基于物理模型试验的含多层软弱夹层顺层开挖高边坡变形破坏特征分析

穆成林，裴向军，王 睿，王 超

（1.四川师范大学工学院,四川 成都 610101；2.成都理工大学生态环境学院,四川 成都 610059）

0 引言

大型顺层岩质边坡具有整体稳定性差、受影响因素多、坡体结构复杂、治理难度大等特点，一旦失稳破坏，将造成巨大的经济及生命财产损失。在长期研究与实践中，大量学者针对大型顺层岩质边坡进行过深入研究，积累了丰富的成果。顺层岩质边坡坡体结构中的层间软弱夹层，是变形失稳的控制性因素。例如，1963年10月9日意大利的Vajont 水库蓄水后，侏罗系地层坡体中厚5～15 cm 的黏土夹层发生软化，最终滑面沿黏土层发展形成顺层滑坡[1]；2003年7月13日，三峡库区姊归县千将坪顺层岩质滑坡，造成大约1.5×107m3的滑体高速滑入清干河，滑带为侏罗系聂家山组石英砂岩上部的黄绿色炭质页岩泥化层，厚2～5 cm[2]；2009年6月5日重庆武隆鸡尾山滑坡是一起典型特大型顺层岩质滑坡，造成80 多人伤亡或失踪，软弱层为二叠系栖霞组中段（P1q2）与上段（P1q3）间的含炭质和沥青质页岩，厚约30 cm[3]；2017年9月23日贵州荔波县境内的三荔高速公路在开挖支护过程中，顺层路堑边坡在持续降雨的条件下沿层间厚度为10 cm 的泥化夹层发生失稳破坏[4]。类似工程建设中顺层岩质开挖边坡变形失稳的案例举不胜数，常造成巨大人员伤亡和经济损失。

对于含有软弱夹层的边坡变形失稳特征及形成机理研究也取得了大量的成果。许强等[3]通过数值分析和现场调查，通过特殊的岩溶型坡体结构以及控制性块体、裂缝等，揭示了武隆鸡尾山顺层滑坡形成机理；张社荣等[5]基于Sarma 法和SRM 计算分析，揭示复杂多层软弱夹层边坡岩体的破坏机制及稳定性特征；许宝田等[6]以含有3 条软弱夹层的九顶山边坡为例，进行数值计算，反映了边坡变形及应力变化的全过程以及稳定性；龙建辉等[7]建立了两种含双软弱夹层顺层岩质滑坡计算模型，考虑软弱夹层的抗剪强度在滑坡不同发育阶段的强度衰减，分析滑坡在不同的力学判定条件下滑动模式和启动机理；唐朝晖等[8]以杉树槽滑坡为例，通过FLAC3D模拟滑坡渐进破坏过程，分析顺层岩质滑坡变形破坏的发展规律；提出了迈入加速变形的能量学判据。

上述研究成果基于现场勘查、理论计算以及数值分析等手段。然而，为了获取边坡变形破坏全过程现象和特征，或针对边坡变形破坏演化规律超前预测分析，物理模型试验是最为有效和直接的方法。例如，泮晓华等[9]建立室内含有不同锁固段类型的岩质边坡模型，验证锁固段发生拉剪等不同的变形破坏模式，为安全分析评价提供了计算依据；陶志刚等[10]以内蒙古长山壕露天矿区大规模倾倒失稳反倾边坡为研究对象，建立室内物理模型，通过试验再现了“叠合悬臂梁”变形特征以及NPR 锚索高效性；周月等[11]通过室内岩质边坡物理模型研究岩质滑坡冲击破碎运动过程，呈现了高度滑坡运动过程中的冲击破碎解体特征及规律；黄达等[12]、陈达等[13]均通过室内离心机模型试验，再现了复杂层状软岩楔形滑坡变形演化过程和软硬互层岩质反倾边坡弯曲倾倒变形演化过程；王海等[14]建立室内物理模型，研究了含软弱结构面顺层岩质边坡在开挖及降雨条件下的变形机理和变形破坏特征；胡时友等[15]通过不同桩间距下双排微型桩加固碎石土滑坡室内模型试验，研究微型桩受力变形特性和滑坡推力传递规律；李玉瑞等[16]通过室内模型边坡不同工况下的试验，获得了延安北连接线黄土滑坡变形机制。

