殘余構造應力作用下的順層路塹滑坡機理研究

摘要：文章以廣西山區高速公路某構造區順層路塹滑坡項目為依托，通過殘余構造應力分析，結合數值模擬，對邊坡在逐級開挖過程中受殘余構造應力的影響程度和滑坡演化機理進行研究。研究表明：邊坡開挖中，復雜地質構造帶孕育的較高殘余構造應力瞬時釋放，致使坡體淺層巖石迅速產生裂紋及既有節理裂隙快速擴大，短時間內降低結構面抗剪強度，形成開裂→變形→位移→滑移，并在其他因素綜合影響下，形成完整滑坡。對是否考慮構造應力下的邊坡穩定性進行數值模擬的結果說明，殘余構造應力對邊坡的穩定性影響甚大，同時也得出了殘余構造應力快速計算方式，可供類似項目參考。

關鍵詞：順層滑坡；殘余構造應力；高速公路；數值模擬；滑坡機理

U416.1+3A020054

0 引言

近些年，工程安全愈發得到重視，邊坡穩定成為工程安全的重要組成部分。邊坡工程領域相關研究成果豐碩，其中邊坡工程的構造應力研究在水電站和礦山邊坡工程中較為集中，部分學者采用理論方法研究、數值模擬等揭示出地質構造應力場分布規律及相互影響機理［1-2］；部分學者則依托大型工程研究構造應力對地下洞室圍巖和邊坡穩定的變形特征、力學機制及控制措施等［3-5］，此類研究往往存在持續時間長、工程規模大、場地構造作用及應力分布明顯的特點，對于個體規模相對較小的公路邊坡多因考慮費效比而在構造應力方面研究所涉極少，目前尚未見系統研究。

在地質構造復雜的山區公路順層路塹邊坡中，眾多巖土學者及工程技術人員對順層高邊坡防護和順層滑坡的設計治理方面開展了系統研究，主要集中在順層坡的變形機理、演化過程、破壞模式、影響因素等方面［6-9］，但鮮見考慮構造應力作用對邊坡穩定性的附加影響，導致部分復雜構造區的邊坡出現多次變更處治的情況。

由于順層邊坡自身極易破壞失穩，為公路工程中最易出現的滑坡類型之一，而復雜場區構造應力對公路順層邊坡的穩定性存在不可忽視的負面影響，故深入探究殘余構造應力的分布規律、作用大小及其作用下的順層路塹滑坡機理具有重要的理論意義和實際應用價值。本文以廣西河池大化縣巴羌路某段順層路塹滑坡為研究對象，根據其宏觀變形特征，采用正向分析、數值模擬等方法，對殘余構造應力深度影響邊坡的穩定性進行分析研究，為類似項目提供參考。

1 工程概況

巴羌路某路塹邊坡屬剝蝕丘陵地貌區，地形起伏較大，高差約88 m，自然斜坡坡度15°～35°，局部有陡坎分布，現狀穩定。

場地內地層主要為第四系殘坡積（Qel+dl）硬塑狀粉質黏土及三疊系中統百逢組（T2b）泥質粉砂巖。粉質黏土厚度為6.4～13.5 m；強風化泥質粉砂巖為薄～中厚層狀構造，巖體破碎，節理很發育，厚度4.0～40.0 m，巖體質量為Ⅴ級～Ⅳ級，鉆探中其巖芯見局部餅化現象；中風化泥質粉砂巖埋深較大，巖體質量為Ⅳ級。

該路塹段位于乙圩箱狀背斜的西南翼（見圖1），距離羌圩正斷層最近約500 m，受乙圩箱狀背斜及羌圩斷層影響明顯，場地內復式小褶皺發育。受與路線平行的向斜影響（見圖2），路線左側邊坡巖層產狀為230°∠5～36°，傾角自下而上漸次增大，由第1級近水平傾角增加至第五、六級的25°～36°，為典型的變傾角順向緩傾高邊坡；同時發育兩組優勢節理，其產狀分別為J1：347°∠80°、J2：30°∠52°；路線右側邊坡區則發育有多個微小型褶曲，受構造影響，該側巖層產狀雜亂，總體傾向北東側。

2 滑坡特征

該路塹左側邊坡在施工階段受多因素影響發生過兩次主要滑坡，第一次發生于邊坡開挖早期，尚未實施防護措施；第二次發生于按第一次變更設計方案自上而下實施三級防護后，并向后牽引至邊坡后緣外側約15 m處，向前則往下部坡級發展，典型剖面如圖3所示。兩次滑坡發育階段均可見坡體淺層在開挖后約2 h內產生裂縫（紋）并迅速擴大化現象，滑坡發育及發生階段基本處于持續降雨期。

