散粒体斜坡稳定性相关因素试验研究

魏丽娜，李 川，3，傅荣华

（1.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都610059；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059；3.广西建工集团基础建设公司，广西南宁530000）

散粒体斜坡稳定性相关因素试验研究

魏丽娜1，2，李 川1，2，3，傅荣华1，2

（1.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都610059；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059；3.广西建工集团基础建设公司，广西南宁530000）

松散颗粒堆积斜坡的稳定性一直是边坡研究的一个难题且少有涉足，此种灾害形式在我国西部山区较为常见。以散粒体斜坡的稳定性受控于何种因素作为研究出发点，以休止角为衡量标准，对散粒体斜坡失稳进行试验研究。试验结果表明：颗粒类圆程度越高其堆积休止角越小；休止角随颗粒的增大有增大的趋势；粗颗粒的含量增大稳定性呈现先增后减的现象；颗粒级配的改良对坡体稳定性起到促进作用。对滑动面的角度研究显示：滑面角度为最大休止角减去2.5°左右，并做了适当的修正处理。成果对散粒体斜坡稳定性的研究以及此类溜砂灾害的治理有一定的参考意义。

散粒体斜坡；稳定性；休止角；相关因素；试验研究

散粒体斜坡是一种发育于山区道路沿线的特殊坡面地质灾害［1］，强烈的风化作用使得处于陡峭基岩坡表面的部位破碎成碎屑状颗粒，经重力及各种动荷载作用，颗粒脱离母岩产生溜滑，日积月累之后富集于坡脚形成持续增长型的锥状斜坡［2－4］。散体结构是其典型特征，坡体细颗粒含量很少，粘聚力近乎不存在，完全靠颗粒间的摩擦和啮合自稳［5－6］。散粒体斜坡属于典型的广延空间自由度的耗散动力学系统，具备自组织临界性［7－9］，即某点失稳存在很大概率引起周边其他区域，甚至雪崩式的崩坍。其一次性破坏程度虽不如崩滑流灾害的危害大，但散体坡缓慢、不断积累的累进性破坏，长期作用，危害性也不亚于其他地质灾害，在强温差高海拔山区就更为严重。图1为散体坡碎块石滚落，对沿线公路挡墙的摧毁及对沿线公路冲击造成的路面破坏。

图1 散粒体斜坡溜砂破坏

目前散粒体斜坡稳定性的研究还处于探索阶段，本文通过室内物理模拟试验的方式，分析了散体坡的形成演变过程及影响其稳定性的相关因素，进而对散粒体斜坡失稳的滑动角度进行试验探索。

1 散粒体斜坡堆积小型试验研究

1.1 试验目的

人工堆积还原散粒体斜坡的形成过程是目前最为典型也是最为稳妥的做法，我们延续了此种思路并做了一定的创新，首次对堆积纵剖面进行实测，更加直观的还原颗粒堆积的特点，还原现象并作进一步的分析，所用材料为变质砂岩2mm～5mm粒径。

颗粒磨圆度与流动性成正比，但磨圆度对于流动性的具体响应鲜有文章涉及，本次试验分别采用5 mm的变质砂岩及玻璃球，针对性的试验其不同磨圆度下堆积的差异性。

颗粒大小对于散粒体斜坡稳定性的影响已有相关的研究证明，本文结合颗粒大小与颗粒粗细混杂比例不同的材料探讨其对于此种散体堆积成坡的影响。

选用三个粒组的材料试验颗粒大小差异情况堆积特性；5 mm大小的颗粒在工程被认为是粗细颗粒的分界点，试验选用2 mm～5 mm颗粒代表细粒，以10mm～20mm颗粒代表粗粒，通过两种材料不同的拌合比例进行试验研究，探索其在坡体稳定性分析中发挥何种作用。

级配是分析颗粒材料所不可缺少的部分，颗粒堆积体因其组成材料的特点，很多特性的出现跟级配的关系比较紧密，因此试验选择 Cu分别为2.5、3.4、7.0三组按级配渐至良好的趋势进行试验。