黔西地区某石化场地即将开挖的多个高度近百米的顺层岩质边坡，含有多层夹层，坡体结构复杂，开挖高度大，稳定性差，一旦失稳危害大的特点。那么该类型边坡在开挖过程中变形破坏模式是什么？演化过程有何规律？失稳范围有何特征？借助前人的研究思路，采用不同的材料建立室内物理模型，将现场原始边坡按一定的比例缩小，并赋以适当的力学参数，设置位移监测，在重力和外部条件作用下预测边坡变形破坏的模式、演化过程以及失稳范围等，为该场区以及区域内类似边坡的稳定性评价、工程开挖施工工况、设置治理措施等提供前提基础依据。

1 开挖边坡概况

1.1 边坡工程地质条件

研究区边坡位于黔西织金县某石化场地，在大地构造上位于上扬子地台滇东—黔中隆起东部，燕山期强烈的褶皱和断裂变形尤其复杂[4,17]，属于典型溶蚀中低山地貌。该场地整体位于后寨背斜一翼，根据规划工况，将形成7 处开挖边坡。边坡上覆0.2～0.5 m 的含碎石黏土层，下伏三叠系中统关岭组(T2g3)泥质白云岩夹薄层页岩、泥岩组成，岩层产状为355°～4°∠25°～32°，含有三组节理，30°∠26°、190°∠56°、310°∠62°，节理间距为8.0～40.0 cm，成微张-张开状。坡体原始边坡坡度为34°～18°，前缘陡，后缘缓形态。

边坡岩体岩层厚度一般为1.2～3.0 m，由于节理切割，整体呈层状、块状-碎裂状，部分节理面表层存在风化以及雨水下渗携带泥质物质，含有少量泥质填充。层间软弱夹层为构造错动作用下形成的薄层页岩、泥岩，厚度为2.2～6.4 cm，遇水软化特征明显。

1.2 预开挖工况

根据场地规划设计，该7 处边坡坡向为正北，开挖高度88.2～94.6 m，形成典型的顺层岩质开挖高边坡。考虑该处边坡具有典型的含有多层夹层、坡体结构复杂、开挖高度大、稳定性差、一旦失稳危害大等特点，故施工设计为由上至下依次开挖，开挖坡比预设三种工况：

工况一：缓坡比开挖，开挖坡度为30°，每级边坡高度为10.0 m，马道宽度为2.0 m。

工况二：陡坡比开挖，开挖坡度为50°，每级边坡高度为10.0 m，每3 级设计一宽度为10.0 m 的马道，其余马道宽度为2.0 m。

工况三：陡缓坡度相结合，1～3 级设计开挖坡度为30°，4～6 级设计开挖坡度为40°，7～9 级设计开挖坡度为50°，每级边坡高度为10.0 m，每隔30.0 m 设置一道宽度为10.0 m 的马道，其部分马道宽度均为2.0 m。

2 模型试验设计

2.1 相似条件与模型材料

模型相似条件是指现场原边坡模型与室内制作边坡模型的物理相似，包括了几何尺寸相似和物理力学性质相似[12]。试验综合考虑原边坡模型实际高度和坡体结构特征等因素，采用几何相似比为1∶60 建立试验模型，同时根据相似理论参数取值原则，确定其它相关试验参数如表1。

表1 试验主要物理量相似比取值Table 1 The ratios of main physical quantities in tests

现场原边坡与试验模型的相似主要体现在坡体结构特征和材料强度。原边坡坡体结构主要分为层状灰岩以及层间泥化夹层。因此，依照实际边坡的特征，试验材料采用石英砂∶石膏∶水泥∶水=1∶0.6∶0.05∶0.4 制作层状岩体相似材料，即预制做成不同尺寸的薄层块体，其分别为：15 cm×10 cm×3 cm；15 cm×10 cm×2 cm；15 cm×10 cm×1 cm，其目的是模拟坡体不同厚度、不同尺寸的岩体结构；采用贵州高岭土掺杂砂制作层间泥化夹层材料。按照相应规范及文献制作相似的模型力学参数，达到实验要求。

