节理型黄土开挖边坡塌滑破坏机理_连宝琴.pdf

第 43 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 43 No.1 2015 年 2 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Feb. 2015 收稿日期 2013-09-09 基金项目 国家自然科学基金面上项目（41172281）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（摇篮人才计划 CUGL10- 0413；特色学科团队 CUG090104）；国家重点基础研究发展计划（973 计划）课题（2011CB710604） 作者简介 连宝琴（1985），女，福建大田人，硕士研究生，从事岩土工程教学与科研工作. E-mail qin20054184 引用格式 连宝琴，王新刚. 节理型黄土开挖边坡塌滑破坏机理［J］. 煤田地质与勘探，2015，43（1）68-71. 文章编号 1001-1986（2015）01-0068-04 节理型黄土开挖边坡塌滑破坏机理 连宝琴 1，王新刚2 （1. 广州城建职业学院建筑工程系，广东 广州 510925；2. 中国地质大学工程学院，湖北 武汉 430074） 摘要 黄土节理控制着黄土区地下水或者地表水的运输通道，黄土节理的发育致使黄土节理扩张 为局部大的拉张裂隙，在拉张力作用下使得黄土高原地区塌滑灾害频繁发生。通过野外调查和分 析，提出了黄土开挖边坡塌滑破坏可分为 4 个阶段坡脚侵蚀剥落阶段、坡顶拉裂阶段、垂直裂 隙扩展阶段、边坡整体塌滑破坏阶段。结合工程实例，通过概化的三维数值分析模型，使用岩土 工程软件 FLAC3D模拟分析了在 3 种降雨量条件（40 mm/d、80 mm/d、100 mm/d）下，降雨 2 d 后概 化模型的塌滑破坏情况，这可为工程地质条件相同地区的黄土开挖边坡塌滑变形破坏的分析以及 防治提供一种有效分析范例。 关 键 词黄土节理；塌滑破坏；塌滑阶段；数值分析 中图分类号P642.2；TU44 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.01.014 Collapsed sliding failure mechanism of slope excavation in joint loess LIAN Baoqin1， WANG Xingang2 （1. Department of Building Engineering， Guangzhou City Construction College， Guangzhou 510925， China； 2. Department of Engineering， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China） Abstract Transport channels of groundwater or surface water in loess area are controlled by loess joint， loess joint development leads to the loess joint expansion and becomes local large tensile cracks， collapse sliding disasters have occurred frequently under the action of tension in the loess plateau. Through the field investigation and analysis， the collapse loess slope sliding failure can be divided into four stages slope erosion peeling off stage， the top tensile splitting stage， vertical crack expansion stage and slope overall collapse sliding failure stage. The col- lapse sliding failure situation was simulated and ion analyzed by using the geotechnical engineering software FLAC3D through 3d numerical analysis model in combination with practical engineering cases in three rainfall conditions （40 mm/day， 80 mm/day， 100 mm/day） after two raining days， providing an effective analysis paradigm for analysis and control of collapse sliding deation and failure under the same engineering geological condi- tions in excavation of loess slope. Key words loess joint； collapsed sliding failure； collapse and sliding stage； numerical analysis 黄土具有大孔隙、垂直节理发育、湿陷性等特 殊性质［1］，黄土节理在我国黄土地区普遍发育［2］。