某边坡滑塌地质模型构建及力学参数选取浅析

薛春梅

（山西省交通建设工程质量检测中心（有限公司），山西 太原 030032）

边坡稳定性问题是岩土工程的基本典型问题，国内外许多科研人员对此进行了大量的分析，并取得了一定的研究成果。目前，关于边坡稳定性的分析方法主要有3种：一是极限平衡理论；
二是室内模型试验；
三是数值模拟方法。极限平衡分析法是最早利用的一种解决方案，在计算中不用考虑土体的应力-应变关系，物理概念清晰，计算简单。室内模型试验基于相似模拟，或者模拟重力加速度，能够对边坡稳定性破坏起到很好的模拟作用，对于判断边坡变形过程、破坏模式等起到关键作用。数值模拟通过对边坡滑动体进行应力-应变（变形）分析，重点分析边坡的应力应变变化，拟定特定破坏判别条件，进而找到破坏区域，求得稳定性、变形解。

对于常规边坡工程，极限平衡分析和数值分析由于其便于实施、工期短、造价低等特点，可广泛采用，而室内模型试验由于周期长、费用高等特性一般用于大型工程中。这就要求在常规边坡工程地质勘察中，取得的资料能够满足极限平衡分析和数值模拟的分析方法。

苏鹏[1]以太佳高速西坡塬上土体外侧滑塌为例，通过地质条件分析了产生滑塌的原因，通过极限平衡的传递系数法计算稳定性和下滑力，为处治方案提供了理论依据。

李万红[2]采用有限元计算程序NEDAM计算土层以及散粒体地基混凝土防渗墙上土石坝边坡，算出各种工况的变形、剪应力水平等，评估土工建筑物稳定性系数。

李永亮等[3]采用有限元软件，通过强度折减法，对含软弱夹层土坡的稳定性进行了数值分析，为边坡的支护设计提供了理论依据。

无论运用传统极限平衡还是运用数值分析，对边坡进行稳定性分析时，都需要地质模型构建，都需对地层、物理力学参数和边界条件加以界定[4]。这是分析边坡问题的基本条件，也是边坡工程地质勘察的重点内容。鉴于此，本文以某高速公路路堑边坡滑塌为例，在地质模型构建及力学参数选取方面进行初步探讨，以期为类似工程提供参考。

该边坡为路堑边坡，线路方向长度为200 m，最大高度23 m。该边坡为三级坡，第一级高8 m，坡度1∶0.75；
第二级坡高8 m，坡度1∶1；
第三级最大高度7 m，坡度1∶1。边坡平台为2 m。

该边坡位于黄土覆盖丘陵区，下部为泥岩。根据养护部门介绍，该边坡在雨后出现滑塌，边坡从边坡一级坡面剪出，造成坡体覆盖路面，影响交通。清理路面堆积物时，可见泥状土体。具体滑塌现场见图1。

图1 滑塌边坡

图2 剖面图

2.1 地形地貌

该段边坡位于黄土覆盖丘陵区，地形起伏较大，冲沟较发育，冲沟一般深 6～10 m，宽 2～5 m，呈“V”字型，坡体地面标高约为1 261.21～1 296.84 m，自然坡角最大约为35°。自然边坡植被不发育，偶有灌木分布。

2.2 地层岩性

根据野外地质调绘及钻探资料成果，该段边坡主要由第四系上更新统（Q3eol）粉土和下部风化砂泥岩（P）构成，各岩土层情况如下：

a）粉土（Q3eol）黄褐色-红褐色，稍湿-饱和，稍密-中密，土质较均匀，干强度中，韧性中，表层有植物根系。该地层分布于边坡的上部，厚度不均匀。

b）泥岩（P） 灰白色，黄褐色，全-强风化，呈土状或碎块状。该部分位于边坡的下部，构成边坡的基座。

2.3 地质构造

根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015），该区抗震设防烈度为Ⅵ度，地震动峰值加速度0.05g，反应谱特征周期为0.45 s。

由于该边坡稳定性涉及范围内风化的砂泥岩呈砂土状和碎块状，岩层产状对边坡稳定性影响较小，故野外勘察时未对岩层产状进行专门地质调查。

2.4 气象水文

边坡工程区地下水主要为第四系松散层孔隙水，以大气降水为主要补给方式，以蒸发和补给为主要排泄途径，动态随季节性变化较为明显，水质良好。下部强风化泥岩为隔水层，下部砂岩内未见地下水。

