賈　杰　裴向軍　謝　?！≠Z　俊　賀　密

(①地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))　成都　610059) (②中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心　西安　710054)

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延安市陽(yáng)崖黃土邊坡開挖破壞離心模擬試驗(yàn)研究*

賈杰①裴向軍①謝睿①賈?、谫R密①

(①地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))成都610059) (②中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心西安710054)

人工開挖是黃土地區(qū)滑坡形成的主要誘發(fā)因素之一，開挖導(dǎo)致斜坡一定范圍內(nèi)產(chǎn)生卸荷回彈和應(yīng)力重分布，斜坡應(yīng)力重新平衡的過程伴隨著斜坡形變，甚至破壞。延安市寶塔區(qū)棗園鎮(zhèn)陽(yáng)崖滑坡為典型開挖誘發(fā)的黃土邊坡，本文選取陽(yáng)崖滑坡為地質(zhì)原型，采用TLJ-500大型土工離心機(jī)對(duì)邊坡坡腳開挖狀態(tài)下變形破壞過程進(jìn)行模擬試驗(yàn)，通過對(duì)模型控制點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，研究邊坡坡腳開挖前后坡體形變位移特征、坡體內(nèi)部土壓力響應(yīng)特征以及邊坡變形破壞機(jī)理。結(jié)果表明：坡腳開挖后臨空面附近產(chǎn)生局部垮塌，其坡體位移、潛在滑移面以及拉張裂縫均由坡體前緣往后部漸進(jìn)性變化發(fā)展。開挖后坡體內(nèi)部產(chǎn)生明顯的應(yīng)力松弛，且越靠近開挖面卸荷效應(yīng)越明顯，開挖主要影響坡體的中前部分，對(duì)坡體后部影響較小甚至無(wú)影響，分析得知坡體變形破壞機(jī)理為典型的漸進(jìn)后退式。

開挖黃土邊坡離心模擬試驗(yàn)變形破壞機(jī)理

0　引　言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人口規(guī)模的迅速膨脹，黃土地區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)模逐步加快，對(duì)建設(shè)用地的數(shù)量提出了更大的需求，工程建設(shè)與黃土地質(zhì)災(zāi)害之間的矛盾日益突出，修渠建路、挖取建筑材料等人工開挖改變了斜坡自然邊坡形態(tài)，嚴(yán)重破壞了地質(zhì)環(huán)境的力學(xué)平衡，常會(huì)引起滑坡，人工開挖誘發(fā)黃土邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象屢見不鮮(雷祥義， 2001； 徐張建等， 2007)。邊坡坡腳開挖造成開挖面范圍內(nèi)巖土體發(fā)生卸荷回彈，引起應(yīng)力重分布和應(yīng)力集中等效應(yīng)，開挖導(dǎo)致坡體內(nèi)部應(yīng)力平衡體系被打破，應(yīng)力調(diào)整和重新平衡的過程伴隨著斜坡形變，甚至產(chǎn)生失穩(wěn)破壞(張茂省等， 2011； 陳春利， 2012)。

離心模擬試驗(yàn)根據(jù)重力場(chǎng)和離心力場(chǎng)等效的原則，針對(duì)自重應(yīng)力場(chǎng)改變所產(chǎn)生的形變位移和應(yīng)力改變，離心模型具有保持與原型應(yīng)力應(yīng)變相同的優(yōu)點(diǎn)(濮家騮， 1996； 包承綱等， 1998； 王庚蓀， 2000)。在模擬開挖對(duì)邊坡的變形影響、破壞過程、變形機(jī)制等研究方面逐步為廣大學(xué)者和工程技術(shù)人員接受并應(yīng)用(高長(zhǎng)勝等， 2005；牟太平等， 2006； 姚裕春等， 2006；劉悅等， 2007； 張嘎等， 2008； 龔成明等， 2010； 李明等， 2011)。本文選取延安市寶塔區(qū)棗園鎮(zhèn)陽(yáng)崖滑坡為地質(zhì)原型，采用離心機(jī)模擬試驗(yàn)客觀再現(xiàn)陽(yáng)崖滑坡的開挖→變形→破壞動(dòng)態(tài)全過程，通過對(duì)模型邊坡內(nèi)部所布設(shè)控制點(diǎn)位移、土壓力傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，探索研究邊坡坡腳開挖前后坡體形變位移特征、坡體內(nèi)部土壓力響應(yīng)特征以及邊坡變形破壞機(jī)理。研究結(jié)果為開挖誘發(fā)的黃土滑坡形成機(jī)理研究提供了一定的物理模擬技術(shù)數(shù)據(jù)。