黄 土节理往往控制着黄土区地下水或者地表水的运输 通道［3］，致使黄土节理扩张为局部扩大的拉张裂隙， 在拉张力作用下使得黄土高原地区塌滑灾害频繁发 生［4］。 国内外学者对黄土塌滑破坏进行了大量研究［5-11］。 深入研究节理型黄土开挖边坡塌滑式破坏机理对于 黄土开挖边坡区域灾害的预测和预防有重要的指导 意义。 本文以山西某煤矿黄土开挖边坡黄土塌滑为 例，在野外调查的基础上探讨了黄土塌滑的形成条 件和破坏模式。利用岩土工程软件 FLAC3D对黄土 塌滑变形破坏过程进行数值模拟分析，这可为工程 地质条件相同地区的黄土开挖边坡塌滑变形破坏的 分析以及防治提供一种有效分析范例。 1 工程概况 山西忻州神达梁家碛煤矿位于河曲县城东北 ChaoXing 第 1 期 连宝琴等 节理型黄土开挖边坡塌滑破坏机理 69 处。属黄土高原的一部分，大部分被黄土覆盖，钻 孔揭露最大厚度 87.50 m，该区黄土固结差，垂直节 理发育。区内沟谷仅在雨季时汇集表流形成较大流 量，对冲沟产生强烈下切侧蚀，使沟谷加长加深。 在切割较深的沟谷边缘，因黄土垂直节理发育，受 自重应力及流水侧蚀的影响，常见崩落、塌滑现象。 2 黄土节理调查与塌滑阶段分析 根据现场区域节理裂隙调查成果以及前期边坡 勘察试验成果，用 disp 软件绘制节理散点图（图 1） 和节理玫瑰花图（图 2）。 从图 3 可以看出该区域黄土 开挖边坡缓倾角节理的较少，垂直节理较多，垂直 节理更易在降雨作用下形成拉张裂隙，这加剧了黄 土塌滑的形成。 图 1 黄土节理散点图 Fig.1 Loess joint scatter 图 2 黄土节理玫瑰花图 Fig.2 Loess joint rose diagram 黄土开挖边坡塌滑的破坏过程［12］可以分为 4 个 阶段 a. 坡脚侵蚀剥落阶段 塌滑破坏初期，降雨从 黄土体内渗流汇集到坡脚位置，坡脚应力过大，而 黄土强度低， 在重力作用下黄土沿着节理裂隙剥落， 坡脚形成局部侵蚀剥落空腔（图 4）。 图 3 黄土节理倾角分布统计图 Fig. 3 Loess joint dip distribution diagram 图 4 坡脚侵蚀剥落 Fig.4 Erosion peeling off b. 坡顶拉裂阶段 坡脚剥落到一定状态后， 黄 土开挖边坡坡面上的土体悬空，坡体出现了不均匀 沉降，黄土开挖坡体强度也由原来的峰值强度降为 残余强度，从而在开挖边坡坡顶产生沿着垂直节理 分布的拉裂区（图 5）。 图 5 坡顶拉裂 Fig.5 Tensile splitting at slope top c. 垂直裂隙扩展阶段 在降雨径流的集中冲 蚀下，黄土垂直节理张开，裂隙扩大，并继续向深 处扩展。此时黄土开挖边坡后缘的拉张应力进一步 集中，被黄土节理分割而成的块体部分悬空失去连 接，形成不稳定块体（图 6）。 ChaoXing 70 煤田地质与勘探 第 43 卷 图 6 不稳定块体 Fig.6 Unstable blocks d. 边坡整体塌滑破坏阶段 当被垂直节理切割 而形成不稳定块体下部具有顺坡向缓倾角黄土节理时 （图 7）， 降雨沿着垂直节理与缓倾角黄土节理组合而形 成的裂隙进入黄土开挖边坡体内，形成软弱滑动面， 从而使土体逐渐滑移，最终产生塌滑破坏（图 8）。 图 7 缓倾角黄土节理 Fig.7 Loess joint with low-angle dip 3 降雨作用下黄土塌滑数值模拟分析 根据野外现场调查资料，以及山西忻州神达梁 家碛露天矿运煤大道开挖边坡开挖设计图，以图 8 已有的塌滑破坏为实例，建立数值分析模型，并建 立上下两个由 4 条黄土开挖边坡发育节理面切割而 成的不稳定块体，节理面用无厚度的接触面建立。 模型高为 70 m，宽 100 m，开挖台阶边坡坡角 55。 采用有限元软件 ANSYS 作前处理，导入岩土工程 模拟计算软件 FLAC3D中（图 9），模型共 3 715 个单 元， 7 098 个节点， 将计算模型底面和 4 个侧面固定， 顶面自由。 降雨条件取 40 mm/d、 80 mm/d、 100 mm/d， 降雨 2 d，模型计算参数如表 1。 从图 10 可以看出，雨量 40 mm/d，降雨 2 d 后 上部不稳定块体边坡坡面上的土体悬空，坡体出现 了不均匀的沉降，从而在上部不稳定块体后缘边坡 坡顶产生沿着垂直节理分布的拉张裂隙，上部不稳 定块体最大位移为 3.7 m， 最大位移集中在上部不稳 定块体坡脚位置。 