3.1 边坡现场变形

从现场调查来看，边坡出现整体滑塌有以下原因：

a）边坡体上分布张拉下错裂缝。

b）边坡前缘以水平变形为主，边坡后缘以竖向变形为主。边坡前缘冲毁片石挡墙，水平位移很大，而后缘竖向位移为主，后缘水平裂缝闭合，但竖向错动最大达120 cm。这主要是由滑面的形状决定的：前缘较为平缓，故其变形为水平方向为主，后部滑面较为陡峭，故以下错裂缝为主。同时，该边坡滑体前部较厚，后缘较薄，前级稍微变形，便引起后部变形较大，加之后部滑面陡峭，所以后缘产生错台较大。

c）边坡两侧翼变形裂缝指向边坡中线。两侧裂缝不是常见的剪切裂缝，而是张拉下错裂缝，这个主要是由下部风化岩沟谷对边坡有控制作用造成的。地质调查可见，边坡两侧风化基岩出露，而滑体为第四系粉土，即风化岩构成的沟谷对边坡边界、深度具有控制作用。

3.2 基于工程地质分析的地质模型构建及稳定性分析

3.2.1 地质模型构建

以极限平衡法分析边坡时，地质模型构建主要有以下几个方面的内容：a）边坡三维破坏范围，在平面上以后缘、侧界和前缘剪出口为界，在深度方向上以勘察取得的滑动面为界。b）按照地层分布或者现场深度位移监测资料，确定可能的滑动面。c）根据边坡稳定状态，给定边坡现有状态稳定系数。d）构建边坡主滑动面，依据几何条件，参考不同试验条件下的试验数据和经验数据，确定牵引段和阻滑段力学参数，在给定主要滑动段内黏聚力情况下，反算内摩擦角，并最终确定滑动面内摩擦角和黏聚力。e）计算下滑力，考虑支挡结构设置。

3.2.2 工程地质模型与滑动面力学参数反分析

通过图3极限平衡方法结合现场地质勘察，认为边坡滑动面位于一级边坡坡脚，滑动面位于粉土层和风化泥岩层，产生的滑动模式类似于均质体同生面滑动。根据现场变形迹象，边坡稳定系数在0.95～1.0之间，取0.98。由于原支挡结构为护面墙，不考虑其支挡条件，多次计算，反算得滑动面C=20.0 kPa，内摩擦角φ=19.0°，计算得到下滑力为380 kN/m。

图3 极限平衡法计算滑动面及结果

3.3 基于室内物理力学试验的模型构建及稳定性分析

3.3.1 地质模型构建

以数值模拟方法分析边坡时，地质模型构建主要有以下几个方面的内容：a）边坡三维破坏范围，在平面上以后缘、侧界和前缘剪出口为界，在深度方向上已超出边坡可能滑动范围；
b）按照地层和物理力学试验为模型分层；
c）为各力学地层赋予本构模型和试验参数；
d）初始应力计算；
e）开挖计算，自动形成滑动面；
f）设置支挡结构。

3.3.2 力学分层的试验依据

3.3.2.1 室内试验取样

进行现场勘察钻孔取样，芯样土体土质均匀，黄褐色-红褐色，较湿，土样起始含水率为14.5%，在芯样中选取较完整的原状土样，制备土样封存进行室内试验，包括土性试验及强度参数测试试验。

3.3.2.2 试验方法及设备

试验仪器采用立式常规应变控制三轴仪，可进行固结排水剪切试验。利用三轴仪进行固结排水三轴试验，粉土（天然/饱和）、风化泥岩（天然/饱和）均制备4个原状三轴试样，围压控制为 50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa，当三轴土样有明显裂纹时，停止剪切，关闭电源，结束试验。