1　地質(zhì)原型概述

陽(yáng)崖滑坡地處陜西省延安市棗園鎮(zhèn)陽(yáng)崖村，屬延安市寶塔區(qū)城郊鎮(zhèn)之一，位于延安城西北7.5km處，省道303與黃延高速貫穿其中，交通便利。陽(yáng)崖滑坡發(fā)育于棗園鎮(zhèn)陽(yáng)崖村沖溝右岸，因坡體前緣坡腳不當(dāng)開挖引發(fā)滑坡沿老滑坡滑面的滑動(dòng)，屬于典型的人工開挖誘發(fā)的黃土中小型滑坡。

陽(yáng)崖滑坡在平面上近似“鐘”形，主滑方向?yàn)?30°，坡體上可見滑體下錯(cuò)形成的陡坎，坡體沖溝發(fā)育，灌木及蒿草茂盛，滑坡后緣高程約1100m，前緣至陽(yáng)崖村沖溝外緣?；w長(zhǎng)160m，寬120m，平均厚度10m左右，面積1.9×104m2，體積2.0×105m3?；聻辄S土層內(nèi)滑坡，由晚、中更新統(tǒng)黃土組成，灰黃-淺黃-黃褐色混雜，可塑-硬塑，節(jié)理發(fā)育，土質(zhì)略疏松，經(jīng)滑動(dòng)后，土質(zhì)顯得更為疏松破碎，表面見多條拉裂縫。黃土覆蓋于侏羅紀(jì)巖層上，巖層由灰白-灰色砂巖泥巖互層組成，堅(jiān)硬，近水平產(chǎn)狀。圖1 為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)剖面圖。

圖1　陽(yáng)崖滑坡剖面圖Fig. 1　Profile of the Yangya landslide

2　離心模擬試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)原理

土工離心模型試驗(yàn)是用原材料或相似材料根據(jù)相似原理及相似比制成模型，由于離心慣性力與重力等效的原理，故將土工模型置于高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)中，通過離心力的作用使模型達(dá)到與原型相同的應(yīng)力狀態(tài)，這樣就能夠再現(xiàn)土體在自重應(yīng)力場(chǎng)下有關(guān)的變形發(fā)展過程，能夠很好地模擬邊坡破壞的全過程。

2.2離心模型與方案設(shè)計(jì)

本次離心模擬試驗(yàn)采用成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的TLJ-500大型土工離心機(jī)，其主要性能指標(biāo)(表1)。選取棗園鎮(zhèn)陽(yáng)崖滑坡為地質(zhì)原型進(jìn)行離心模擬試驗(yàn)，主要模擬開挖誘發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞過程。選定試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅瘸遪=80，模型規(guī)格為長(zhǎng)×寬×高=1.0m×1.0m×0.75m，模型尺寸(圖2)。

表1　離心機(jī)主要技術(shù)性能指標(biāo)Table 1　Main technical indices of geotechnical centrifugal test

離心機(jī)容量/g·t有效半徑/m離心加速度/g加速度穩(wěn)定度/%FS(12h)吊斗設(shè)計(jì)空間/m×m×m500410～250±0.51.5×1.3×1.5

表2　陽(yáng)崖滑坡原狀黃土物理力學(xué)特性指標(biāo)Table 2　Physical property indexes of undisturbed loess of the Yangya landslide

取樣地點(diǎn)天然含水率/%天然密度/g·cm-3土粒比重孔隙比塑限/%液限/%c/kPaφ/(°)陽(yáng)崖滑坡8.81.582.70.8615.728.127.125.9

圖2　離心模型結(jié)構(gòu)及尺寸圖(單位：mm)Fig. 2　Structures and dimensions of centrifuge model test

