呂梁地區(qū)不同地層結(jié)構(gòu)黃土邊坡坡腳開挖效應(yīng)

王壯壯， 黃強(qiáng)兵,2*， 劉 悅， 徐明祥

(1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054；2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054；3.長(zhǎng)安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，西安 710054)

黃土主要形成于第四紀(jì)以來(lái)，是具有濕陷性、多孔隙和垂直節(jié)理的一種特殊沉積物，中國(guó)黃土主要分布于陜西、山西、甘肅、寧夏等西北地區(qū)。隨著西部經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類工程活動(dòng)的加劇，加之地形限制，許多工程需要開挖黃土邊坡來(lái)進(jìn)行場(chǎng)地建設(shè)，人類對(duì)黃土地區(qū)地質(zhì)環(huán)境的改造也帶來(lái)一系列的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題。呂梁地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要集中于柳林、離石、中陽(yáng)、和石樓4縣[1],災(zāi)害規(guī)模都相對(duì)較小，但卻造成很大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。2008年6月13日山西呂梁離石區(qū)西屬巴街道上安村因磚廠多年連續(xù)取土加上坡腳人工開挖形成黃土滑坡，造成19人死亡，磚廠廠房被毀；2009年10月7日呂梁柳林縣賈家垣鄉(xiāng)棗林村棗林溝因工程開挖加上降雨作用形成黃土滑坡，造成6人死亡[2]；2009年11月16日呂梁中陽(yáng)縣張子山鄉(xiāng)張家咀村因坡腳開挖形成茅火梁崩塌，導(dǎo)致23人死亡，6間房屋被毀；2018年4月30日，呂梁離石區(qū)棗林鄉(xiāng)彩家莊南溝發(fā)生一起黃土崩塌災(zāi)害，造成9人死亡。由此可見黃土邊坡災(zāi)害給呂梁地區(qū)社會(huì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了很大的危害。隨著呂梁地區(qū)工程建設(shè)的不斷深入，大量潛在的不穩(wěn)定黃土邊坡勢(shì)必會(huì)給該地區(qū)城市規(guī)劃、鄉(xiāng)村建設(shè)以及交通等方面帶來(lái)一定程度的不利影響。

目前，關(guān)于黃土邊坡開挖變形失穩(wěn)方面許多學(xué)者從理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬角度開展了不少研究，并取得了很多重要成果。在理論分析方面主要采用傳統(tǒng)的剛體極限平衡分析法[3-9]；在試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算方面，黃強(qiáng)兵等[10]通過(guò)原狀黃土的室內(nèi)常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)(CTC)和減壓三軸壓縮試驗(yàn)(RTC)對(duì)比分析，認(rèn)為減壓三軸壓縮試驗(yàn)(RTC)能合理解釋開挖卸荷作用下黃土邊坡的變形破壞過(guò)程；胡斌等[11]通過(guò)FLAC3D分析了軟硬互層邊坡的開挖卸荷效應(yīng)，認(rèn)為開挖卸荷會(huì)弱化軟弱夾層力學(xué)性能，進(jìn)而影響邊坡整體的穩(wěn)定性；劉悅等[12]通過(guò)離心機(jī)試驗(yàn)?zāi)M了黃土邊坡開挖的變形過(guò)程和破壞特征，認(rèn)為黃土路塹邊坡開挖變形破壞的力學(xué)機(jī)制總體上應(yīng)屬于蠕滑-壓致拉裂機(jī)制；李明等[13]和龔成明等[14]也通過(guò)離心模型試驗(yàn)進(jìn)行了黃土邊坡開挖的研究；蒲小武等[15]對(duì)蘭州黃土挖方高邊坡進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明挖方后的位移場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變都出現(xiàn)了顯著變化；肖世國(guó)等[16]通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的分析指出了邊坡開挖松弛區(qū)的確定方法，并用工程實(shí)例結(jié)合數(shù)值模擬給出了邊坡開挖松弛區(qū)的確定過(guò)程；候定貴等[17]分析了公路邊坡在開挖過(guò)程及開挖后的不同加固情況下的變形與穩(wěn)定性，并通過(guò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)；葉萬(wàn)軍等[18]通過(guò)能量判據(jù)并結(jié)合強(qiáng)度折減對(duì)黃土邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析及邊坡優(yōu)化，并結(jié)合實(shí)例驗(yàn)證了優(yōu)化方法的實(shí)用性；張季如[19]利用非線性有限元對(duì)邊坡開挖進(jìn)行了研究，探討了邊坡變形的大小和分布以及塑性區(qū)的擴(kuò)張形態(tài)，認(rèn)為邊坡在產(chǎn)生剪切破壞之前通常伴隨著較大的豎向和水平位移。

