李雪

摘要：为了明确底部开挖对公路边坡稳定性的影响，以梅州至平远高速公路工程为背景，采用多步开挖的方法结合全尺寸边坡模型进行试验。在坡体中布置6个监测点记录坡向及垂直位移，随后将两方向位移作为分量进行组合位移计算分析，并结合试验结果进行归纳。研究结果表明：1）边坡上部区域整体稳定，内部应力变化慢，滑坡往往由内部蠕变造成，因此上部区域合位移偏角值较为稳定，而下部区域因易受开挖影响，位移角波动显著;2）通过对边坡下部区域计算，其滑动面倾角理论值为30°～60°，试验中观测到了一致的情况，而受土体堆积作用，后期土体断面几乎与坡面平行。研究得到了滑坡发生前合位移的偏转角及滑坡断面方向变化规律，相关结果可作为预测边坡稳定性的重要指标，对评估公路边坡稳定性具有一定的借鉴意义。

关键词：岩土力学;公路边坡;多步开挖;模型试验;合位移

中图分类号：TU41文献标识码：ADOI：10.7535/hbgykj.2021yx06011

Analysis on the evolution of combined displacement of

highway slope under model test

LI Xue

（Guangzhou Expressway Company Limited，Guangzhou，Guangdong 511458，China）

Abstract：In order to clarify the influence of bottom excavation on highway slope stability，taking Meizhou-Pingyuan highway project as the background，the multi-step excavation method combined with full-scale slope model was used for test.Six monitoring points were arranged in the slope to record the slope direction and vertical displacement，and then the two-direction displacement was calculated and analyzed as components，which was summarized in combination with the test results.The results show that：1） the upper part of the slope is stable as a whole，the internal stress changes slowly，and the landslide is often caused by internal creep.Therefore the upper combined displacement angle is more stable，while the lower area is more easily affected by excavation，and the displacement angle fluctuates significantly;2） through the calculation of the lower part of the slope，the theoretical value of the inclination angle of the sliding surface is 30°～60°.The consistent situation has been observed in the test，but due to the accumulation of soil，the cross section of the soil is almost parallel to the slope in the later stage.The deflection angle of the displacement before the occurrence of the landslide and the changing law of the direction of the landslide section are obtained.the relevant results can be used as an important index for predicting slope stability and have certain reference for evaluating highway slope stability.

Keywords：rock and soil mechanics;highway slope;multi-step excavation;model test;combined displacement

近年來，由于降雨、地震等自然灾害导致的滑坡频繁发生，造成了一定的财产损失和人员伤亡[1-2]。长期以来，一直有学者对滑坡进行监测分析[3-4]。在监测手段中，全球导航卫星系统（GNSS）是获取滑坡表面实时三维矢量变形指标的主要技术之一，已经成为高精度监测复杂区域滑坡的通用系统[5-6]。但是，无论是从设备造价还是安装技术方面，专业的GNSS监测设备要求较高，设备的高成本限制了其大规模应用，大部分发展中国家不可能大规模部署GNSS监测设备[7]。因此，为节约成本，基于不同类型的传感器和物联网技术组合成的预警系统已经用于滑坡监测和预警工作中，大规模使用的边坡预警系统往往包括温度传感器、湿度传感器、位移倾斜计和无线数据传输设备等[8-9]。

当坡底具备开挖条件时，主要采用位移法对边坡变形进行监测。此时边坡破坏的时间-位移关系存在如图1所示的各个阶段：1）位移速率相对较低的蠕变阶段;2）蠕变发生时，位移速率不变的阶段;3）位移速率快速增加的阶段[10-12]。

HAYASHI等[13]從位移相位和位移速度2个方面研究了边坡破坏的过程，根据边坡破坏的试验数据和现场实测数据计算位移速率;IWATA等[14]基于试验，选取正位移加速度对第3次蠕变阶段进行分析，但降雨条件下往往导致的坡体孔隙水压力上升，而底部开挖往往引起的内部应力变化，此时蠕变理论并不适用。相关研究表明，在非饱和条件下，模型边坡土层剪切应变随体积含水量的增加或基质吸力的减小而增大，但增幅较小，之后随着孔隙水压的增大而增大。剪切应变与正孔隙压力呈双曲线关系，最大孔隙压力在土层最深处最大，而在边坡底部开挖或回填时候，内部应力也随时发生改变，且较难预测[15]。SASAHARA等[16]采用地表位移监测与土体蠕变理论（应变-时间关系）相结合的方法来预测浅层滑坡的起滑时间。结果表明，随着剪切应变或地表位移的增加，深层土体的应变增量比和位移增量比均趋于零，这意味着土层接近临界（破坏）状态。上述研究均表明了应变增量比和位移增量比可以预测边坡的失稳状态。