模型材料： ①下部巖體材料以石膏，細(xì)砂及少量水泥為基材，按不同的配合比配制的混合材料為相似材料，通過多次配比試驗(yàn)，盡可能使巖體相似材料與原型材料滿足相似比條件； ②上部滑體材料取用滑坡現(xiàn)場(chǎng)擾動(dòng)土進(jìn)行重塑，保證顆粒級(jí)配與物質(zhì)成分與現(xiàn)場(chǎng)黃土一致。為使擾動(dòng)土強(qiáng)度與現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度一致，通過不同的干密度和含水率對(duì)擾動(dòng)土進(jìn)行配制，選取與現(xiàn)場(chǎng)原狀土樣最接近的含水率和干密度對(duì)模型進(jìn)行重塑。參考現(xiàn)場(chǎng)原狀黃土樣所測(cè)得的強(qiáng)度參數(shù)(其物理力學(xué)特性見表2)，通過多次剪切試驗(yàn)最后得出重塑土樣在干密度1.48g·cm-3，含水率8%時(shí)的強(qiáng)度參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)原狀樣強(qiáng)度參數(shù)最為接近； ③坡前開挖土體材料，由于機(jī)械手作用范圍有限，不能達(dá)到整個(gè)斷面開挖的效果，故將其預(yù)先置換成同等容重，同等坡型的材料塊體，在試驗(yàn)中通過機(jī)械手臂的上提將預(yù)置塊體拉出，以此來實(shí)現(xiàn)開挖，模型試驗(yàn)前如圖3 所示。

圖3　開挖前邊坡的模型Fig. 3　Slope model before the excavation

堆放模型前在模型箱內(nèi)側(cè)貼上一層塑料薄膜，有機(jī)玻璃內(nèi)側(cè)涂上凡士林以盡可能減小側(cè)壁摩擦帶來的影響。為有效地觀察土體位移變化情況，裝樣時(shí)預(yù)先埋入一些標(biāo)志點(diǎn)，按一定間距排列，分層埋入形成網(wǎng)格，線與線之間的間距控制精度為5mm×5mm，并在有機(jī)玻璃面外側(cè)貼上印有觀測(cè)網(wǎng)格的透明薄膜以便讀數(shù)。試驗(yàn)根據(jù)埋深不同選取不同量程的土壓力傳感器埋入坡內(nèi)預(yù)定位置，其中土壓力計(jì)1， 2， 3， 5， 6， 7為豎向放置，測(cè)量水平向應(yīng)力，土壓力計(jì)4， 8為水平放置，測(cè)量垂直向應(yīng)力，傳感器精度±1%FS，電源供電6～2VDC，輸出電壓0～2VDC，允許過載120%FS，使用溫度0～45℃，具體(圖4)。

圖4　土壓力傳感器布置圖(單位：mm)a.剖面布置圖； b.平面布置圖Fig. 4　Soil pressure sensor arrangement

試驗(yàn)?zāi)M的過程(圖5)： ①離心加速度從0g開始勻速增大到試驗(yàn)設(shè)計(jì)加速度值80g，旋轉(zhuǎn)約10min； ②在設(shè)計(jì)加速度80g下對(duì)原始邊坡進(jìn)行固結(jié)，保持離心機(jī)勻速旋轉(zhuǎn)2～3min左右； ③保持80g的設(shè)定加速值，使用機(jī)械手對(duì)邊坡坡腳進(jìn)行預(yù)定角度的開挖，模擬邊坡開挖的過程，旋轉(zhuǎn)約7～8min； ④坡體失穩(wěn)變形并再度穩(wěn)定后，離心機(jī)的加速度值由設(shè)計(jì)值逐步減速至靜止，旋轉(zhuǎn)約10min。

圖5　離心機(jī)加速度歷時(shí)圖Fig. 5　The centrifuge acceleration last figure

3　離心模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1坡體整體位移分析

根據(jù)開挖前、后模型 (圖3、圖6)中標(biāo)志點(diǎn)的位置 (圖7)，然后繪出開挖后邊坡位移的矢量變化圖 (圖8)。

圖6　開挖后邊坡的模型Fig. 6　Slope model after the excavation

圖7　開挖前、后標(biāo)記點(diǎn)位置(單位：mm)Fig. 7　Before and after the excavation markers in the position(Hollow points represent for“before excavation”，solid points represent for“after excavation”)空心點(diǎn)代表開挖前，實(shí)心點(diǎn)代表開挖后