綜上所述，以往研究對(duì)不同地層結(jié)構(gòu)的黃土邊坡在開挖作用下的邊坡變形破壞機(jī)制探討較少，而黃土邊坡的結(jié)構(gòu)性對(duì)坡體穩(wěn)定性影響較大。現(xiàn)以山西呂梁地區(qū)黃土邊坡為研究背景，探討該地區(qū)邊坡地層結(jié)構(gòu)組合模式在不同開挖進(jìn)尺和開挖角度下的開挖效應(yīng)，分析處于極限平衡狀態(tài)不同地層結(jié)構(gòu)組合的黃土邊坡位移特征和不同地層結(jié)構(gòu)對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響，研究成果對(duì)于黃土高原地區(qū)邊坡科學(xué)合理開挖及防災(zāi)減災(zāi)具有指導(dǎo)意義。

1 呂梁地區(qū)黃土邊坡地層結(jié)構(gòu)

圖1 呂梁地區(qū)滑坡及不穩(wěn)定斜坡Fig.1 Landslides and unstable slopes in Lüliang area

呂梁地區(qū)山地面積占全呂梁市總面積的77.8%，境內(nèi)地勢(shì)北高南低，自東北向西南傾斜，一般海拔在1 000～2 000 m，最高海拔關(guān)帝山主峰2 831 m，屬山西境內(nèi)的第三高峰，最低點(diǎn)在黃河沿岸石樓縣西山鄉(xiāng)崖頭村黃河岸，海拔556 m，相對(duì)高差2 275 m。呂梁山以西黃土覆蓋廣，厚度大，坡陡溝深平地少，是山西黃土高原地貌發(fā)育比較典型的山區(qū)[1]。據(jù)調(diào)查研究，呂梁地區(qū)的黃土地質(zhì)災(zāi)害多分布于平川與山區(qū)的過(guò)渡帶，而滑坡、崩塌及不穩(wěn)定斜坡等(圖1)主要分布于呂梁山以西黃河沿岸的柳林、臨縣和中間地帶的離石和中陽(yáng)等地區(qū)，不穩(wěn)定斜坡地層主要是馬蘭黃土(Q3)和離石黃土(Q2)，并夾有古土壤層(S)，部分斜坡下伏紅黏土(N2)。馬蘭黃土(Q3)為淺黃色粉土，結(jié)構(gòu)松散，具多孔性和大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，透水性較強(qiáng)，遇水易軟化崩解，具有濕陷性；離石黃土(Q2)為磚紅色亞黏土含成層的鈣質(zhì)結(jié)核，結(jié)構(gòu)較密，透水性弱，較易隔水; 紅黏土(N2)上部為褐紅色及棕紅色黏土夾鈣質(zhì)結(jié)核,下部為白色～淺褐色礫巖夾砂質(zhì)黏土。

根據(jù)野外調(diào)查已經(jīng)發(fā)生的滑坡、崩塌和潛在的不穩(wěn)定黃土邊坡地層組合情況，概化出以下四種地層結(jié)構(gòu)類型的邊坡：①單一Q3黃土(Ⅰ型)；②Q2黃土夾S1古土壤(Ⅱ型)；③Q3黃土、Q2黃土夾S1和 S2古土壤型(Ⅲ型)；④Q3黃土、S1古土壤、Q2黃土和下伏N2紅黏土(Ⅳ型)，如圖2所示。針對(duì)上述四種地層結(jié)構(gòu)類型的黃土邊坡，通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)分析不同坡腳開挖工況對(duì)不同地層結(jié)構(gòu)類型黃土邊坡穩(wěn)定性的影響。

