山东某水库道路开挖软硬互层顺层斜坡稳定性分析

任 杰，李 慧

（山东省临沂市水利局，山东 临沂 276000）

0 引言

工程建设中经常出现对自然边坡进行开挖的现象，人类工程活动的扰动必然引起边坡的稳定性情况产生改变。目前常用的开挖边坡稳定性研究方法主要包括数值模拟方法、物理模拟试验方法以及理论计算的方法。各种方法的使用均建立在现场调查工程边坡实际工程地质条件的基础上。数值模拟结合工程边坡原型建立数值模拟模型，采用有限元[1~2]、离散元[3]等多种数值模拟软件进行边坡稳定性计算，确定边坡变形破坏机制。物理模拟[4~7]是在相似原理的基础上，结合工程边坡原型建立室内物理模型，模拟边坡开挖过程中边坡的应力变化特征，重现边坡的变形破坏过程。理论计算方法，在工程实践中使用较多，采用极限平衡理论、条分法、圆弧法等多种规范规定的方法，通过现场调查和室内试验获取计算基本参数，从而计算获得稳定性系数。

本文以山东某水库开挖边坡为例，采用室内物理模型试验的方法，研究边坡开挖前后不同工况下的稳定性情况以及边坡支护后的稳定性情况。

1 工程概况

该水库位于山东省。水库的建设改善了库区的生态环境，为当地居民提供了水源，促进了当地经济的发展。在水库建设中对进场道路路基边坡进行开挖。经过现场工程地质调查，该工程边坡表层为粉质粘土，基岩岩性主要为砂岩、泥岩、粉砂岩，其中砂岩、粉砂岩厚度在0.5 m~1.0 m，泥岩厚度较薄，一般小于0.05 m。岩性组合为砂岩、泥岩不等厚互层夹薄层粉砂岩，岩体结构较为破碎，倾向坡外，岩层产状为：123°~135°∠27°~33°，发育两组结构面，产状为：130°~135°∠57°~65°和205°~215°∠72°~77°。该边坡为一处顺层岩质边坡。边坡坡高为15 m，开挖方式为30°一坡到底。

图1 边坡原始坡面及开挖示意图

2 底摩擦试验

底摩擦试验[8]是目前较为常用的一种使用皮带与试验样品之间的摩擦力代替重力的物理模拟方法。该方法假设样品足够薄时，摩擦力在样品内部是均匀分布地。底摩擦试验仪首先需要满足在任何时刻可以均匀地改变橡皮带的转速；可以随时观察任一时刻的摩擦力的大小，通过改变橡皮带的转速可以改变摩擦力的大小；仪器可以根据试验的进行随时开启或停止转动。

2.1 模型相似比及材料确定

模型相似比[9]是指现场原型与室内物理模拟模型之间具有相同量纲的物理量的比值。可以使用字母K来表示。根据物理模拟试验满足相似原理，同时在弹性力学的约束下，认为相似原理的基本相似判据满足以下条件：Kσ=KE=KC=Kσc=Kσt；Ku=Kl；Kσ=KγKl；Kφ=Kf=Kε=Kμ=1。式中：Kl表示长度相似比，Kγ表示容重相似比，Ku表示位移相似比，Kσ表示应力相似比，Kσc表示抗压强度相似比，Kσt表示抗拉强度相似比，Kε表示应变相似比，KE表示弹性模量相似比，KC表示内聚力相似比，Kφ表示摩擦角相似比，Kμ表示泊松比相似比，Kf表示摩擦因数相似比。根据室内底摩擦物理模拟条件，设计模型与现场原型之间的线性比例为Kl=50，相似材料容重比为Kγ=1.5，根据上述判据得知：Kσ=KE=KK=KσK=Kσt=75，Ku=Kl=50。

查阅相关资料，底摩擦试验材料配比见表1。

表1 底摩擦试验材料配比

2.2 试验模型设计

通过现场边坡调查，该待开挖边坡总高为25 m。设计底摩擦物理模型总高为50 cm。开挖根据设计方案进行，采用30°一坡到底的开挖方式。试验过程中可使用尺子对模型的变形量进行测量。建立的实验模型见图2（a）所示。

2.3 试验步骤

（1）首先打开底摩擦试验仪，确保仪器可正常使用，打开开关使仪器开始转动并保持稳定20 min以上。

（2）按照试验设计，进行试验模型相似材料的配比；将配置完成的相似材料，均匀地平铺在底摩擦仪的橡皮带上，进行压实，厚度保持在1.0 cm；模型铺设完成后，打开底摩擦仪对模型进行预压实，保持橡皮带转动时间60 min；之后关闭底摩擦试验仪，使用小刀将模型刻画成需要的形状。

（3）完成边坡开挖后，开始进行试验，使用数码照相机对模型的变形特征进行记录，试验时间应当保持在24 h左右。

3 试验现象及变形破坏特征分析

3.1 试验现象分析

完成边坡开挖后，打开底摩擦试验仪，当橡皮带开始转动后，在摩擦力（模拟重力）的作用下，模型挤密压实，在斜坡的中上部和中下部出现裂缝，宽度约为1 mm（实际宽度5 cm），坡面部分岩体与斜坡脱离，运动至坡脚，见图2（c）；随着试验的进行，首先形成的裂缝逐渐加宽，宽度大2mm（实际宽度为10cm），坡脚部分岩体与斜坡分离，坡脚位置斜坡已经破坏，同时坡体内部出现与斜坡层面近乎垂直的拉裂缝，宽度为3 mm（实际宽度15 cm），此时见图2（d）；在底摩擦试验的中后期，斜坡破坏加剧，坡体顶部岩土体亦与斜坡母岩脱离，在后缘陡倾拉张裂隙和斜坡层面的控制下，顶部岩土体以旋转的方式向下运动，由于斜坡上仍有部分岩体未与母岩脱离，组织了后缘滑体向坡脚运动，最终有部分已经破坏的岩体堆积在坡面，见图 2（e）。

对顺层岩质边坡进行开挖时，尤其是岩层倾角小于开挖坡度的情况下，该斜坡的稳定性情况较差，边坡的变形破坏不是一次发生的，而是多次滑动破坏，常常形成阶梯状滑动面。

3.2 变形破坏机制分析

模型开挖后，斜坡岩体形成了良好的临空条件，随着试验的进行共发生两次滑动破坏，首先在坡体内部出现与层面几乎垂直的拉张裂隙，在重力作用下，拉张裂隙不断的扩张，同时岩体沿着层面发生破坏。

由此可以推断，在现场对边坡进行开挖且不采取治理措施的情况下，边坡首先会沿着层面滑动形成拉张裂隙，在后期降水、地下水、地表水入渗的情况下，岩体中的薄层泥岩遭受雨水浸泡软化，强度降低，斜坡将会形成沿着泥岩的大规模滑动破坏，造成严重的后果。故建议现场在对边坡进行开挖时需及时设置防治措施，防止斜坡变形破坏，威胁人员安全。

图2 底摩擦试验过程

4 结论

（1）通过底摩擦试验对边坡开挖后的稳定性和变形特征进行分析，边坡开挖后斜坡岩体具有滑动破坏的临空条件，在重力作用下沿着软层发生滑动形成滑坡。

（2）软硬互层顺层斜坡的变形破坏是发生在多个软层之间的，斜坡的破坏也不是一次发生的，斜坡破坏后多形成阶梯状滑动面。

（3）在实际工程中，对顺层边坡进行开挖，将会大大降低斜坡的稳定性，需要及时采取治理措施，防止斜坡破坏威胁人员安全。