圖8　開挖后坡體位移變化矢量圖Fig. 8　Slope position change vector diagram after the excavation

圖8為開挖后坡體位移矢量變化。開挖前的固結(jié)過程中，坡體的變形主要以自重應(yīng)力作用下的豎向變形為主； 隨著坡腳的開挖，開挖處產(chǎn)生局部的垮塌，坡體中前部的位移矢量發(fā)生了明顯的變化，從坡體內(nèi)部往開挖面方向，位移矢量方向由豎直向下逐漸發(fā)展為與滑動(dòng)面(根據(jù)模型位移控制點(diǎn)的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)過程視頻影像分析可得模型邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)面)的方向基本平行，而坡體中后部變形仍以豎向變形為主，說明坡腳開挖主要對(duì)開挖面附近區(qū)域的影響大，對(duì)坡體中后部影響較小甚至無(wú)影響。

圖9　水平位移等值線圖(單位：mm)Fig. 9　Horizontal displacement contour figure(unit： mm)

圖9、圖10顯示了坡體開挖后水平和豎向位移的等值線圖，由于坡腳的開挖，坡腳處水平圍壓的卸荷，使坡體產(chǎn)生明顯變形，并在坡腳開挖處出現(xiàn)最大位移。從圖9 可知：水平位移等值線密度從坡體內(nèi)部到坡面由稀疏發(fā)展為密集，越靠近開挖面水平位移越大，最大值達(dá)到46mm，而從水平位移等值線為0處(坡體最左邊虛線處)到坡體后部并無(wú)水平方向的位移。從圖10 分析可知豎向位移等值線圖在坡腳開挖處集中，最大值達(dá)到40mm，越往坡體內(nèi)部越稀疏，與水平位移等值線的分布規(guī)律以及等值線由密到疏的轉(zhuǎn)折帶位置基本一致。

圖10　豎向位移等值線圖(單位：mm)Fig. 10　Vertical displacement contour figure(unit： mm)

根據(jù)水平、豎向位移等值線的疏密程度可以將坡體劃分為主要影響區(qū)(位移等值線密集區(qū))，過渡區(qū)(位移等值線稀疏區(qū))和無(wú)影響區(qū)(無(wú)位移區(qū))，如圖中虛線劃分的區(qū)域。坡體主要影響區(qū)是開挖影響的集中區(qū)域，區(qū)內(nèi)開挖面附近坡體位移變化幅度大； 過渡區(qū)坡體位移變化幅度小，其主要是由于開挖面附近區(qū)域的大變形逐步引起的變化； 無(wú)影響區(qū)是坡體穩(wěn)定的區(qū)域，開挖并未影響該部分坡體的變形。開挖并未影響整個(gè)坡體，主要集中影響坡體前緣位置。等值線圖中由主要影響區(qū)到過渡區(qū)的轉(zhuǎn)折帶位置與滑動(dòng)面的位置基本吻合。

3.2坡體控制點(diǎn)位移分析

參照?qǐng)D7，距離開挖面不同的水平距離選取a、b、c、d 4個(gè)控制點(diǎn)，以固結(jié)完成時(shí)刻(大約開挖前5min左右)控制點(diǎn)的位置為參照點(diǎn)，選取開挖過程中不同時(shí)刻的位置 (圖11)，分析開挖過程中控制點(diǎn)水平和豎向位移的變化，得到圖12、圖13。

從圖12 中可知，在固結(jié)過程中控制點(diǎn)的水平位移并無(wú)大的變化，大約在750s開挖之后，位于坡腳的控制點(diǎn)a水平位移首先迅速增大，其他控制點(diǎn)水平位移仍在緩慢變化，在開挖整個(gè)過程中a點(diǎn)水平位移最大值達(dá)到22mm，持續(xù)時(shí)間450s左右； 在760s左右位于坡體中前部的控制點(diǎn)d水平位移也迅速增大，但其變化率比a點(diǎn)的小，在開挖過程中水平位移最大值達(dá)到15mm，持續(xù)時(shí)間410s左右； 之后坡體中部的控制點(diǎn)b水平位移增大，在開挖過程中水平位移最大值達(dá)到10mm，持續(xù)時(shí)間350s左右； 在整個(gè)開挖過程中位于坡頂?shù)腸點(diǎn)水平位移幾乎無(wú)變化。從坡體前緣a點(diǎn)到坡體后部d點(diǎn)，水平位移的變化值、變化率、持續(xù)時(shí)間依次減小。圖13 中，各控制點(diǎn)豎向位移的變化規(guī)律和水平位移大致相似。

