浅议结构性黄土边坡渐进性破坏研究现状与不足

浅议结构性黄土边坡渐进性破坏研究现状与不足

摘要: 结构性黄土边坡渐进性破坏是工程中经常遇到的自然灾害之一，结合已有

文献对边坡渐进性破坏的研究现状，总结目前结构性黄土边坡渐进性破坏分析方

法的不足和拟研究的方向，以期能指导工程研究和进一步应用。

Abstract: The progressive failure of the structural loess slope is one of the common geological hazards. Based on the present situationof the study on the slope progressive failure, the shortage of the study on the progressive failure of the structural loess slope and the researchtendencies are pointed out in order to guide the engineering research and further application.关键词院结构性黄土；边坡渐进性破坏；现状Key words: structural loess；slope progressive failure；present situation中图分

类号院P642 文献标识码院A 文章编号院1006-4311（2014）27-0319-02

0 引言在西北黄土高原地区经常可以看到如图1 所示的高耸陡峭的黄土边坡，有的高达数几十米甚至更多，黄土的结构性成为这些黄土边坡可以直立并且保持

长期稳定的重要原因。由于黄土边坡在其漫长的形成过程中，经常受到河谷冲沟

侵蚀和切割，因此黄土边坡的临空条件远比其它边坡明显。这些黄土边坡一旦失

稳就会造成严重的自然灾害。

据不完全统计，陕西省已发生的黄土滑坡约1131 处，兰州地区约1300 处，甘肃省东部

约4576 处[1-2] 。黄土滑坡灾害的频发，已经造成了严重的人员伤亡和经济损失。图2 为

2005 年5 月9 日发生在山西吉县的特大山体滑坡，650 万立方米黄土瞬间从陡峭的边坡上滑落，将依山而建的数排窑洞11 户农家约24 人埋在数10 米厚的黄土下；图3 为2010 年3 月

10 日发生在陕西榆林市子洲县山体滑坡，造成44 人掩埋，27 人遇难。由此可见，保证边坡

稳定、防止边坡失稳是必须考虑的重大问题。

天然结构性土边坡由于边坡土体本身的的应力、应变分布不均匀，在外部因素作用下，

潜在滑动面的某些区域应变超过一定的值或者剪力超过其抗剪强度，率先进入软化阶段，因此，出现局部破坏后在发生应力释放、转移以及重分布，但是受到影响最大的区域是破坏区

域的临近邻近滑体。在该邻域可能是由于原先没有超过强度转变为超过强度值即峰值而发生

破坏，从而释放应力后将多余的荷载即残余值转加到其他区域后再度对应力进行调整，这样

破坏面在应力不断释放、转移和调整的过程中不断扩大和延伸，最后如果稳定性的安全系数

小于1 则会导致破坏面完全贯通，位于滑床的滑体会做加速运动从而发生滑坡。因此，边坡

失稳必然会经历一个从局部破坏开始然后逐点扩展，最终产生大规模破坏的渐进过程。这种

渐进性破坏同样具有很大的杀伤性和难以预见性，因此研究结构性黄土渐进性破坏有非常重

大的实际意义。

1 边坡渐进性破坏的研究现状早在20 世纪30 年代，Terzaghi 在边坡工程的研究中发现土

体的应变软化特性在宏观上表现为边坡渐进累积破坏，随着应变增加，土体抗剪强度从峰值

强度降低为残余强度是边坡渐进累积破坏的内因所在；边坡渐进破坏的概念是Skempton 在

20 世纪60 年研究超固结粘土边坡稳定性时首次提出的，他认为，在整个滑裂面上，土体的

强度不是同时发挥作用的，而是当土中某一点的剪应力超过土的强度时才会发生剪切破坏。

渐进破坏面随着这种剪切破坏的逐渐传递而逐渐扩大，当滑动推力上升到超过滑裂面的抗剪

强度时，坡体便会发生整体滑动，因此，土体随着时间缓慢变形以及突发性崩塌的过程即为

滑坡。

Bjerrum 和Bishop 在此基础上对集中在长期荷载作用下强度丧失机理和稳定性分析中强

度指标的取值问题进行了相关研究；沈珠江认为，硬粘土强度的逐渐丧失会直接影响土体的

渐进变形破坏[3]。经过几十年的研究，对土体渐进变形破坏现象从定性描述逐步到定量研究，这些定量研究土体渐进破坏的方法包括极限平衡法、普通有限元法、强度折减有限元法等。