2.2 模型制作及开挖

在前后无遮挡的框架箱内制作边坡模型，其内部尺寸为：长2.5 m，高2.4 m，宽0.6 m。根据现场原边坡的坡体结构特征，首先在模型底部铺设25°的斜坡，高度约40 cm，形成顺层基础结构；然后由厚到薄依次铺设预制块体，三种厚度块体交替铺设，保证每层厚度一致；层面间铺设软弱夹层相似材料，保证均匀平整。节理以预制块体之间的搭接裂缝模拟，适当充填贵州高岭土。模型搭建完成后静置6 小时以上，待整体稳定后进行侧面涂抹白色薄层石膏并标识10 cm 方格网，设置拉线式位移监测计（图1）。现场原边坡采用机械开挖，模型边坡按照设计开挖线以手工揭层为主，局部辅以块体切割。实际开挖与试验开挖均对坡体具有一定扰动，试验研究中均忽略开挖扰动对边坡变形破坏的影响。

图1 边坡模型搭建及监测布置Fig.1 Slope model building and monitoring layout

2.3 失稳范围阈值

在实际边坡变形失稳演化过程中，坡体不同位置变形位移是存在差异的，通常以变形位移小于某一特征值时，则判定为稳定状态。因此，失稳范围边界线确定需要根据边坡的实际情况和安全性要求，综合考虑位移阈值。目前，边坡失稳研究通常采用位移α=5.0 mm 为阈值[18]，所以文章以位移α=5.0 mm 的点依次连接得到曲线，确定为边坡失稳范围界线。

3 试验结果与分析

边坡模型依据现场实际施工情况，由上及下，由表及里依次进行逐级开挖。同时，详细刻画坡体裂缝产生、演化规律，记录整理边坡位移数据，为变形失稳模式、形成机理以及确定失稳破坏范围提供信息。

3.1 工况一边坡模型变形破坏演化特征

（1）1～3 级边坡开挖后，明显裂缝产生，4 级边坡开挖后，随即浅表层产生裂缝，以竖向或垂直层面的陡倾裂缝发育最为明显，其次为顺坡向裂缝，延伸长度一般为3～5 cm，贯通性差，张开度微小，无明显位移。随着继续开挖，边坡裂缝逐渐延伸贯通，且向深部发展，尤其是顺层面裂缝发展最为迅速。最终边坡首先在6 级边坡坡脚发生顺层剪切滑移，层间发生由下向上相对错动位移，竖向拉裂缝由表及里扩展延伸。边坡裂缝演化过程见图2。

图2 工况一裂缝演化过程素描图Fig.2 The sketch of deformation and fracture evolution process scheme 1 slope model

（2）开挖边坡变形失稳模式为滑移-拉裂，由下及上，由表及里牵引式渐进失稳演化机制，且形成多级失稳坡体，主滑面以直线、折线型交替出现，其中3～4 级边坡处滑面埋深最大，依据相似比换算实际边坡的变形破坏范围最大深度为15.0～20.0 m。边坡变形失稳破坏滑面及裂缝见图3。

图3 工况一边坡模型最终变形破坏特征Fig.3 Final deformation and failure characteristics of scheme 1 slope model

3.2 工况二边坡模型变形破坏演化特征

（1）1～2 级边坡开挖后，边坡无裂缝及明显变形迹象。3 级边坡开挖后，1 级坡面中上部及坡顶部位出现不同程度的裂缝，延伸2～3 cm，以陡倾为主，张开度较小，3 级坡脚处出现剪切错动迹象。4～6 级边坡开挖后，1 级坡面拉裂缝增宽，向坡体深处延伸，且层面出现裂缝贯通，同时3 级坡脚处层间错动加剧，6 级坡脚出现沿层面相对错动迹象。7～9 级边坡开挖后，边坡首先从1 级边坡坡面沿拉裂缝向下发生滑移变形；3 级坡面拉裂缝同样作为失稳坡体后缘边界，使得4～8 级坡体整体沿层面向下滑移，部分坡面及层间拉裂缝明显增宽、延伸长度增加。边坡裂缝演化过程见图4。