圖11　坡體開挖變形發(fā)展過程圖Fig. 11　Slope excavation deformation development process

圖12　控制點(diǎn)水平位移變化Fig. 12　Horizontal displacements of control points

圖13　控制點(diǎn)豎向位移變化Fig. 13　Vertical displacements of control point

分析坡體控制點(diǎn)在開挖過程的位移可知，開挖面附近的控制點(diǎn)在坡腳開挖后產(chǎn)生的水平位移與垂直位移同時(shí)產(chǎn)生且大小相差不大； 而坡體中前部的控制點(diǎn)在開挖后會(huì)先產(chǎn)生較大的垂直位移，而水平位移較小，隨后水平位移逐漸增大； 坡體中后部的控制點(diǎn)產(chǎn)生的垂直位移則遠(yuǎn)大于水平位移。說明坡腳處土體較早受到開挖的影響，臨空條件較好，故產(chǎn)生較大的向臨空方向的水平位移，此時(shí)中后部土體主要為垂向位移，而坡體中后部的土體由于前部土體產(chǎn)生較大水平位移后發(fā)生松動(dòng)，為其往臨空面的位移發(fā)展提供了空間和條件，從而逐漸開始產(chǎn)生較大的水平位移，這是一個(gè)漸進(jìn)的變化過程。同時(shí)潛在滑移面、拉裂縫的發(fā)展與坡體位移的發(fā)展過程大致一致的，也是從坡腳往坡體中后部逐漸發(fā)展的過程。坡體位移、拉裂縫以及潛在滑移面的發(fā)展變化過程是坡腳開挖誘發(fā)坡體變形的一個(gè)重要發(fā)展規(guī)律。

3.3坡體內(nèi)部土壓力分析

選取分別位于坡體剖面1和剖面2，距離開挖面不同距離的1、2、3和5、6、7以及4、8微型土壓傳感器，得到水平土壓力變化曲線圖(圖14)，垂直土壓力變化曲線圖(圖15)以及土壓變化統(tǒng)計(jì)表(表3)。

圖14　水平向土壓力隨時(shí)間變化曲線Fig. 14　Timely varying curves of horizontal soil pressure

圖15　豎向土壓力隨時(shí)間變化曲線Fig. 15　Timely varying curves of vertical soil pressure

表3　土壓力變化統(tǒng)計(jì)表Table 3　Statistics of the change of soil pressure

TP0P1ΔL土壓力方向11221040.1593水平方向2106960.10118水平方向31101050.05200水平方向45485300.03200垂直方向538290.2458水平方向61281200.06153水平方向789890400水平方向83273040.0793垂直方向

表中T為土壓力計(jì)編號(hào)；P0為初始土壓力(kPa)；P1為開挖后下降后土壓力值； Δ為土壓力下降(%)；L為土壓力計(jì)距開挖面水平距離(mm)

根據(jù)土壓變化的曲線圖，結(jié)合坡體控制點(diǎn)位移曲線可將滑坡的變形破壞過程大致分為4個(gè)階段。第1階段：各土壓力隨加速度的上升而勻速增大，直至500s左右加速度達(dá)到預(yù)定值保持不變，各土壓力也保持穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)滑坡開挖前的自然固結(jié)階段，期間坡體位移以豎向固結(jié)位移為主，量值較小； 第二階段：大約750s開挖時(shí)刻，各土壓力出現(xiàn)了不同程度的下降，對(duì)應(yīng)滑坡坡腳開挖階段，說明開挖后坡體前緣出現(xiàn)短時(shí)間的卸荷現(xiàn)象，模型邊坡坡體內(nèi)產(chǎn)生了顯著位移，位移量值大幅上升，模型邊坡產(chǎn)生破壞； 第3階段：各土壓力均有一定程度的回升，對(duì)應(yīng)坡體應(yīng)力重新調(diào)整階段，伴隨土壓力趨于穩(wěn)定，模型邊坡位移量逐步減小，位移變化量也趨于收斂； 第4階段：各土壓力開始趨于穩(wěn)定值，對(duì)應(yīng)坡體應(yīng)力重新調(diào)整并達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，坡體內(nèi)部位移曲線幾近水平，位移無(wú)明顯增加。

