含软弱夹层开挖边坡变形特征物理模型试验研究

苟水泉

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)

1 概 述

随着经济的发展，我国对基础设施建设的需要不断增大。水利工程的建设对于造福当地人民生活和促进当地经济发展具有重要作用。但是，我国幅员辽阔，地形地貌、地质构造较为复杂。为了在山区河流上修建水利水电工程，有时不得不对边坡进行开挖。但是，不合理的开挖方式必然会造成边坡的失稳，对当地生产生活安全产生严重的威胁。目前，大量的专家学者对开挖边坡进行了研究。穆成林等[1]通过现场踏勘和室内试验，对含不连续软层边坡的变形破坏特征进行了研究，总结边坡变形演化过程，可作为类似工程的参考。李韬等[2]采用数值模拟方法结合现场监测数据对白鹤滩水电站开挖边坡进行了稳定性研究。唐红梅等[3]采用相似材料物理模型试验方法，对顺层边坡开挖破坏过程进行了研究。汤明高等[4]采用底摩擦的方法对斜坡溃屈特征进行了研究。陈冲、陈从新等[5-6]对不同岩层倾角的顺层岩质边坡变形破坏机制进行研究。冯文凯等[7]使用底摩擦物理实验，对缓倾角层状边坡变形破坏机制进行研究。袁大祥、李聪[8-9]等对地质力学模型进行研究，构建了边坡稳定性评价的新方法。

本文以贵州一处水利工程进场公路开挖造成的边坡滑塌为研究对象，在现场踏勘的基础上，采用底摩擦的物理方法对边坡开挖后的应力变化和变形破坏特征进行研究。开挖边坡全貌见图1。

图1 开挖边坡全貌图

2 工程概况

该开挖边坡位于贵州省，边坡总高度为59 m，长约100 m。根据现场调查，该边坡的岩体为二叠系中统茅口组灰岩(P2m)，层厚为10～20 cm，岩层产状为130°∠27°，存在两组结构面，产状为①220～225°∠80～85°，②110～15°∠45～55°，灰岩颜色为灰色-深灰色，夹有少量白云质灰岩。边坡表层岩体风化较为严重为强风化，底部为中风化。该边坡共分布有3层软弱夹层，厚度为20 cm，风化严重，强度较低，较湿润，难以搓条。该边坡的破坏主要是沿着最底部软弱夹层发生，该层软层控制了边坡的稳定性情况，为主控结构面。软弱夹层特征见图2。

图2 软弱夹层

3 边坡破坏特征

该开挖边坡前缘为开挖公路，公路下方为农田。边坡整体落差较大。边坡后缘为基岩，拉裂缝位于坡顶位置，在坡体表面植被较为发育。在坡体内分布有较多的拉张裂隙，根据现场调查访问，边坡的破坏不是一次发生的，而是发生了多次规模不同得破坏。边坡破坏的左边界为陡倾角的结构面，走向与边坡的主滑方向基本一致，见图3。破坏边坡在形态上呈扇形。边坡的破坏严重威胁到过往行人和车辆的安全。

图3 滑坡左边界

4 物理模拟分析

底摩擦实验主要使用摩擦力来模拟重力，当实验样品小于某一厚度时，可认为摩擦力在模型内是均匀分布的。仪器能随时匀速改变橡皮带转速；可直接观测摩擦力大小，可通过改变转速控制摩擦力大小；可根据试验需要随时启停。

4.1 模型相似比及材料确定

将原型和模型之间具有相同量纲的物理量之比称为相似比，用字母C来表示。定义Cl为长度相似比，Cγ为容重相似比，Cu为位移相似比，Cσ为应力相似比，Cσc为抗压强度相似比，Cσt为抗拉强度相似比，Cε为应变相似比，CE为弹性模量相似比，Cc为内聚力相似比，Cφ为摩擦角相似比，Cμ为泊松比相似比，Cf为摩擦因数相似比。参考物理模拟实验的相似原理，结合弹性力学方程，可以推导出线弹性问题基本相似判据为：Cσ=CE=Cc=Cσc=Cσt；Cu=Cl；Cσ=CγCl；Cφ=Cf=Cε=Cμ=1。据实验设备条件，选择室内模型与现场原型线性比例为Cl=100，相似材料容重比为Cγ=1.5。根据上述判据得知，Cσ=CE=Cc=Cσc=Cσt=150，Cu=Cl=100。查阅相关资料[10-11]，实验材料配比和岩体物理力学参数见表1、表2。