2 有限元模型建立及計(jì)算方法

邊坡開挖模型如圖3所示，不同地層結(jié)構(gòu)類型黃土邊坡尺寸相同，邊坡原始坡度取α=40°，坡高取80 m，計(jì)算工況為坡腳開挖進(jìn)尺L=10、20、30、40 m共四種，且每一進(jìn)尺的邊坡開挖角β取50°、60°、70°、80°和90°五種工況，并在坡頂和坡體內(nèi)部深度為20、40、55、75 m布設(shè)了五條平行于坡頂?shù)臏y(cè)線l1～l5，各測(cè)線位置如圖3所示，用于記錄測(cè)線上節(jié)點(diǎn)的位移。基于FLAC3D有限差分軟件，計(jì)算模型中不同地層結(jié)構(gòu)類型邊坡地層分布情況如圖4所示，地層的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[20-22]確定如表1所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

采用FLAC3D內(nèi)置的強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，其基本原理[23-24]是將坡體的強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ同除一個(gè)折減系數(shù)Ftrial，得到一組新的強(qiáng)度參數(shù)c′、φ′。

(1)

圖2 不同地層結(jié)構(gòu)類型黃土邊坡概化圖Fig.2 Generalized map of loess slopes with different stratigraphic types

圖3 邊坡開挖及測(cè)線布置Fig.3 Slope excavation and monitoring line layout

圖4 不同類型邊坡地層組成及分層厚度Fig.4 Stratigraphic composition and layer thickness of different types of slopes

如果此時(shí)未達(dá)到極限平衡狀態(tài)，則繼續(xù)重復(fù)上述步驟，經(jīng)過(guò)不斷地試算，將強(qiáng)度參數(shù)折減一個(gè)系數(shù)后到模型達(dá)到極限平衡狀態(tài)，此時(shí)的強(qiáng)度參數(shù)ci和φi所對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)Fi即為邊坡的穩(wěn)定性穩(wěn)定系數(shù)。

(2)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 不同地層結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性

圖5 邊坡穩(wěn)定系數(shù)與開挖步關(guān)系Fig.5 Relationship between stability coefficient of slope stability and excavation step

圖5給出了不同地層結(jié)構(gòu)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨開挖進(jìn)尺和開挖角的變化趨勢(shì)，橫軸開挖步1～5表示開挖進(jìn)尺L=10 m時(shí)開挖角β=50°～90°的變化過(guò)程；開挖步6～10表示開挖進(jìn)尺L=20 m時(shí)開挖角β=50°～90°的變化過(guò)程；以此類推，開挖步20表示L=40 m、β=90°的工況。從圖5可知，同一地層結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨開挖進(jìn)尺L和開挖角β的增大而整體減小，不同開挖進(jìn)尺，開挖角β的變化對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響差別較大。

為了量化同一開挖進(jìn)尺下開挖角β從50°到90°時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響，現(xiàn)定義開挖角對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響程度R為

(3)

式(3)中：F50為50°開挖角的邊坡穩(wěn)定系數(shù)；F90為90°開挖角的邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

表2給出了不同開挖進(jìn)尺L=10、20、30、40 m開挖進(jìn)尺下四種不同地層結(jié)構(gòu)黃土邊坡穩(wěn)定系數(shù)和R值。由表2可知，當(dāng)進(jìn)尺L=10、20 m時(shí)，R=-1%～1%，即說(shuō)明開挖角β的變化引起穩(wěn)定系數(shù)的變化很小；當(dāng)L=30 m時(shí)，R達(dá)到10%左右，而當(dāng)L=40 m時(shí)，R=23.25%～29.5%，顯著增大，即在開挖進(jìn)尺較小時(shí)(L=10、20 m)，開挖角β變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小，而當(dāng)開挖進(jìn)尺較大時(shí)(L=30、40 m)影響較大，此時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)會(huì)隨β的增大而顯著減小。對(duì)于邊坡的穩(wěn)定性，當(dāng)L=10、20 m時(shí)，同一開挖角下，四種地層結(jié)構(gòu)類型邊坡的穩(wěn)定系數(shù)從大到小依次為Ⅲ型>Ⅳ型>Ⅱ型>Ⅰ型，當(dāng)L=30、40 m時(shí)，同一開挖角下，四種類型邊坡的穩(wěn)定系數(shù)從大到小依次為Ⅲ型>Ⅱ型>Ⅰ型>Ⅳ型，且僅Ⅳ型在L=40 m、β=90°時(shí)穩(wěn)定系數(shù)為0.994，已經(jīng)處于失穩(wěn)狀態(tài)，其他開挖工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)均大于1，說(shuō)明具有多層古土壤的黃土邊坡穩(wěn)定性較其他類型邊坡要好，古土壤的存在提高了坡體的穩(wěn)定性。