從表3、圖14 及圖15 中可知，位于同一剖面且距離開挖面水平距離越小的點(diǎn)，開挖后土壓力下降比越大，位移變化量也顯著于距離坡表距離較遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，說明位于這一區(qū)域的點(diǎn)的卸荷作用明顯，受到開挖的影響大； 位于不同剖面的土壓計(jì)4和8可看出，坡體內(nèi)豎向土壓力同樣會(huì)受到開挖的影響而產(chǎn)生卸荷，與同一位置的水平向卸荷相比小的多，但與水平向卸荷規(guī)律相同，即距離開挖面越近卸荷作用越明顯； 開挖引起的卸荷作用已影響到坡體的中部，但卸荷作用已經(jīng)很小，到坡體后部卸荷作用幾乎消失，主要還是影響坡體的中前部。

4　切坡型黃土滑坡的破壞機(jī)理分析

根據(jù)坡體整體位移、控制點(diǎn)位移以及坡體內(nèi)部土壓的分析，總結(jié)出坡腳開挖下黃土滑坡的破壞過程為：坡腳開挖，土體局部破壞→坡體后緣產(chǎn)生拉裂縫→前緣剪切帶與后緣拉裂縫不斷向后、向深擴(kuò)展形成滑帶→滑帶貫通，坡體失穩(wěn)破壞。

(1)坡腳開挖，土體局部破壞

坡腳的開挖導(dǎo)致坡體前緣形成臨空面(相當(dāng)于在臨空面施加一個(gè)指向下側(cè)的等效開挖力系)(王敏強(qiáng)等，2001)，土體出現(xiàn)短暫的卸荷回彈并產(chǎn)生應(yīng)力的釋放和重新調(diào)整，表現(xiàn)為1-8#土壓力計(jì)在開挖初始階段不同程度的下降之后趨于穩(wěn)定； 土體自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降導(dǎo)致臨空面局部土體破壞，坡腳處剪應(yīng)力逐漸增大形成剪應(yīng)力集中帶并逐步向坡體中后部發(fā)展，坡體處于蠕滑變形階段。

(2)坡體后緣產(chǎn)生拉裂縫

坡體前緣土體水平位移急劇的增大，導(dǎo)致中前緣土體向臨空面方向發(fā)生變形并產(chǎn)生拉裂縫，拉裂縫逐漸向坡體后緣發(fā)展，并最終在后緣產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)為坡體控制點(diǎn)位移的變化過程。隨著剪應(yīng)力的調(diào)整，塑性破壞區(qū)開始在坡腳出現(xiàn)并逐步往后擴(kuò)展，坡體處于形變發(fā)展階段。

(3)前緣剪切帶與后緣拉裂縫不斷向后、向深擴(kuò)展形成滑帶

隨著剪應(yīng)力集中帶不斷向后發(fā)展，后緣拉裂縫不斷向下延伸、發(fā)展最終與塑性破壞區(qū)貫通，潛在滑帶基本形成，坡體穩(wěn)定性大幅度降低，處于加速變形階段。

(4)滑帶貫通，坡體失穩(wěn)破壞

當(dāng)坡體的下滑推力超過土體強(qiáng)度所能承受的范圍時(shí)，最終沿滑動(dòng)帶 (圖8 中所示)迅速貫通，坡體失穩(wěn)破壞。

開挖坡腳打破了坡體原有的應(yīng)力平衡環(huán)境，坡體破壞從坡腳處開始進(jìn)而引起坡體的整體破壞，開挖是誘發(fā)滑坡的直接因素。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，切坡初期坡腳應(yīng)力重新調(diào)整，導(dǎo)致斜坡向臨空方向卸荷回彈產(chǎn)生一定變形，但遇暴雨后坡體變形持續(xù)發(fā)展，這與Q3黃土的性質(zhì)有關(guān)，Q3黃土有很好的自穩(wěn)能力，若遇后續(xù)的強(qiáng)降雨，雨水沿拉裂縫與黃土自身發(fā)育的垂直節(jié)理滲入土體，Q3黃土遇水后強(qiáng)度迅速降低，后期的強(qiáng)降雨導(dǎo)致斜坡在卸荷回彈變形基礎(chǔ)上持續(xù)變形的主要因素。開挖誘發(fā)邊坡的變形破壞是從坡腳處局部破壞擴(kuò)展到坡體的整體破壞的漸進(jìn)性變化的發(fā)展過程，為漸進(jìn)后退式的變形破壞。