本研究以梅州至平远高速公路工程为背景，在室内建立大规模边坡模型并持续进行降雨模拟，采用多步开挖的方法进行挖掘，并记录过程中的土体崩塌情况，记录坡向及垂直位移，随后将两方向位移作为分量组合，进行合位移分析，并探究底部开挖对公路边坡稳定性的影响。

1研究方法

1.1研究背景

梅州至平远高速公路工程K1+215～K1+305段左侧路堑边坡从山顶经过，山坡地形稍陡，总体地势北高向南西缓倾。山坡上植被主要有松树、灌木、杂草等。挖方路基位置在山顶，山脚有小路与公路相通，交通条件相对较差，场区地貌属于剥蚀丘陵地貌。边坡长为90 m，最大坡高为23.5 m，坡脚主要集中于30°～37°。场区位于山顶位置，地势较高，地表无长年性水流，仅在雨季有短暂地表径流;地下水由上部土层孔隙潜水和深部基岩裂隙水组成，含水量较小，其补给来源主要靠大气降水的入渗，排泄基准面为山坡底部的冲沟。边坡截面图如图2所示。

1.2全尺寸边坡模型和测量装置

图3和图4分别是边坡模型试验实物图和测量装置图。模型尺寸（斜面高度×监测点长度）为350 cm×400 cm。

为达到与实际勘测的边坡尺寸相似效果，坡脚预设为30°，坡顶长度为170 cm，模型的边坡都是用黏土制作而成的，侧面应用聚乙烯板材料以降低接触面摩擦。材料参数如表1所示。

1.3试验过程及开挖结果

整个试验挖掘了8次才达到了最后的崩塌效果，详细的开挖区域以及其持续时间、破坏情况如表2所示。图5显示了模型边坡各个开挖阶段其侧面形态。边坡最终的破坏形态如图6所示。

2合位移分析

在土体滑落前，垂直方向的移动并不保持一定。研究表明，土体边坡的中部上方和左边上部的位移不断增加，其垂直方向的位移也随之不断增加。

2.1合位移与滑动面方向的关系

土体滑动面上位移和方向位移的关系如图7所示。

本研究做了一定的简化：一是简化变形形态，只考虑滑动面的剪切变形;二是假设滑动面和坡面方向的移动是相同的，那么合位移R就可以由坡面方向位移S和垂直方向位移N组合得到，位移偏角α的计算公式如下：

α=tan-1NS。（1）

垂直位移dN和剪切位移dS作为分矢量组合成合位移dR。当剪切发生时，随着dN减小，dS持续增加，土体保持不变的状态。试验结果显示，dS与dR的整体方向是一致的。由于滑动面上的位移和坡面方向位移的增加，水平方向夹角（θ+α）与合位移R逐渐形成倾斜角β，即α=β-θ。

坡面方向位移与合成位移的偏角α的关系如图8所示。

当坡面与滑面方向一致时，dR方向也与坡面方向一致，相关公式表示为α=β-θ，θ=β，α=0;而坡面与滑面方向不一致时，dR方向也与坡面方向随之发生改变。而dN在破坏发生前往往不等于0，N的增加量计算如式所示：

ΔN=ΔS×tan α。（2）

N和S的相关变化关系如图9所示。它们之间往往形成近似为α角倾斜的直线。如果破坏发生前倾角α为0，则可推测坡面与滑面方向一致且垂直位移不变。

2.2合位移偏角随时间的变化

边坡下部的合位移偏角α的时程曲线如图10所示。横坐标表示时间，纵坐标表示位移的偏角度数。可以看出，在8 800 s之前，左下方偏角α升降幅度显著，在滑坡发生前逐渐变为固定值。而在7 500 s前，dS的中部及斜面右下方处偏角α变化幅度显著，而在此之后中部下方递减、右下方递增。边坡上部合位移偏角α随时间的变化如图11所示。