Law、Srbulov 和Chugh 等人对通常滑弧法进行了修改，由于常规的总体安全系数被局部

安全系数所取代从而能够对土体的渐进破坏过程进行进行的考虑。Lo 和Lee在分析土坡的渐

进破坏时曾经考虑采用有限元法；Potts等在对Carsingto 坝的渐进破坏过程进行分析的时候

采用了有限元法。唐芬[4]利用折减有限元法在考虑强度参数不同折减的情况下对渐进性破坏

过程进行了研究；王庚荪[5]在对边坡稳定性受到边坡渐进破坏过程的影响时提出了接触单元

模型，此模型不仅能够模拟滑面的接触摩擦状态和边坡的渐进破坏过程，同时还能够对其稳

定性进行分析。

此外，人们在对自重作用下天然土坡的滑移变形进行分析的时候，还采用了如Newton-Norton 以及Bingham-Norton 等一些非线性流模型。为了克服非线性流变模型只能考虑简单边值问题的局限性，Desai 等提出了一个用有厚度界面单元来代替滑移剪切层的弹粘塑性界面模型，并通过利用与现场观测到的滑移剪切层厚度相对照来调整界单元的厚度的方法来模拟现

场边坡的滑移变形。刘忠玉[6]等考虑到土体的流变效应，提出了具有应变软化性质的土质边

坡渐进破坏的一个力学模型，用时间安全系数来描述边坡的稳定状态，通过数值模拟清晰地

揭示了边坡渐进破坏的历时演化过程，并证实了边坡的安全系数随时间推移而逐渐变小的规律。

黄茂松[7]针对土坡的应变局部化和渐进破坏分析关键问题从试验的角度到的峰后应力应

变关系实际上并不是土体本身的一种真实本构反应为此提出了一种描述含剪切带土体宏观力

学特性的改进后的复合体理论（或均匀化理论）；周成[8]在一个结构性土的各向异性粘弹塑

性模型的基础上，通过分析速度场与粘塑性应变率场的对应关系，建议了一个考虑天然土体

结构破损及吸力影响的渐进变形解析模型，并用来分析天然裂隙土体的渐进变形破坏过程。

2 边坡渐进性破坏的研究不足2.1 强度准则缺陷讨论从已有文献的分析，目前判断不同粘性土边坡土体破坏通常都是利用摩尔库仑准则，但对于结构性黄土而言，一般颗粒间固化连

接较强，粘聚力通常很大，有的粘聚力甚至可达130kPa。而在有拉应力存在的条件下，摩尔

库仑准则就不能很好的判断结构性土边坡土体的强度破坏状态，表现为如果用传统摩尔库仑

准则的延伸段来考虑抗拉强度过于冒进，而忽略结构性土的抗拉强度又过于保守，因此抗拉

强度必须得到很好的考虑。换句话说，在结构性土边坡的渐进性破坏分析中，抗拉强度和抗

剪强度同等重要，所以探索更符合实际的综合考虑抗拉、抗剪的强度准则是一个非常必要的

问题。

2.2 分析方法缺点讨论淤极限平衡法。极限平衡法简单易行，但由于不考虑土体的变形机制，而且计算前需要假定潜在滑裂面的位置，因此计算所得安全系数误差较大。与边坡土体

的实际破坏状况并不相符。

于普通有限元法。虽然采用普通有限元法能够对岩土边坡中的应变分布进行比较准确的

分析以及按照强度准则计算出安全系数，但其应力应变一般都是按照未被破坏的边界条件计

算出来的。我们知道，任何超过抗剪或抗拉强度的应力状态都是不稳定的，一旦发生局部破坏，边坡稳定性安全系数会随着应力重新调整而发生改变。虽然在弹塑性有限元分析中考虑

了超过强度后的应力释放问题，但是将边坡中的破坏认为是一个大的塑性区也不符合同边坡

破坏的实际状况。

盂强度折减有限元法。强度折减有限元法除了具有普通有限元法的一切优点外，不需要

假定潜在滑动面的位置就可以得出边坡的极限状态，但缺点是在强度折减有限元法中，粘聚

力和内摩擦角采用同一折减系数进行同步折减。而实际上在边坡发生滑动时，滑动土体的粘

聚力与内摩擦角会发挥各自的作用，而且各自发挥程度及其衰减速度与程度时不同的，另外

在采用强度折减有限元法时极限状态的判别并不统一，尽管强度折减有限元法具有这样的缺陷，但由于它巨大的优势，还是在目前的边坡稳定性分析中得到的较为广泛的应用。

榆剪切滑移的模拟。边坡渐进破坏剪切滑裂面的数值模拟大多通过设置接触面单元，但

接触面单元的位置和参数的选取并没有切实可靠的依据，往往凭主观估计，计算结果的真实

性很成问题。因此在模拟渐进破坏过程时，必须妥善解决滑面上接触应力和相对位移等力学

行为的描述问题。

3 结语结构性黄土的粘聚力通常都比较大，因而结构性黄土的抗拉和抗剪强度都比较大，在湿度较小、重度较大时，土的峰值强度特别高，但在结构性逐步弱化过程中，表现出较强

的软化特征，并且峰值强度也比较显著，过去由于土工建筑物的承拉能力较低而忽视其抗拉

性质的做法已不符合时宜，无论是实际岩土工程需要还是完善黄土科学体系，结构性黄土的