5　結(jié)　論

本文通過對(duì)陽(yáng)崖滑坡離心模擬試驗(yàn)研究，模擬其開挖破壞的全過程，基于試驗(yàn)結(jié)果主要得到以下結(jié)論：

(1)開挖前的固結(jié)過程中，坡體的變形主要以自重應(yīng)力作用下的豎向變形為主。隨著坡腳的開挖，坡體中前部的位移矢量發(fā)生了明顯的變化，從坡體內(nèi)部往開挖面方向，位移矢量方向由豎直向下逐漸發(fā)展為與滑動(dòng)帶的方向基本平行，而坡體中后部變形仍以豎向變形為主。

(2)水平和豎向位移等值線在坡腳開挖處最為集中并為最大位移，越往坡體內(nèi)部越稀疏，根據(jù)位移等值線的疏密程度可將坡體劃分為主要影響區(qū)，過渡區(qū)和無(wú)影響區(qū)3個(gè)區(qū)域，坡腳開挖主要影響區(qū)為坡體的中前緣，對(duì)后緣并未產(chǎn)生明顯的影響。

(3)在坡體開挖過程中，坡體控制點(diǎn)越靠近開挖面，其位移的變化值、變化率、應(yīng)力卸荷變化越大，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，距離開挖面越遠(yuǎn)，其變化越小，直到不發(fā)生變化。開挖引起的水平方向的卸荷明顯大于豎直方向的卸荷，但兩者變化規(guī)律是一致的。

(4)黃土滑坡的破壞過程為：坡腳開挖，土體局部破壞→坡體后緣產(chǎn)生拉裂縫→前緣剪切帶與后緣拉裂縫不斷向后、向深擴(kuò)展形成滑帶→滑帶貫通，坡體失穩(wěn)破壞。

(5)開挖誘發(fā)邊坡的變形破壞是從坡腳處局部破壞擴(kuò)展到坡體的整體破壞的漸進(jìn)性變化的發(fā)展過程，為漸進(jìn)后退式的變形破壞。

Bao C G，Rao X B. 1998. Principle of model test the geotechnical centrifuge[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，15(2)： 1～4．

Chen C L. 2012. Study on the deformation and failure mechanism of excavated loess slope in Yan’an[D]. Xi’an: Chang’an University．

Gao C S，Xu G M，Zhang L，et al. 2005. Centrifuge modeling of deformation and failure of slope[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，27(4)： 478～481．

Gong C M，Cheng Q G，Liu Z P. 2010. Centrifuge model tests on excavation and reinforcement effect of loess slope[J]. Rock and Soil Mechanics，31(11)： 3481～3486.

Li M，Zhang G，Lee C F, et at. 2011. Centrifugal model tests on excavation-induced deformation of slopes[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，33(4)： 667～672.

Lei X Y. 2001. Geo-hazards and human activity at loess plateau[M]. Beijing： Geological Publishing House．

Liu Y，Huang Q B. 2007. The centrifugal simulation experiment research on the influence of excavation and loading on the characteristics of deformation and destruction of loess slope[J]. Geotechnical Investigation & Surveying，(5)： 10～13.

Mu T P，Zhang G，Zhang J M. 2006. Centrifuge modeling of failures of cohesive soil slopes[J]. Journal of Tsinghua University，46(9)： 1522～1525．

Pu J L. 1996. Geotechnical centrifuge model text and its application and evelopment[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，18(5)： 92～94．

Wang G S. 2000. The progressive failure of slope and the stability analysis[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，19(1)： 29～33．

Wang M Q，Xu Y. 2001. Discussion of released loads in calculation of excavation by finite element method[J]. Engineering Journal of Wuhan University，34(1)： 56～59．

Xu Z J，Lin Z G，Zhang M S. 2007. Loess in China and loess landslides[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，26(7)： 1297～1312．

Yao Y C，Yao L K, Yuan B Y. 2006. Study of centrifuge model tests on transition effect of cut slopes[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，28(1)： 76～80．

Zhang G，Wang A X，Mu T P， et al. 2008. Study of stress and displacement fields in centrifuge modeling of slope progressive failure[J]. Rock and Soil Mechanics，29(10)： 2637～2641．

Zhang M S，Li T L. 2011. Triggering factors and forming mechanism of loess landslides[J]. Journal of Engineering Geology，19(4)： 530～540.