表2 不同開挖進(jìn)尺下邊坡穩(wěn)定系數(shù)及R

圖6 Ⅳ型邊坡最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍DFig.6 Maximum shear strain incremental cloud map of type Ⅳ slope

由于篇幅限制，以Ⅳ型邊坡為例，圖6給出了開挖進(jìn)尺L=20、40 m時(shí)開挖角β分別為50°和90°時(shí)的最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D，剪應(yīng)變?cè)隽孔畲蟀l(fā)生在坡腳處，當(dāng)β為50°時(shí)，最大剪應(yīng)變?cè)隽繋е饕谄履_一定范圍，而當(dāng)β增大至90°時(shí)，在小開挖進(jìn)尺下(L=20 m)最大剪應(yīng)變?cè)隽繋]有向上擴(kuò)展的趨勢(shì)，而在大開挖進(jìn)尺下(L=40 m)最大剪應(yīng)變?cè)隽繋]有從坡腳向上擴(kuò)展，而是在淺層向上形成一個(gè)條帶狀，有向上貫通的趨勢(shì)，即坡體可能發(fā)生淺層失穩(wěn)破壞，這也能說(shuō)明圖5中在開挖進(jìn)尺較大時(shí)開挖角變陡會(huì)使邊坡穩(wěn)定系數(shù)顯著降低，因此在大進(jìn)尺開挖邊坡時(shí)，應(yīng)盡量使開挖角較小。

3.2 不同地層結(jié)構(gòu)邊坡變形特征

天然邊坡經(jīng)過(guò)開挖擾動(dòng)，原有的力學(xué)平衡被打破，坡體內(nèi)部巖土體經(jīng)過(guò)應(yīng)力變形的調(diào)整，將達(dá)到新的平衡狀態(tài)，但這種調(diào)整并不是無(wú)限地向邊坡內(nèi)部擴(kuò)展，而是對(duì)坡面一定范圍內(nèi)土體影響比較明顯，肖世國(guó)等[16]稱這一影響范圍內(nèi)的巖土體為坡體開挖松弛區(qū)。不同類型邊坡在開挖擾動(dòng)下的變形特征相似，以Ⅳ型邊坡為例，圖7給出了開挖進(jìn)尺L=30 m不同開挖角坡體位移等值線，當(dāng)β=50°時(shí)，坡體中下部小范圍內(nèi)產(chǎn)生向臨空面方向的水平位移，最大水平位移為2 mm，邊坡臨空面及內(nèi)部一定區(qū)域由于卸荷回彈而產(chǎn)生向上的豎直位移，最大豎向位移約10 mm；開挖面以下由于卸荷回彈產(chǎn)生向上最大9 mm和向左最大5 mm的位移。水平位移等值線從坡面向內(nèi)部呈長(zhǎng)軸水平的橢圓形，豎向位移等值線從坡面向內(nèi)呈圓弧型延伸。當(dāng)β=90°時(shí)，整個(gè)坡體大范圍內(nèi)產(chǎn)生向臨空面的水平位移，最大水平位移在豎直開挖面附近約10 mm，豎向位移不同于β=50°時(shí)的向上回彈，而是坡體整體的向下沉降，最大豎向位移在豎直開挖面頂部約12 mm，開挖面以下也同樣產(chǎn)生一定的回彈變形。對(duì)比不同開挖角的變形特征可以看出，開挖角緩時(shí)邊坡變形以豎向回彈為主，而開挖角陡時(shí)向臨空面的水平位移和向下的豎向位移都較大，更不利于邊坡的穩(wěn)定。