綜合兩次滑坡狀況，概括其主要要素特征如表1所示。

3 邊坡區殘余構造應力分析

本公路項目地處云貴高原東南緣，為兩廣丘陵帶西部，受造山運動影響，地貌變化大，其下伏地層分布上亦具復雜性和構造應力影響普遍存在的特點。而本邊坡處于乙圩箱狀背斜和羌圩正斷層影響范圍，多次構造運動的應力場疊加、牽引和改造及其他因素，共同構成了場地構造應力的復雜性和多變性。綜上考慮，該邊坡最大水平應力與垂直應力的比值約為2.09［10］。

由于邊坡走向與乙圩背斜軸向、附近羌圩正斷層走向及邊坡區小向斜軸向接近，邊坡區構造應力的最大主應力方向與邊坡坡向（開挖側臨空面方向）基本一致。而在長期地質演化中，場區初始構造應力得以部分釋放，主要存留殘余構造應力。

綜上分析，本邊坡區構造應力與垂直應力近似呈線性關系，取邊坡開挖深度H值為30～60 m，坡體巖土層參數按表2采用，垂直應力σ=0.65～1.365 MPa；構造應力按其2.09倍考慮，則σH=1.36～2.85 MPa。

以下結合前文內容及邊坡第二次滑坡情況，通過FLAC 3D軟件對邊坡在自重應力及殘余構造應力作用下的失穩破壞模式進行數值模擬分析驗證，為滑坡成因與機理分析提供依據。

殘余構造應力作用下的順層路塹滑坡機理研究/李耀華，劉 猛，黎俊杰，查 俊，韋芳元

4 數值模擬分析驗證

邊坡施工中按1∶1.5坡率分6級放坡，其中邊坡四至六級已設置錨桿格梁。邊坡地層主要物理力學參數通過室內試驗與反演分析綜合確定，見表2。

根據圖3中的典型剖面圖建立數值模型，如圖4所示，邊坡巖土體采用Mohr-Coulomb本構模型，巖土層物理力學參數采用表2中非正常工況Ⅰ條件下參數以吻合滑坡發育及發生階段的降雨場景，第四、五和六級坡已設置的錨桿格梁采用梁單元與錨索單元模擬，坡體模型單元總數為79 215個，節點數為19 765個。

本文模擬中利用應力邊界條件在模型X方向上施加相應荷載以調試得到第4節所述構造應力場（其中A’點處的X向主應力為4.95 MPa，約為豎向主應力的2.12倍），得到較為符合場區內的初始殘余構造應力情況，并在此基礎上對邊坡實施自上而下的多級開挖。其中數值模型的合理性可由圖5所示的A-A’剖面坡體自重應力場的數值模擬結果與經典理論計算值的一致性得到初步確定。

模擬中當開挖第六級時，由于坡頂粉質黏土層自身抗剪強度低，在開挖后自身應力場迅速改變，粉質黏土層向臨空面發生反彈位移與滑動，至最大0.26 m位移時達到自穩狀態；對于邊坡后緣位置，若考慮拉伸應變全部在裂縫處集中，則后緣位移可達0.2 m，如圖6所示，基本吻合現場實況，這也進一步驗證了數值模擬所取參數及初始應力場是較為合理的。

在上述第六級達到自穩狀態后，繼續向下開挖第5～2級邊坡，水平殘余構造應力及開挖后位移變化如圖7～8所示。在每開挖一級時，邊坡中的殘余構造應力便會進行一次集中和迅速的釋放，其分布變化具體表現為在邊坡開挖最上級時，殘存于坡體中的水平構造應力便開始由壓應力轉變為拉應力。隨著開挖深度的加大，水平殘余構造應力不斷向下變化，以至于最終整個開挖坡面附近的水平向構造應力均由壓轉拉，在巖土實體上面則表征出坡面及坡體淺層巖石在開挖后快速顯現裂縫（紋），節理裂隙迅速擴張等現象，同時坡面與坡腳處發生較大程度反彈位移，而坡頂處的位移也進一步受到影響增大至0.49 m，但坡體在完成部分應變能釋放后，邊坡整體仍處于基本穩定狀態。

由于最后一級埋深大而受構造應力影響較大，隨著殘余構造應力的持續釋放及坡頂處局部滑體的持續位移作用，使得下部坡體同時受到推擠作用與構造應力釋放后變形影響，滑坡后部微裂縫繼續向下發展，形成如圖9～10所示深度約13 m的潛在滑面，剪出口位于第二級坡頂附近；當滑坡繼續發展時，便可能沿此滑面于二級頂平臺附近完全剪出，但受到上陡下緩的巖層傾角影響，前部近水平的巖層起到一定阻滑作用，滑體在第二級平臺處位移到達0.6～0.75 m后便重新達到自穩狀態，這一結果也與實際情況較為符合。以上數值模擬結果進一步證明坡體內部的殘余構造應力對邊坡失穩破壞有明顯影響。

