坡脚开挖引发的边坡变形破坏机理研究—以宜君县万寿广场边坡为例

坡脚开挖引发的边坡变形破坏机理研究—以宜君县万寿广场边坡为例

郑小乐1，王霞2，徐晨栋3

（1 陕西核工业工程勘察院有限公司 西安市 710054）

摘要：坡脚开挖、坡面堆载、不合理灌溉等人类活动诱发的工程性黄土边坡失稳现象频频发生。本文以宜君县万寿广场边坡为研究对象，在工程地质勘测的基础上，研究其基本特征及导致边坡失稳的关键因素。根据对开挖时序与边坡失稳破坏条件的分析，结合Geo-studio中的SIGMA模块进行数值模拟，从不同时期边坡形态的角度，对其变形破坏演化过程进行分析。结果表明，开挖是诱发滑坡的主要因素。

关键词：坡脚开挖，变形破坏机理，SIGMA

1引言

黄土地区边坡失稳现象发生频率呈增加的趋势，对人民的生命财产安全构成严重威胁。边坡地质灾害引发因素主要有四类：流水侵蚀、降雨、地震和人类工程活动。其中人类工程活动是最为重要的因素，一方面人类工程活动引发灾害，另一方面灾害又限制人类工程活动。本文以宜君县万寿广场边坡为研究对象，以边坡变形破坏的地质环境条件、特征分析、形成机理等角度展开分析研究，为此类边坡灾害的监测预报奠定基础、为防灾减灾措施提供建议。

2 边坡地质环境条件

边坡所处地貌单元属于残塬沟壑区，地形上整体东南高西北低，坡体由东南向西北呈阶梯状，形成有三级平台，坡体局部陡立。整个场区高差极值近36m，整体坡度约为23°。主要出露的地层有人工填土、坡残积土、风积黄土、泥岩互层；地下水类型可分为基岩裂隙水和松散覆盖层孔隙水。

3 边坡特征

万寿广场边坡平面形态不规则，上窄下宽，坡脚宽约75m，坡顶宽约38m，边坡整体坡度约20°，局部近直立，坡向约295°。整体边坡可见三级平台，坡体前缘为基坑开挖区，平面形态近似矩形。

坡面上裂缝广泛分布，裂缝的张开度和深度大小不一，裂缝自上而下依次命名为LF1-LF6。LF1裂缝长约20m，最大宽约12cm；LF2、LF3裂缝长6～10m，宽5～15cm；LF4裂缝群最大长度约11m，深度未揭露，宽约2～9cm；LF5裂缝最大长度约35m，宽30～80cm；LF6裂缝宽约2～5cm。

4 边坡变形破坏机理

图中可以看出边坡在未开挖前坡面整体较缓，在大基坑开挖后斜坡坡角增至60°左右，同时基坑边坡无任何支挡物。在斜坡失稳后，向115°左右的方向发生蠕动变形，坡体整体相对高度约36m，前缘滑塌处已掩埋一部分建筑场地平台，坡面裂缝仍在不断发生变形，坡体仍处于欠稳定状态，依然具有很大的危险性。

根据对开挖时序与边坡失稳破坏条件的分析，结合Geo-studio中的SIGMA模块进行数值模拟，从不同时期边坡形态对其变形破坏演化过程进行分析。

（1）原始边坡，稳定性好

对原始边坡进行数值分析，此时少量剪应变集中在中边坡坡脚处，形成近似于圆弧形的剪切带，剪切带由中边坡坡脚处向后延伸。同时整个边坡位移集中在中上部，但这种位移是少量的，还不足以造成失稳破坏，此时坡体稳定性好。

（2）基坑持续开挖，稳定性降低

在对坡体持续开挖的过程中，首先改变了坡体原有的自然坡面形态，使基坑边坡临空面不断变高，内部应变场及位移场随之发生改变。

分别对基坑开挖5m、10m和15m的边坡进行数值分析，对比开挖5m、10m和15m的最大剪应变云图可以看出：随着基坑开挖深度的不断变大，剪切带从中边坡沿弧形向基坑边坡不断延伸，在基坑挖深至15m的时候，基坑边坡坡脚处剪应变达到最大值，预示着坡体会从坡脚剪应变较大处首先破坏。

（3）缓慢变形阶段

通过上面的分析，基坑开挖到一定深度后，坡体从基坑边坡坡脚处首先发生破坏。随着这种破坏的加剧，拉张应力在其牵引作用下在坡顶集中，坡面会在坡脚局部破坏的牵引和坡面张应力共同作用下发生变形，产生数条拉张裂缝，坡体稳定性逐渐降低。

（4）加速变形阶段

坡脚局部变形破坏后，在剪应力作用下，剪切带逐步向坡体上部扩展。此时坡体处于均匀变形的阶段。随着剪切带不断向后扩展，后缘拉张裂缝也会在坡脚剪切带向后扩展牵引坡顶变形和坡顶张应力的共同作用下向深部扩展。而且随着剪切带的发展，拉张裂缝会逐渐发生竖向位移，并在剪切和拉张的共同作用下快速扩展[1]，此时坡体便处于加速变形阶段。

（5）破坏阶段

坡顶向下扩展的拉张裂缝与坡脚不断向后扩展的剪切破坏带共同作用，形成牵引段[2-3]。牵引段共同推动中间未破坏的抗滑段，此时的坡体稳定性显著降低，在牵引力超过抗滑段所能承受的范围时，滑带便迅速贯通，滑坡形成。

由于黄土的渗透系数并不高，且该边坡变形发生在降雨量不大的12月，在降雨量不够充分的情况下，雨水只能饱和表层土体，在饱和度增加部分和未增加部分形成浸润前线，浸润前线缓慢向滑体深部扩展[5]。而在后缘拉张裂缝形成后，坡体逐渐进入加速变形阶段，此阶段至坡体破坏往往比较迅速，未等雨水沿裂缝渗入足够深度时剪切带已贯穿。因此，此该边坡变形失稳过程中的主要诱导因素是开挖作用，降雨对其影响不大。

结合边坡基本特征，从滑坡形成过程的角度可以将该边坡变形破坏的演化全过程表述为：基坑开挖，出现应力集中区→持续开挖，坡脚临空面变高→坡脚破坏并向上扩展→坡面裂缝产生→后缘拉剪破坏区与前缘剪切破坏区共同作用抗滑段→滑移面贯通，整体滑动。

5 结论

边坡的变形破坏不是瞬间发生的整体破坏，而是一个由局部破坏逐渐扩展到整体破坏的渐进过程。在边坡变形破坏的过程中，不同的影响因素对坡体的作用不同。在万寿广场边坡变形破坏的过程中，开挖是导致坡体破坏最终会引发滑坡的直接因素。

参考文献

[1] 唐茂颖.土质路堑高边坡变形特征的离心机模型试样研究[D].成都：西南交通大学，2005

[2] 李明，李焯芬等.边坡开挖破坏过程的离心模型试验研究[J].岩土力学.2010.31（2）

[3] 刘悦，黄强兵.黄土路堑边坡开挖变形机理的离心模型试验研究[J].  水文地质工程地质，2007，3（2）：59-62