3.3.2.3 试验结果与分析

天然含水量下粉土和泥岩的应力-应变曲线见图4、图 5。

图4 粉土应力-应变曲线

图5 风化泥岩应力-应变曲线

从图4与图5可以看出粉土、泥岩强度与围压呈正相关关系，其应力-应变曲线呈现软化及硬化特性取决于围压分界点200 kPa，低于200 kPa时为软化型曲线，高于200 kPa时为硬化型曲线，且由于泥岩内部含风化夹块，试验剪切时存在应力突变的现象，故应力-应变曲线比较曲折。

试样抗剪强度包线见图6～图9。

图6 天然含水率下粉土抗剪强度包线

图7 暴雨后粉土抗剪强度包线

图8 天然含水率下泥岩抗剪强度包线

图9 暴雨后泥岩抗剪强度包线

根据固结排水三轴试验应力峰值，绘制莫尔圆，对比不同含水率条件下强度参数，饱和条件下黏聚力及内摩擦角均降低较多。

3.3.3 基于室内试验的模型构建及计算结果

结合室内试验成果，各层基本物理力学参数见表1。

表1 土体基本物理力学参数

通过有限元计算，天然状态下稳定系数1.06，暴雨后稳定系数0.96。有限元计算变形结果如图10，可以看到边坡塑性破坏区呈圆弧状，坡脚破坏首先开始，位于风化泥岩和泥岩的交界面处，随着应力的重新分布，逐步呈现与现场破坏相一致的弧形滑动破坏。这种破坏面受地质参数的影响较大，参数决定了滑动弧面的形状，当勘察不精确，取样密度及试验所得参数与实际相差较大时，所得结果往往不符合现场实际变形。

图10 有限元计算滑动面及结果

对于参数选择，所用参数应该尽量与现场的实际应力状态相吻合，进行固结排水剪切时，不同的埋深应该取相应深度的围压参数。

3.4 两种模型分析结果对比分析

从两种方法的构建模型、参数选取及计算中可以看到，两种方法是完全不同的工作思路：一种以破坏模式为出发点，以现有稳定状态为依据，反算参数，最终取得结构物设计值；
另一种从原始状态出发，以试验数据作为主要依据，从边坡破坏机理出发进行数值分析，最终得到破坏面和结构物设计值。

a）地质分析的方法重在根据变形的蛛丝马迹，构建正确的破坏面，进而取得结果。这种方法的优势是滑动面确定，计算简单，便于手算，但是对现场调查的要求较高。

b）基于试验数据的方法，对现场变形行迹的调查要求相对较低，但取样质量、数量及室内试验设置相对复杂，存在较大的不确定性因素，对取值的经验要求较高。

c）两种分析方法都可作为以后设计中的分析手段加以运用，只是需要与现场变形情况对比，调整模型、参数，达到符合实际变形情况。

地质模型构建和参数选取是边坡工程实践中最为重要的内容，本文对某高速公路边坡进行现场勘察，并分别依据工程地质分析和室内试验参数两种方法分别构建地质模型，并对稳定性分析和变形结果进行对比分析，形成的主要结论如下：

a）在边坡稳定性分析中，工程地质条件的调查是重中之重，无论何种分析方法，都涉及地质模型构建问题（边坡的几何形状、物理边界、变形特征和力学参数），故采用合理的、针对性的勘察手段，取得准确的工程地质条件是稳定性分析的前提。

b）传统极限平衡方法是在准确构建地质模型的基础上，通过变形分析，确定边坡变形范围、破坏区域、运动模式，以稳定性系数为准绳，反算破坏面参数，最终为支挡结构计算提供依据。

c）基于室内试验参数的模型计算结果显示，边坡的变形和破坏模式与所取参数变化敏感，有时甚至产生与现场不相符的变形特征或者破坏模式，室内试验及地层分布构建的模型计算结果需与现场匹配，否则得到错误的结果。

d）室内固结排水三轴试验显示，粉土、泥岩强度与围压呈正相关关系，其应力-应变曲线呈现软化及硬化特性取决于围压分界点200 kPa，低于200 kPa时为软化型曲线，高于200 kPa时为硬化型曲线。构建地质模型时，应根据地层埋深，分别赋予本构模型和取值。

e）传统极限平衡方法对现场变形特征、破坏模式和范围需要有敏锐的洞察力；
数值分析方法则对参数选取较为敏感，在实践中，两种方法相互对照，往往可以取得较好的效果，防止出现未能预见的破坏模式，造成工程失败。