挡墙是目前治理此类边坡危害的常用措施，对于弱活动的散体坡的确可以起到防治作用，其工程经济性良好，但是也仅限于此。对于中、强活动的坡体就失去其作用，往往伴随着颗粒的越顶堆积而失效。王成华认为边坡天然休止角即为挡墙破坏后墙后坡体的失稳滑动面［10］，提出假设的同时并未进行相应的试验验证。本次试验针对挡墙失稳后滑动面的角度问题，人为设置挡墙（用木板模拟），在坡体堆积至其极限后，抽出挡墙，观测坡体坍滑后的坡面情况，并做实时记录，材料选用2mm～5mm的变质砂岩。

1.2 试验模型设计

试验模型架如图2所示，为了便于试验的操作，模型底部采用拼接，每隔5 cm一块，模型架上部放置绘有刻度线的玻璃，上下刻度线一一对应以便于测量。

图2 模型架尺寸（mm）

1.3 模拟堆积过程试验

试验设计：采用2 mm～5 mm颗粒沿着模型中轴线下落，起始高度均以斜距计量，试验依次采用斜距30 cm以及斜距50 cm。试验过程如图3所示，颗粒均匀下落后在坡脚堆积形成锥状坡，斜距每上升至设计高度后用激光测距仪量测顶面至坡体中轴线的距离，对数据进行处理后，即可绘制出坡体纵剖面线，如图4～图9所示，图形之间的对比可直观的再现堆积过程的坡面起伏情况。

图3 现场试验照片

图4 高度差5 cm纵剖面线

图5 高度差10 cm纵剖面线

图6 高度50 cm下料所绘剖面线（粗线）与原剖面线（细线）比较

图7 高度50 cm下料纵剖面线

图8 落料高度50 cm所绘成坡综合曲线

图9 坡面突出部位放大图

图4、图5均为高度30 cm处下料测得的纵剖面，从图中可以看出，无论是高度间隔5 cm还是10 cm，均表现出一种现象：顶部堆积所占比重最大，即颗粒堆积过程中，当颗粒运动至散体坡上时，摩擦耗能瞬间加大，速度锐减直至停歇，颗粒的运动距离相对较短，此种现象在试验中表现的尤为明显。随着堆积的继续，坡体休止角随之增大，但这种增大的趋势并非一味的持续，而是当到达一定程度后，休止角度无法进一步增大。试验结果显示：2mm～5mm颗粒所能形成的最大角度为38°，在这个角度附近，坡体表现的及其敏感，稍有扰动就有可能出现或大或小的坍滑现象。

在高度30 cm处下料并未引起较大规模的坍滑，继而在高度50 cm处继续下料冲击坡体，在其重新堆积至设计高度后，我们做了一个横向的对比，如图6所示：落料冲击扰动造成顶部颗粒向坡体中下部移动，中部的厚度有了较为明显的增大，坡体高度回落至25 cm处，少量的颗粒运动至坡脚停歇，增加了坡体的外延。继续堆积至30 cm处所显示的依然是颗粒坡顶聚集现象（如图7所示）。持续下料直至颗粒堆积至50 cm处，期间每次到达设计高度做一次测量，所示纵剖面如图8所示，在高度增加引起休止角增大的总趋势下，坡体临近最大休止角所表现出的不稳定性开始显现，坡体中部捕捉到明显的突起，具体见图9。此种突起部位是散粒体斜坡最为敏感的部位，即使不施加扰动，亦有可能引起坍滑的发生，多次试验均发现此现象。

1.4 颗粒磨圆度影响

表1 试验材料浑圆度统计

试验过程为：在高度30 cm处下料，每次100 g至高度30 cm处，量测堆积角度，每组试验不少于30次，表1所示为试验采集的数据，图10为材料照片，图11为堆积休止角之间的比较，图12为试验测得的休止角与浑圆度之间的对应关系。