从图11可以分析出，第5次挖掘中合位移偏角α在原来的基础上减小了3°左右。而合位移偏角α基本无明显升降是在22 000 s的时候，在土体滑落时，偏角α先是变小然后再是增大，最后成为固定值。

2.3坡面方向位移与合位移偏角关系

合位移偏角是随着时间不断变化的，在滑坡发生前尤为显著，坡面方向位移亦随之大幅度增加。从图12中可以看出土体边坡坍塌前的整个过程。图12 a）阐述了偏角α和下方位移的关系。当其左下坡向的位移约为9.80 mm时，倾角随之折减;而当坡向位移超过14.5 mm时，后者趋于0。对于中央下方的研究结果显示，当其至坡向位移约为3.5 mm时，倾角呈现出先升后降的趋势。对斜面右下方的研究结果显示，偏角持续下降至位移约6.8 mm处时才出现平稳阶段，随后偏角持续上升直到坡面位移约15 mm处。而图12 b）表明了偏角α和上部坡面方向位移的关系，结果显示在上方位移约为1.0 mm处，合位移偏角α逐渐增大，增大到78°时趋于稳定，而此时位移达到了2.6 mm。在坡面方向位移到8 mm之后，合位移偏角就会变小，到最后达到一个固定数值。

綜上分析可以得出如下结论，在土体边坡上方，偏角α是固定值，而在下方其偏角的大小会随着坡面位移的变化而变化，没有具体的变化函数。在整个试验过程中，土体边坡挖掘较为复杂且不稳定，边坡下方在第5次挖掘时失稳滑落，这导致合成偏角α的不固定升降。而在第8次挖掘土体边坡上方时，整个坡面受蠕变而发生滑落。这是因为土体边坡上方的位置较为稳定，内部应力变化较慢，所以挖掘时间较长，次数较多，合成偏角α在土体坍塌前是趋于稳定的。

2.4合位移和滑动面的倾角

从对图12 a）的分析得出，坡面左下方的倾角是18°，中部下方的倾角是15°，当坡面倾角θ=30°时，滑动面倾角β为45°～60°。第1—3次开挖时，其倾角在60°左右，与计算所得一致。第5次挖掘后，土体断面几乎与坡面平行，滑动面的倾角小于60°，研究分析其原因是土体崩塌后，不断堆积造成的。

而在上部区域，滑坡发生前合位移的倾角α约为80°，而中部上方是5°，右上方是2°。将右上方与中部上方进行组合分析可知，合位移与坡向一致，其原因是滑动面的形状突兀，左上方计算倾角为108°。

3结语

本研究以梅州至平远高速公路工程中的边坡施工为背景，通过对全尺寸模型边坡多段式开挖，多点坡面方向位移以及垂直方向位移的测定分析对边坡稳定性进行了讨论，研究结论如下。

1）通过对合位移与坡面方向夹角即合位移偏角的分析可知，随着开挖时间的增加，边坡下部区域因为更易受开挖影响，位移角波动显著，但未发现相关变化规律;边坡上部区域整体稳定，内部应力变化慢，滑落往往由内部蠕变造成，因此上部合位移偏角值较为稳定。

2）边坡下部计算得到的滑动面倾角约为30°～60°，与试验中开挖面倾角相同，而受土体堆积作用，后期土体断面几乎与坡面平行。边坡上部合位移方向与坡面方向几乎一致，滑动面与坡面倾角相同。因此，研究发现可采用理论计算及试验监测相结合的办法评估不同阶段的滑坡位移方向。

研究得到了滑坡发生前合位移的偏转角及滑坡断面方向变化规律，相关结果可作为预测边坡稳定性的重要指标。但是因为试验次数较少且监测范围有限，关于诸如下部偏转角的变化规律未能给出一定的量化分析，后期研究会增加试验数量，扩大监测范围，详细分析不同降雨强度、坡脚、压实度等条件下位移演化规律，为公路边坡稳定性研究提供经验支持。

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