图 8 塌滑破坏 Fig.8 Collapse and sliding failure 图 9 三维计算模型 Fig.9 Three dimensional model for calculation 表 1 模型计算参数 Table 1 Calculation parameters of model 岩土名称 密度/（gcm-3） 内聚力/kPa 内摩擦角/（） Q4黄土1 1.86 5 22 Q4黄土1饱和1.97 4 18 Q4黄土2 1.96 16 26 Q4黄土2饱和2.13 11 20 Q3黄土 2.2 27 35 Q3黄土饱和 2.3 25 34 从图 11 可以看出，雨量 80 mm/d，降雨 2 d 后 上部不稳定块体的不均匀沉降加剧，拉张裂隙也进 ChaoXing 第 1 期 连宝琴等 节理型黄土开挖边坡塌滑破坏机理 71 图 10 雨量 40 mm/d 降雨 2 d 后位移云图（单位m） Fig.10 The displacement of nephogram after two raining days（40 mm/day） 图 11 雨量 80 mm/d 降雨 2 d 后位移云图（单位m） Fig.11 The displacement of nephogram after two raining days（80 mm/day） later 一步变大变深，上部不稳定块体沿着缓倾角黄土节 理发生整体的塌滑，进而导致下部不稳定块体坡顶 应力改变，下滑力变大。此时，上部不稳定块体最 大位移 5.1 m，最大位移集中在不稳定块体下部，堆 积在第一级台阶坡脚第二级台阶坡顶位置。 从图 12 可以看出，雨量 100 mm/d，降雨 2 d 后上部不稳定块体塌滑，完全塌落到下部不稳定块 体顶部，致使下部不稳定块体下滑力增加，加剧了 下部不稳定块体的塌滑。下部不稳定块体沿着垂直 节理与缓倾角黄土节理组合而成的裂隙滑动面产生 塌滑破坏，最大位移为 11.81 m，这发生在第二级台 阶顶面与下部不稳定块体侧壁节理面位置。对此类 图 12 雨量 100 mm/d 降雨 2 d 后位移云图（单位m） Fig.12 The displacement of nephogram after two raining- days（100 mm/day） 黄土开挖边坡防治应注意黄土垂直节理与缓倾角黄 土节理组合而成的裂隙滑动面的防治。 4 结 论 a. 黄土垂直节理的发育致使黄土节理扩张为 局部扩大的拉张裂隙，在拉张力作用下使得黄土高 原地区塌滑灾害频发。 b. 通过野外调查和分析，黄土开挖边坡塌滑破 坏主要过程为坡脚侵蚀剥落阶段、坡顶拉裂阶段、 垂直裂隙扩展阶段和边坡整体塌滑破坏阶段。 c. 结合工程实例，通过概化的三维数值分析模 型模拟分析了在 3 种雨量条件（40 mm/d、80 mm/d、 100 mm/d）下， 降雨 2 d 后概化模型的塌滑破坏情况， 提出应注意黄土垂直节理与缓倾角黄土节理组合而 成的裂隙滑动面的防治，这为工程地质条件相同地 区的黄土开挖边坡塌滑变形破坏的分析以及防治提 供一种有效分析方法。 参考文献 ［1］ 叶万军，杨更社，常中华，等. 黄土边坡剥落病害的发育特征 及其发育程度评价［J］. 工程地质学报，2011，19（1） 37-42． ［2］ 卢全中，彭建兵. 黄土体结构面的发育特征及其灾害效应［J］. 西安科技大学学报，2006，26（ 4）446-450. ［3］ 朱同新，蔡强国. 黄土高原黄土洞穴系统的水文特性研究［J］. 水土保持学报，1997，3（4）13-19. ［4］ 王根龙， 张茂省， 苏天明 .黄土崩塌破坏模式及离散元数值模 拟分析［J］. 工程地质学报，2011，19（4）541-549. ［5］ 郭力宇，甘枝茂，桑广书，等. 洛川塬黄土崩塌及水系成因构 造因子研究［J］. 水土保持学报，2002，16（5）135-138. ［6］ 何红前，陈志新，叶万军，等. 黄土高边坡变形破坏的基本形 式及其机理分析［J］. 西部探矿工程，2005，17（11）109-111. ［7］ 卢全中，彭建兵. 黄土体结构面的发育特征及其灾害效应［J］. 西安科技大学学报，2006，26（ 4）446-450. ［8］ 张茂省，校培喜，魏兴丽，等. 延安宝塔区滑坡崩塌地质 灾害［M］. 北京地质出版社，2008. ［9］ 中国地质调查局西安地质调查中心. 陕西省榆林子洲、绥德、 清涧、吴堡、佳县新近崩滑灾害调查报告［R］. 西安中国地 质调查局西安地质调查中心，2010. ［10］ 张茂省， 李同录. 黄土滑坡诱发因素及其形成机理研究［J］. 工 程地质学报，2011，19（4）530-540. ［11］ 叶万军 杨更社. 黄土高边坡稳定性评价的改进可拓工程 法［J］. 煤田地质与勘探，2007，35（6）47-50. ［12］ 赵学勐， 陈运理. 考虑垂直裂隙影响的均质黄土挖方边坡稳定 性分析［J］. 土木工程学报，1981（1）43-49. （责任编辑 张宏） ChaoXing