图4 工况二裂缝演化过程素描图Fig.4 The sketch of deformation and fracture evolution process scheme 2 slope model

（2）模型边坡变形失稳模式为由上及下，由表及里推移式渐进失稳演化机制，变形破坏规模较大，从坡顶到坡脚可出现多级滑面。滑面形状连续多变，以阶梯状、直线状或混合状为主。依据相似比换算实际边坡的变形破坏范围最大深度为25.0～50.0 m，位于4～5 级边坡处，为深层变形破坏。边坡变形失稳破坏滑面及裂缝见图5。

图5 工况二边坡模型最终变形破坏特征Fig.5 Final deformation and failure characteristics of scheme 2 slope model

3.3 工况三边坡模型变形破坏演化特征

（1）1～3 级边坡开挖后，裂缝发育较少，且张开宽度较小，边坡无明显位移；4～6 级边坡的开挖，在3 级马道出现裂缝，宽度较小，延伸深度为5.6 cm；5 级边坡坡面以及坡脚均出现变形迹象；7～9 级边坡开挖后，边坡4～5 级坡体沿层间软弱夹层剪切滑移，随即发生失稳破坏。滑面整体呈现阶梯状，且距离坡面埋深存在较大差异。边坡裂缝演化过程见图6。

图6 工况三裂缝演化过程素描图Fig.6 The sketch of deformation and fracture evolution process scheme 3 slope model

（2）边坡开挖后，4～5 级边坡发生整体式渐进变形失稳特征，在其它坡面则存在推移式或牵引式渐进变形破坏特征；边坡变形破坏最大范围位于4～5 级边坡处，依据相似比换算实际深度为30.0～60.0 m，为深层变形破坏。边坡变形失稳破坏滑面及裂缝见图7。

图7 工况三边坡模型最终变形破坏特征Fig.7 Final deformation and failure characteristics of scheme 3 slope model

3.4 边坡变形破坏分析与评价

通过上述三种工况的开挖试验，模型边坡裂缝产生发展、变形破坏演化过程及形成机理具有一定的规律性和差异性。整理变形破坏裂缝发展特征、滑面贯通形态、最终失稳范围及规模等，分析形成机理，结合实际边坡开挖后对场地规划影响，其认识结果列于表2。

表2 边坡变形破坏分析与评价Table 2 Comprehensive analysis and evaluation of slope deformation and failure

4 结论

（1）边坡开挖变形破坏模式以滑移-拉裂为主。坡体裂缝由表及里，由上及下产生，扩展延伸，最终贯通，标识边坡失稳破坏。陡坡度开挖变形破坏规模大，稳定性较差，以滑移-拉裂深层失稳为主；浅层滑坡滑面以层间泥化夹层剪切为主，基本呈直线状；深层滑坡滑面以层间泥化夹层剪切以及陡倾裂隙组合形成阶梯状。

（2）依据现场实际边坡预开挖设计的3 种工况，室内物理模型进行相应设计、试验。工况一缓坡度开挖，边坡变形破坏主要是浅表层，形成多级多层次；工况二、工况三陡坡度、宽马道开挖，边坡变形破坏呈现深层、规模大特征，失稳模式复杂，稳定性较差。

（3）依据相似原理，计算不同开挖条件下边坡变形破坏范围，差异明显：工况一变形破坏规模小，深度一般为4.0～8.0 m，最大深度位于3～4 级坡面；工况二变形破坏规模较大，深度一般为20.0～50.0 m，最大深度位于4～5 级坡面；工况三变形破坏深度可达为30.0～60.0 m，最大深度位于4～5 级坡面。

（4）根据室内试验成果综合分析，建议现场边坡开挖过程应进行坡体变形监测以及稳定性动态评价；每开挖1～2 级后进行相应支护保证边坡稳定，致使不发生大规模深层边坡破坏，同时务必做好坡面排水。