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标题 工程开挖尺度对黄土边坡稳定性影响
范文 唐东旗　姚秀芳　焦玲　高均昭　徐进



摘要：随着黄土高原地区经济的迅速发展，场地问题已成为制约地方经济发展瓶颈，削坡造地成为必然，为此，引发了大量灾难性黄土滑坡。从坡体开挖造成边坡失稳的极限平衡理论出发，在不同开挖尺度下，分别从应力、应变和屈服区的变化特征等方面进行了计算分析。结果显示，开挖区域形成水平减载作用，坡顶易出现张拉裂缝，开挖加速形成上下贯通的屈服面，最后对不同开挖尺度下的坡体稳定性进行分析。研究结果对黄土地区边坡开挖具有科学指导意义。
关键词：坡体开挖；黄土滑坡；受力分析；Flac2D；变形特征；受力特征；边坡稳定性
中图分类号：P642.22 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2015）06-1151-05
Abstract：With the rapidly economic development in the Loess Plateau，the site has become a bottleneck restricting the development of local economy，which leads to inevitable slope cutting and therefore a large number of catastrophic loess landslides.According to the limit equilibrium theory of slope instability caused by excavation，the variation characteristics of stress，strain，and yield zone were analyzed under different scales.The results showed that the excavation area forms horizontal load decrement，the top of slope is prone to the occurrence of tension crack，and the excavation can accelerate the formation of the yield surface from top to bottom.Finally，the excavation slope stability was analyzed under different scales.The research results are of scientific and guiding significance on the excavation slope in the loess area.
Key words：slope excavation；loess landslide；stress analysis；Flac2D；deformation characteristics；stress characteristics；slope stability
随着西部大开发的进一步推进，黄土高原地区已成为我国重要的能源、化工基地，狭窄的区域面积极大地制约了地方经济发展空间。过去，人们通过开挖窑洞居住、生活，现在以开挖黄土边坡来扩大生产建设场地，无不显示着人类对黄土边坡的改造作用。这种改造作用诱发坡体失稳造成了大量的地质灾害-黄土滑坡。如2006年陕北延安市杨崖滑坡，涉及8户47间房屋，损失严重[1-2]； 2009年5月16日兰州发生的滑坡，造成楼房被毁，7人死亡[3]；2009年10月7日山西柳林县枣林沟滑坡，造成6人死亡； 2010年3月10日陕西榆林市子洲县城山体滑坡，造成27人死亡；2011年春季延安飞机场后山由于场地开挖引起坡体产生蠕动变形破坏，使得场地报废；2011年9月17日，西安市灞桥区席王街道办石家道村白鹿塬北坡发生山体滑坡，造成32人死亡。以上这些地质灾害均是由于大范围的取土、削坡造地所致。城镇建设极大地改变了坡体原有的平衡状态，潜伏了发生地质灾害的危机。
一些典型开挖所形成的地质灾害发生已逐渐引起广大学者的关注与研究。首先，从理论上以极限平衡法进行边坡开挖过程中不同区域的受力分析开始[4-5]，继之有以实际工程开挖过程中的变形监测[6]，有以数值计算来反演边坡开挖的过程的研究[7-11]，同时也有采用实验室模型试验来对开挖过程对边坡所产生的影响进行分析[12-13]。总的看来，都是在一次开挖完成后所进行的受力和变形的分析，而现实工程多是在多次反复开挖后所形成的新边坡，并且开挖一次开挖进尺和多次开挖的总进尺大小对边坡稳定性影响较少提及，而开挖进尺是关系到可利用场地区域大小，因此本研究具有重要实用价值。
1 开挖坡体的稳定性力学分析
坡体开挖后，开挖区域成为新的临空区域，临空区域的阻力缺失，形成水平减载，原有的应力平衡被打破，从而使得坡体内部应力进行重新调整。为表示坡体被开挖前后的受力状态变化，绘制了边坡被开挖后的受力分析简图（图1），左图中Sαi的空白区域为开挖掉的区域，取其中一个条块进行分析，图中为条底可获得的抗剪力，Sαicili+N′itanφi；ci，φi，li分别为条底有效黏聚力、内摩擦角、长度；Smi为条底发挥的抗剪力；Uαi为孔隙水压力；Wi为土条重力；N′i为条底有效法向力；αi为条底倾角；Pi、Pi-1分别为土条的左右条间力。