包承綱，饒錫保. 1998. 土工離心模型的試驗(yàn)原理[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，15(2)： 1～4．

陳春利. 2012. 延安地區(qū)人工開挖黃土邊坡的變形破壞機(jī)理研究[D]. 西安： 長(zhǎng)安大學(xué)．

高長(zhǎng)勝，徐光明，張凌，等. 2005. 邊坡變形破壞離心機(jī)模型試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，27(4)： 478～481．

龔成明，程謙恭，劉爭(zhēng)平. 2010. 黃土邊坡開挖與支護(hù)效應(yīng)的離心模擬試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)，31(11)： 3481～3486.

李明，張嘎，李焯芬，等. 2011. 開挖對(duì)邊坡變形影響的離心模型試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，33(4)： 667～672．

雷祥義. 2001. 黃土高原地質(zhì)災(zāi)害與人類活動(dòng)[M]. 北京：地質(zhì)出版社．

劉悅，黃強(qiáng)兵. 2007. 開挖和堆載作用下黃土邊坡變形特征離心試驗(yàn)研究[J]. 工程勘察，(5)： 10～13．

牟太平，張嘎，張建民. 2006. 土坡破壞過程的離心模型試驗(yàn)研究[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)，46(9)： 1522～1525．

濮家騮. 1996. 土工離心模型試驗(yàn)及其應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，18(5)： 92～94．

王庚蓀. 2000. 邊坡的漸進(jìn)破壞及穩(wěn)定性分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，19(1)： 29～33．

王敏強(qiáng)，許原. 2001. 有限元分析中開挖釋放荷載計(jì)算的討論[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，34(1)： 56～59．

徐張建，林在貫，張茂省. 2007. 中國(guó)黃土與黃土滑坡[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，26(7)： 1297～1312．

姚裕春，姚令侃，袁碧玉. 2006. 邊坡開挖遷移式影響離心模型試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，28(1)： 76～80．

張嘎，王愛霞，牟太平，等. 2008. 邊坡破壞過程離心模擬試驗(yàn)的應(yīng)力位移場(chǎng)研究[J]. 巖土力學(xué)，29(10)： 2637～2641．

張茂省，李同錄. 2011. 黃土滑坡誘發(fā)因素及其形成機(jī)理研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，19(4)： 530～540．

CENTRIFUGAL SIMULATION EXPERIMENT FOR A LOESS CUTTING-SLOPE AT YANGYA，YAN’AN CITY，NW CHINA

JIA Jie①PEI Xiangjun①XIE Rui①JIA Jun②HE Mi①

(①StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059) (②Xi’anCenterofChinaGeologicalSurvey，Xi’an710054)

Artificial excavation is one of the main inducing factors of the landslide formation in loess area. It causes unloading rebound and stress redistribution within the scope of slopes. The process of slope stress rebalancing is followed by slope deformation， which even causes damage. The landslide happened at Baota Zaoyuan town in Yan’an city is a typical induced loess slope excavation. This paper chooses the Yangya landslide as the geological prototype. It uses the type of TLJ-500geotechnical centrifuge for the condition of excavation slope foot test to simulate the deformation and failure process. It studies the characteristics of the displacement of slope deformation before and after the excavation of the slope foot， slope soil pressure response and mechanism of slope deformation and destruction through analysis of the model monitoring data at monitoring points. Results show that partial collapse happens after the slope toe excavation near the international airport face. The slope displacement， shear stress concentration belt and tensile fracture increase progressively from the front part to the inner part of the slope. After excavation， the slope internal zone can produce obvious stress relaxation. The closer to the excavation face the more obvious effect of unloading. Excavation influences a majority of the front and middle parts of the main slope. So there is less or even no effect at the back slope， which means that slope deformation failure mechanism is the typical-steps-back type．

Excavation， Loess slope， Centrifugal simulation test， Deformation and failure mechanism

10.13544/j.cnki.jeg.2016.01.001

2015-04-07;

2015-06-05.

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(1212011140005)，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014CB744703)資助.

賈杰(1989-)，男，碩士生，主要從事巖土工程方面的研究. Email：1198006930@qq.com

簡(jiǎn)介： 裴向軍(1970-)，男，博士，教授，主要從事工程地質(zhì)教學(xué)與科研工作. Email：379975908@qq.com

P642.22

A