含軟弱夾層開挖邊坡變形特征物理模型試驗研究

茍水泉

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽 550002)

1 概 述

隨著經濟的發展，我國對基礎設施建設的需要不斷增大。水利工程的建設對于造福當地人民生活和促進當地經濟發展具有重要作用。但是，我國幅員遼闊，地形地貌、地質構造較為復雜。為了在山區河流上修建水利水電工程，有時不得不對邊坡進行開挖。但是，不合理的開挖方式必然會造成邊坡的失穩，對當地生產生活安全產生嚴重的威脅。目前，大量的專家學者對開挖邊坡進行了研究。穆成林等[1]通過現場踏勘和室內試驗，對含不連續軟層邊坡的變形破壞特征進行了研究，總結邊坡變形演化過程，可作為類似工程的參考。李韜等[2]采用數值模擬方法結合現場監測數據對白鶴灘水電站開挖邊坡進行了穩定性研究。唐紅梅等[3]采用相似材料物理模型試驗方法，對順層邊坡開挖破壞過程進行了研究。湯明高等[4]采用底摩擦的方法對斜坡潰屈特征進行了研究。陳沖、陳從新等[5-6]對不同巖層傾角的順層巖質邊坡變形破壞機制進行研究。馮文凱等[7]使用底摩擦物理實驗，對緩傾角層狀邊坡變形破壞機制進行研究。袁大祥、李聰[8-9]等對地質力學模型進行研究，構建了邊坡穩定性評價的新方法。

本文以貴州一處水利工程進場公路開挖造成的邊坡滑塌為研究對象，在現場踏勘的基礎上，采用底摩擦的物理方法對邊坡開挖后的應力變化和變形破壞特征進行研究。開挖邊坡全貌見圖1。

圖1 開挖邊坡全貌圖

2 工程概況

該開挖邊坡位于貴州省，邊坡總高度為59 m，長約100 m。根據現場調查，該邊坡的巖體為二疊系中統茅口組灰巖(P2m)，層厚為10～20 cm，巖層產狀為130°∠27°，存在兩組結構面，產狀為①220～225°∠80～85°，②110～15°∠45～55°，灰巖顏色為灰色-深灰色，夾有少量白云質灰巖。邊坡表層巖體風化較為嚴重為強風化，底部為中風化。該邊坡共分布有3層軟弱夾層，厚度為20 cm，風化嚴重，強度較低，較濕潤，難以搓條。該邊坡的破壞主要是沿著最底部軟弱夾層發生，該層軟層控制了邊坡的穩定性情況，為主控結構面。軟弱夾層特征見圖2。

圖2 軟弱夾層

3 邊坡破壞特征

該開挖邊坡前緣為開挖公路，公路下方為農田。邊坡整體落差較大。邊坡后緣為基巖，拉裂縫位于坡頂位置，在坡體表面植被較為發育。在坡體內分布有較多的拉張裂隙，根據現場調查訪問，邊坡的破壞不是一次發生的，而是發生了多次規模不同得破壞。邊坡破壞的左邊界為陡傾角的結構面，走向與邊坡的主滑方向基本一致，見圖3。破壞邊坡在形態上呈扇形。邊坡的破壞嚴重威脅到過往行人和車輛的安全。

圖3 滑坡左邊界

4 物理模擬分析

底摩擦實驗主要使用摩擦力來模擬重力，當實驗樣品小于某一厚度時，可認為摩擦力在模型內是均勻分布的。儀器能隨時勻速改變橡皮帶轉速；可直接觀測摩擦力大小，可通過改變轉速控制摩擦力大小；可根據試驗需要隨時啟停。

4.1 模型相似比及材料確定

將原型和模型之間具有相同量綱的物理量之比稱為相似比，用字母C來表示。定義Cl為長度相似比，Cγ為容重相似比，Cu為位移相似比，Cσ為應力相似比，Cσc為抗壓強度相似比，Cσt為抗拉強度相似比，Cε為應變相似比，CE為彈性模量相似比，Cc為內聚力相似比，Cφ為摩擦角相似比，Cμ為泊松比相似比，Cf為摩擦因數相似比。參考物理模擬實驗的相似原理，結合彈性力學方程，可以推導出線彈性問題基本相似判據為：Cσ=CE=Cc=Cσc=Cσt；Cu=Cl；Cσ=CγCl；Cφ=Cf=Cε=Cμ=1。據實驗設備條件，選擇室內模型與現場原型線性比例為Cl=100，相似材料容重比為Cγ=1.5。根據上述判據得知，Cσ=CE=Cc=Cσc=Cσt=150，Cu=Cl=100。查閱相關資料[10-11]，實驗材料配比和巖體物理力學參數見表1、表2。