為進一步驗證殘余構造應力對坡體穩定性的影響，以下給出了未考慮構造應力作用下的邊坡開挖穩定情況（即未施加應力邊界條件，坡體處在自重應力場），如下頁圖11所示。由圖11可知，在無水平殘余構造應力作用下，第六級邊坡情況與構造應力作用下較為相似，但隨著埋深加大，坡體開挖情況出現差異化，僅在自重應力場作用下坡體未形成圖11中的第二次潛在滑面，這也在一定程度上驗證了殘余構造應力對坡體穩定性的負面影響。

根據上述數值模擬結果，坡體X向的殘余構造應力最大值σ1（即最大水平主應力）與抗拉強度相近，為4.5～5.0 MPa；在第二次滑坡中，對于距邊坡線約15 m處，若考慮拉伸應變全部在裂縫處集中，則開裂縫寬可達0.225～0.25 m，基本吻合現場實況，表明數值模擬所取參數及結果是較為合理的。

5 滑坡成因與機理分析

根據滑坡宏觀地質特征，結合場地地質條件和殘余構造應力分析結果，滑坡成因為多方面因素綜合迭加及影響形成，包括坡體巖土條件、地質構造及殘余構造應力、氣候降雨和人類施工影響，具體如下：

5.1 坡體巖土條件

邊坡坡體主要由強風化泥質粉砂巖組成，局部見泥化夾層，該部分造巖礦物中含有大量親水性黏土礦物，在降水入滲后與水結合性好而致其膠結物被軟化或溶解，導致其粘聚力大為降低；且巖體節理裂隙極發育，巖體質量等級低，揭露后淺層極易崩解軟化，強度迅速降低，同時易使降水入滲，此因素構成滑坡產生的基礎條件。

5.2 地質構造及殘余構造應力影響

邊坡屬典型的順層邊坡，層面傾角自下而上漸次增大，形成上陡下緩的變傾角順向緩傾結構，加之泥化夾層影響，形成極不穩定組合。而邊坡受區域地質構造及自身小構造影響，殘余構造應力分布明顯，其最大水平主應力方向與坡向基本一致，對邊坡開挖的卸荷影響很大，具體表現為邊坡開挖中殘余構造應力的應力釋放十分快速，致使坡體淺層巖石迅速產生裂紋或致節理裂隙迅速擴大，短時間內即可降低結構面結合程度和抗剪強度，形成開裂→變形→位移→滑移，直至最終成為滑坡，構成滑坡產生的主因。

5.3 降雨影響

項目區屬亞熱帶季風氣候，雨季降水豐沛，降水沖刷影響及節理裂隙中雨水入滲降低了巖塊和結構面的抗剪強度，特別是滲水在泥化層面易形成水膜效應而對滑面形成潤滑劑作用，加速滑坡發育。

5.4 人類施工影響

實際施工中未嚴格按照設計方案實施（如未形成地表截排水系統的暢通性、未落實逐級開挖及防護而采用大坡面開挖等）亦是構成滑坡產生的一大因素。

綜上，本邊坡滑坡的誘發機理為多因素的耦合作用，主要表現為邊坡在巖土結構、地質構造、順層結構、殘余構造應力和降雨等共同作用下，經人工開挖后，邊坡后部坡體淺層受應力快速釋放、卸荷回彈致結構面及巖塊裂隙短時間內擴大而崩解弱化，出現依附原層面的滑移拉裂，脫離原巖的坡體部分在自重應力和水平構造應力的牽引下沿軟弱層面向臨空面產生滑動，形成局部溜坍。而后未作及時處理，滑坡規模則繼續擴大，在下部某變傾角位置形成滑移彎曲變形；滑坡性質亦出現變化，由最初的牽引式滑坡向推移式滑坡轉變，滑坡規模進一步擴大。在滑坡推移過程中，滑坡以上已防護的坡面由于失去坡腳支擋形成臨空面，牽引產生新滑坡，最終形成影響范圍較廣的順向滑坡。

6 結語

基于前述內容，得出主要結論如下：

（1）復雜地質構造孕育的殘余構造應力，對場地內邊坡穩定性影響甚大；殘余構造應力大小可按其與垂直應力的比值平均值×2.09估計。

（2）場地滑坡產生為多方面因素綜合迭加及影響形成，坡體巖土條件、地質構造、殘余構造應力、降雨、人類活動等均構成滑坡產生的影響因子；變傾角順向緩傾結構、殘余構造應力為主因。

（3）通過數值模擬對比分析有無殘余構造應力作用下邊坡穩定性，進一步證明坡體內部的殘余構造應力對邊坡失穩破壞有明顯影響。

（4）邊坡開挖中殘余構造應力釋放具備瞬態性，致使坡體淺層巖石迅速產生裂紋及既有節理裂隙迅速擴大，短時間內即可降低結構面結合程度和抗剪強度，形成開裂→變形→位移→滑移，產生滑移彎曲變形，構成上陡下緩式順層-切層滑坡的變形機制。

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