表1 底摩擦实验材料配比

表2 岩体(中风化灰岩)物理参数表

4.2 试验模型设计

根据现场调查结果，该边坡高为59面m。本次物理模拟实验设计边坡高度为59 cm。设计开挖高度为5 m。使用锡箔纸来模拟软弱夹层。在边坡画线来监测边坡的变形。建立的实验模型见图4。

图4 底摩擦物理模型图

4.3 试验步骤

1) 进行底摩擦实验仪的自检，打开开关，使底摩擦仪进行转动并保持稳定10 min以上。

2) 按照计算的相似材料比配置一定量的材料，将材料均匀铺在橡皮带上，压实至厚10 mm，打开底摩擦仪，在摩擦力的作用下对铺好的材料进行预压实，持续30 min。关闭底摩擦仪，用小刀将材料刻画为设计的形状，刻画出软弱夹层和节理面，并用马克笔画上监测线。

3) 打开底摩擦仪开始进行实验，并用数码相机记录实验过程中斜坡的变形特征，将实验时间保持在24 h左右。

4.4 试验现象分析

当橡皮带开始运动后，模型在摩擦力作用下受到挤密，斜坡表层岩体向坡脚运动，位移变形量不断地增大，并且在坡脚位置产生最大的位移变形量。随着实验的继续进行，在挖方边坡坡肩位置，高度25 cm处出现拉张裂缝，形状为阶梯状，宽度约为0.3 cm(对应现场实际宽度为0.3 m)，向下延伸0.65 cm(对应实际条件为0.65 m)；在实验的中后阶段，开挖的一级边坡中，出现大量的拉张裂缝，张开程度从0.5～1.5 cm(对应现场实际宽度为0.5～1.5 m)，垂直开挖坡面向下延伸至5～7 cm(对应实际深度5～7 m),在边坡中出现小范围的滑动，滑动距离约为0.15 cm(对应实际距离约为0.15 m)，在开挖边坡的坡脚，不同的岩层之间产生相互错动，岩层沿着软弱夹层向临空方向运动；在实验进行的最后阶段，开挖边坡完全破坏，滑体堆在斜坡坡脚位置，变形见图5。

图5 底摩擦物理模型破坏图

4.5 变形破坏机制分析

边坡开挖后，该边坡产生了两次滑动，首先是靠近坡脚的位置产生了第一次的滑动破坏。底部破坏后，上部岩体形成较好的临空面，在降雨作用下，上部岩体也产生向下的滑动。研究边坡的破坏主要是由坡脚开挖引起的，坡脚的开挖首先在边坡的坡脚位置形成良好的临空面，由于坡体本身结构面较为发育，有利于雨水的入渗，造成软弱夹层强度的急剧降低，最终在坡体中部拉裂，向下滑动，形成边坡的第一次破坏。当下部岩体破坏后，再一次形成较好的临空条件，上部岩体亦产生向下的滑动。边坡变形破坏示意图见图6。

图6 边坡变形破坏机制示意图

5 结 论

1) 该边坡的变形失稳主要是由于公路建设过程中的不合适开挖引起的。开挖造成了边坡坡脚位置形成良好的临空条件，促进了边坡的变形失稳。

2) 根据底摩擦物理模拟分析，重现了边坡的变形失稳过程，与现场调查结果较为符合，边坡的失稳不是一次形成的，而是发生了两次滑动。底部的滑动造成上部岩土体形成良好的临空面，继而上部岩体也产生破坏。

3) 在对边坡进行开挖时，应提前做好支护措施，避免开挖边坡破坏对施工人员产生威胁。