表1 底摩擦實驗材料配比

表2 巖體(中風化灰巖)物理參數表

4.2 試驗模型設計

根據現場調查結果，該邊坡高為59面m。本次物理模擬實驗設計邊坡高度為59 cm。設計開挖高度為5 m。使用錫箔紙來模擬軟弱夾層。在邊坡畫線來監測邊坡的變形。建立的實驗模型見圖4。

圖4 底摩擦物理模型圖

4.3 試驗步驟

1) 進行底摩擦實驗儀的自檢，打開開關，使底摩擦儀進行轉動并保持穩定10 min以上。

2) 按照計算的相似材料比配置一定量的材料，將材料均勻鋪在橡皮帶上，壓實至厚10 mm，打開底摩擦儀，在摩擦力的作用下對鋪好的材料進行預壓實，持續30 min。關閉底摩擦儀，用小刀將材料刻畫為設計的形狀，刻畫出軟弱夾層和節理面，并用馬克筆畫上監測線。

3) 打開底摩擦儀開始進行實驗，并用數碼相機記錄實驗過程中斜坡的變形特征，將實驗時間保持在24 h左右。

4.4 試驗現象分析

當橡皮帶開始運動后，模型在摩擦力作用下受到擠密，斜坡表層巖體向坡腳運動，位移變形量不斷地增大，并且在坡腳位置產生最大的位移變形量。隨著實驗的繼續進行，在挖方邊坡坡肩位置，高度25 cm處出現拉張裂縫，形狀為階梯狀，寬度約為0.3 cm(對應現場實際寬度為0.3 m)，向下延伸0.65 cm(對應實際條件為0.65 m)；在實驗的中后階段，開挖的一級邊坡中，出現大量的拉張裂縫，張開程度從0.5～1.5 cm(對應現場實際寬度為0.5～1.5 m)，垂直開挖坡面向下延伸至5～7 cm(對應實際深度5～7 m),在邊坡中出現小范圍的滑動，滑動距離約為0.15 cm(對應實際距離約為0.15 m)，在開挖邊坡的坡腳，不同的巖層之間產生相互錯動，巖層沿著軟弱夾層向臨空方向運動；在實驗進行的最后階段，開挖邊坡完全破壞，滑體堆在斜坡坡腳位置，變形見圖5。

圖5 底摩擦物理模型破壞圖

4.5 變形破壞機制分析

邊坡開挖后，該邊坡產生了兩次滑動，首先是靠近坡腳的位置產生了第一次的滑動破壞。底部破壞后，上部巖體形成較好的臨空面，在降雨作用下，上部巖體也產生向下的滑動。研究邊坡的破壞主要是由坡腳開挖引起的，坡腳的開挖首先在邊坡的坡腳位置形成良好的臨空面，由于坡體本身結構面較為發育，有利于雨水的入滲，造成軟弱夾層強度的急劇降低，最終在坡體中部拉裂，向下滑動，形成邊坡的第一次破壞。當下部巖體破壞后，再一次形成較好的臨空條件，上部巖體亦產生向下的滑動。邊坡變形破壞示意圖見圖6。

圖6 邊坡變形破壞機制示意圖

5 結 論

1) 該邊坡的變形失穩主要是由于公路建設過程中的不合適開挖引起的。開挖造成了邊坡坡腳位置形成良好的臨空條件，促進了邊坡的變形失穩。

2) 根據底摩擦物理模擬分析，重現了邊坡的變形失穩過程，與現場調查結果較為符合，邊坡的失穩不是一次形成的，而是發生了兩次滑動。底部的滑動造成上部巖土體形成良好的臨空面，繼而上部巖體也產生破壞。

3) 在對邊坡進行開挖時，應提前做好支護措施，避免開挖邊坡破壞對施工人員產生威脅。