这时，开挖区坡体的临空面处于卸载状态，每一土条的下滑力大于其阻滑力，坡体将有向下滑动的趋势，斜坡处于下滑力作用下的蠕动变形阶段。随着变形时间的增加，蠕动变形首先在坡脚变形较大处形成裂隙，随着裂隙继续向上扩展，当支撑力严重负于下滑力时，将会迅速贯通形成滑面。
2 开挖坡体的稳定性计算
2.1 工程地质概况
为了模拟开挖对坡体稳定性的影响，选取山西中阳某处由开挖引起的黄土滑坡为例（将其恢复原坡形），在该区域进行取土时发生边坡滑移，滑动时开挖进尺为10 m左右时，形成50°左右的坡角，并发生失稳滑动。计算几何模型选取剖面底边长度约为227 m，坡体高差88 m，水平方向为x轴，垂直方向为y轴。在实际的调查中发现，此次坡体失稳范围仅局限在坡体中部处，属于浅层黄土滑坡。地层分布为上部15 m的Q3马兰黄土，下部为40 m Q2离石黄土，离石黄土中间夹有多层古土壤层，最下部为Q1黄土。
2.2 计算工况及参数选取
利用FLAC2D进行数值分析，模型见图2。土体本构模型采用摩尔―库伦弹塑性模型，并且采用强度折减法计算坡体稳定性系数[14]。边界条件：底部约束双向位移，两侧边约束水平向位移。坡体的开挖工况见表1。数值模拟的开挖方式见图3，每次开挖进尺增加5 m，进尺依次为：5m、10m和15m。每开挖进尺坡脚度数为90°、80°、70°…。计算所采用的参数选取见表2。
2.3 数值计算结果分析
2.3.1 坡体变形分析
从未开挖和开挖坡体破坏后竖向与横向位移等值线图来看（图4、图5），坡体上部较陡，处于不稳定斜坡阶段，因此，在坡体未开挖时，随时间的增长，将最终滑落。坡脚开挖后，由于土体卸荷，会有一部分土体产生回弹变形，并且坡脚土体开挖后使得坡脚水平位移显著增加，这种增加预示着坡脚开挖有产生牵引滑坡的可能性。
对不同开挖进尺工况下坡体变形进行了计算（图6），主要分析了坡脚点最大位移的变化趋势，从图中可以看出：（1）当进尺为5 m时，开挖坡度从90°（直立）～50°变化时，坡体被挖掉土体较少，对上部边坡支撑力能够满足稳定状态，当坡度为30°时，造成上部坡体整体坡度增大，突然增大，预示着失稳，使得坡脚变形也就是说：当进尺选择5 m时，开挖坡度合理范围在90°～50°；（2）当进尺为10 m时，开挖坡度从90°～55°变化范围不是非常显著，仅仅当坡度小于55°后，坡脚位移显著增加。因此，当进尺为10 m时，开挖坡度的合理范围在90°～55°；（3）当开挖进尺为15 m时，由于进尺较大，当坡度小于90°，切坡范围已经很大，导致坡体失稳。因此不建议大进尺开挖。
2.3.2 主应力分析
图7和图8反映了坡体开挖后大、小主应力等值线的分布关系。从图中可以看到，坡体以压应力为主，在坡体表面附近的主应力为零。由于采用摩尔-库伦模型，在数值计算中采用了 “拉伸截断技术”[15]即：当土体承受拉应力时，即取土体应力为0。因此，坡体应力为零的位置，在实际工程中，可能出现了张拉裂缝，产生“拉-剪”破坏。从图中可以看出，坡顶接近零值的云图范围比较厚，也就是说坡顶最有可能出现“张拉”裂缝。由于坡体主要是受重力作用，图6中大主应力（σ1）比较平顺，走向基本平行于坡体，开挖前后的对比可以看出开挖对主应力的分布产生了明显变化。
2.3.3 屈服区破坏分析
图9是坡体各个区域所处的屈服状态，从图中可以看到，未开挖前坡体处于弹性状态。开挖破坏后，坡顶出现拉伸屈服区域，类似圆弧滑带的区域为剪切或者压缩屈服区域，其他区域为弹性区域。图10是土体内塑性破坏点的分布图，从图中可以看出，未开挖前，土体如果发生破坏，主要是在坡顶附近和坡脚附近。开挖后，由于对周围土体产生扰动，应力进行重分布，破坏时塑性点的分布基本沿着滑面附近。从图中可以看到开挖坡脚处形成了一条快要贯通至坡顶的潜在滑移面，按照现代土力学理论，塑性应变区贯通时可认为是潜在滑移面。
2.3.4 稳定性分析
图11统计了Ⅲ种开挖进尺（5 m，10 m和15 m）不同开挖坡体坡度时的安全系数。从图中可以看出：（1）当进尺为5 m时，坡度从90°～40°时，坡体安全系数不发生变化，即说明按这种方式开挖，对坡体稳定性影响不明显；当坡度减小至30°时，安全系数减小到接近极限平衡状态，即说明坡体将要失稳；（2）当进尺为10 m时，开挖坡度从90°～45°时，安全系数连续骤降，预示着坡体即将失稳；（3）当进尺为15 m时坡体从一开始开挖安全系数就骤降，说明大进尺的开挖不合适。
3 结论
（1）坡体被开挖后，开挖面处于卸荷状态，打破了坡体的稳定状态，加速了坡体的破坏变形。
（2）从数值计算的结果来看，在同一进尺情况下，开挖坡角越小，对坡体挖方量越多，对坡体整体影响越大，反之，则越小。
（3）在同一倾角情况下，进尺越大对坡体整体影响越大，反之，则越小。当采用小进尺、大倾角时，对边坡整体稳定性的影响较小，若采取小倾角，势必会影响到其经济效益；采用大进尺时，对坡体改变的影响较大，使得坡体的稳定状况将迅速恶化。
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