圖7 Ⅳ型邊坡L=30 m位移等值線Fig.7 Type Ⅳ slope L=30 m displacement contours

坡腳開挖會(huì)導(dǎo)致坡體應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的變化，也在一定程度上降低了坡體穩(wěn)定性，但黃土地區(qū)坡腳開挖一般不會(huì)直接導(dǎo)致黃土邊坡的失穩(wěn)破壞，而是在后期降雨入滲作用下土體強(qiáng)度參數(shù)降低而導(dǎo)致破壞的情況。本次以開挖進(jìn)尺L=20 m、開挖角β=70°工況為例，繪制出了不同類型邊坡強(qiáng)度折減后邊坡處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，五條測(cè)線水平位移變化曲線，如圖8所示，在不同地層結(jié)構(gòu)黃土邊坡中，各測(cè)線上的水平位移呈相似的變化趨勢(shì)，沿測(cè)線由臨空面向坡體內(nèi)部變化過(guò)程中，曲線都在一定的位置出現(xiàn)拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)以后即靠近臨空面的點(diǎn)水平位移較大且不變，故認(rèn)為拐點(diǎn)之后位移較大的區(qū)域?yàn)檫吰麻_挖后達(dá)到極限平衡破壞時(shí)的滑動(dòng)區(qū)，因此可以將不同深度測(cè)線上位移曲線的拐點(diǎn)連接成一條線，將這條線至開挖邊坡臨空面這一部分位移較大的區(qū)域稱為邊坡主要變形破壞區(qū)，而這條線也可以認(rèn)為是邊坡破壞時(shí)的潛在滑動(dòng)面。

圖8 不同類型黃土邊坡強(qiáng)度折減后水平位移Fig.8 Horizontal displacement of different loess slopes after strength reduction

圖9給出了開挖進(jìn)尺L=20 m、開挖角β=70°工況下不同地層結(jié)構(gòu)黃土邊坡強(qiáng)度折減后處于極限平衡時(shí)的變形破壞區(qū)。由圖9可知，不同類型邊坡滑面有一定差別，但變化不是很明顯，各相鄰滑面距離約2 m，剪出口均出現(xiàn)在坡腳上部5 m左右，且不同地層結(jié)構(gòu)邊坡在強(qiáng)度折減破壞后其滑面有一定的相似特征，即呈現(xiàn)上部平緩、中部陡和下部較平緩的現(xiàn)象，這說(shuō)明在坡型坡高相同的條件下，坡腳開挖導(dǎo)致不同地層結(jié)構(gòu)類型的邊坡變形破壞的破壞面形態(tài)基本一致，滑體厚度存在一定差異但區(qū)別不大。

圖9 不同地層結(jié)構(gòu)類型邊坡變形破壞區(qū)Fig.9 The deformation and failure zone of loess slope with different stratum structures

4 結(jié)論

在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)地層結(jié)構(gòu)特征將呂梁地區(qū)黃土邊坡概化為四種不同結(jié)構(gòu)類型，基于數(shù)值模擬對(duì)不同地層結(jié)構(gòu)類型黃土邊坡坡腳開挖的影響效應(yīng)進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論。

(1)對(duì)于不同地層結(jié)構(gòu)類型的黃土邊坡，在開挖進(jìn)尺為L(zhǎng)≤20 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨開挖角變化較小，其中Ⅰ型邊坡穩(wěn)定系數(shù)最低，而開挖進(jìn)尺L≥30 m時(shí)，開挖角度從50°增大到90°，邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低10%～30%，其中Ⅳ型邊坡穩(wěn)定系數(shù)最低，且古土壤層的存在有益于邊坡的穩(wěn)定性。

(2)在開挖進(jìn)尺較小時(shí)最大剪應(yīng)變?cè)隽繋H在坡腳附近最為顯著，而在開挖進(jìn)尺較大時(shí)，開挖角大時(shí)，會(huì)在淺層形成一個(gè)最大剪應(yīng)變?cè)隽繋Р⒂邢蛏县炌ǖ内厔?shì)，易形成淺層滑坡，故大進(jìn)尺開挖邊坡時(shí)應(yīng)設(shè)置較小開挖角。

(3)坡腳開挖角度較緩時(shí)邊坡的變形以豎向回彈為主，而開挖角較陡時(shí)，邊坡變形以向臨空面的水平位移和向下的豎向位移為主，且較大。

(4)在坡型坡高相同的條件下，坡腳開挖導(dǎo)致不同地層結(jié)構(gòu)類型的邊坡變形破壞的破壞面形態(tài)基本一致，滑體厚度存在一定差異但區(qū)別不大，滑面具有上部平緩、中部陡和下部緩的特征。