸荷回弹致结构面及岩块裂隙短时间内扩大而崩解弱化，出现依附原层面的滑移拉裂，脱离原岩的坡体部分在自重应力和水平构造应力的牵引下沿软弱层面向临空面产生滑动，形成局部溜坍。而后未作及时处理，滑坡规模则继续扩大，在下部某变倾角位置形成滑移弯曲变形；滑坡性质亦出现变化，由最初的牵引式滑坡向推移式滑坡转变，滑坡规模进一步扩大。在滑坡推移过程中，滑坡以上已防护的坡面由于失去坡脚支挡形成临空面，牵引产生新滑坡，最终形成影响范围较广的顺向滑坡。

6 结语

基于前述内容，得出主要结论如下：

（1）复杂地质构造孕育的残余构造应力，对场地内边坡稳定性影响甚大；残余构造应力大小可按其与垂直应力的比值平均值×2.09估计。

（2）场地滑坡产生为多方面因素综合迭加及影响形成，坡体岩土条件、地质构造、残余构造应力、降雨、人类活动等均构成滑坡产生的影响因子；变倾角顺向缓倾结构、残余构造应力为主因。

（3）通过数值模拟对比分析有无残余构造应力作用下边坡稳定性，进一步证明坡体内部的残余构造应力对边坡失稳破坏有明显影响。

（4）边坡开挖中残余构造应力释放具备瞬态性，致使坡体浅层岩石迅速产生裂纹及既有节理裂隙迅速扩大，短时间内即可降低结构面结合程度和抗剪强度，形成开裂→变形→位移→滑移，产生滑移弯曲变形，构成上陡下缓式顺层-切层滑坡的变形机制。

参考文献：

［1］林子晗，夏元，张航川，等.幕阜山岩体北缘鄂南地区构造特征与构造控矿作用［J/OL］.地质科技通报，2024-03-29：1-15.

［2］苏生瑞.断裂构造对地应力场的影响及其工程意义［D］.成都：成都理工大学，2001.

［3］黄润秋，黄达，段绍辉，等.锦屏Ⅰ级水电站地下厂房施工期围岩变形开裂特征及地质力学机制研究［J］.岩石力学与工程学报，2011，30（1）：23-35.

［4］杜炜平，古德生，颜荣贵.边坡残余构造应力引起的宏观破坏特征及机制［J］.中国有色金属学报，2000，10（3）：451-454.

［5］杨鹏，吴晓鹏，胡秋越.黄石盘水库坝址区NJ2软弱夹层成因分析［J］.水科学与工程技术，2023（5）：84-86.