图10 材料照片

图11 实验数据统计

图12 浑圆度与休止角对应关系

试验所用三组样品采集到的数据计算平均值后1、2、3组休止角分别为37.9°、36.3°、28.2°。图12直观的反应了浑圆度对于坡体堆积稳定性的影响，在类圆程度最高的3号玻璃球组比1号的变质砂岩组平均休止角小了近10度，当然玻璃球表面的光滑度对试验结果存在一定的影响，但并不颠覆磨圆度与堆积休止角的反比关系，2、3组的试验结果即表明了此点，在磨圆度差异不大的情况下，磨圆度稍大的1组所测得的休止角较2组为大。

1.5 颗粒大小对散粒体斜坡稳定性的影响

试验过程同1.3节，材料为2 mm～5 mm、5 mm～10mm、10 mm～20 mm变质砂岩，图13为三个粒组颗粒所堆积的坡度，图14为颗粒大小对休止角的影响。

试验结果为2mm～5mm、5mm～10 mm、10 mm～20 mm三组材料所得休止角度平均值依次为37.69°、38.95°、40.28°（见图13～图14）。伴随颗粒的增大，休止角度稳步提升，说明颗粒的大小于堆积的休止角成正比关系，究其原因在于颗粒的增大使得粒间咬合能力增强，抵御颗粒运动的能力有了一定的提高，堆积所成坡角渐进式增强。换言之，处于同角度的坡体，颗粒小的散粒体斜坡其抗失稳能力要较之颗粒大的散粒体斜坡为小，即所能抵御的失稳强度较小。

图13 不同粒组的堆积角度差异

图14 不同粒组颗粒对休止角的影响

1.6 粗细颗粒混杂程度对散粒体斜坡稳定性的影响

试验材料为10 mm～20 mm变质砂岩代表粗粒，2mm～5mm粒径代表细粒，具体配比见表2，试验步骤同上节。

表2 细颗粒与粗颗粒配比方案

图15为各组试验结果，1＃、2＃、4＃三组试验表现的规律较为明显，3＃试验数据大幅突变，结合图16，可以发现粗颗粒的含量增加后，休止角度增大，但是这种增大并不是无限发展下去的，当粗颗粒含量达到60%以后休止角出现衰减，此点说明粗颗粒在其含量占60%附近时，颗粒间咬合能力达到最强值，细颗粒的充填效应在此时发挥最好，系统在粗细颗粒的共同作用下稳定性最好。

图15 实验数据统计

图16 粗粒所占比重与休止角的对应关系

1.7 颗粒不均匀程度对散粒体斜坡稳定性的影响

试验配比见表3、图17。试验操作：下料堆积成38°临界砂坡，坡底距离外延15 cm，在高度80 cm处贴着坡面木板下放重量为120 g石块，石块冲击坡体后势必造成坍滑，收集滑塌砂砾并称重，实测值见图18（a）～18（d）及图19。

图17 材料级配曲线

表3 试验材料配比

图18 坍滑序列

图19 平均坍滑量与Cu对应关系

图18可直观的看到各组试验最大坍滑量的大致区间，1＃均匀料的最大坍滑量较其余三组试验大，结合图19，从不均匀系数的角度来考量，结果显示不均匀系数增大后平均坍滑量明显减小，这就证明了级配对于坡体稳定性起到促进的作用。

1.8 散粒体斜坡失稳滑动角度研究

材料选用2 mm～5 mm的变质砂岩，模拟堆积30°、33°、36°以及38°的砂坡，利用3 cm木板卡在坡脚模拟挡墙，堆积至挡板顶部后停止下料，待坡体稳定一段时间未见滑塌的情况下移除挡板，用以演示挡墙失稳所造成的坡体坍滑，观测现象的同时并记录坍滑后坡面角度，试验次数不少于12次／组，数据如图20～图22所示。

图20 不同起始角度下的坍滑统计

图21 坍滑后稳定角度对比

图22 坍滑面控制长度对比

图20为试验详细数据，起始堆积角度为30°时，移除挡板后所形成的坡面残余角度数据最大，其它3组在图上的表现则特别明显，因此我们对数据进行平均化处理后，见图21、图22。坍滑后的残余角度显示起始坡面角度越小，其数值反而越大。虽然起始角度增大后这种趋势变得平缓，但总的规律依然如此。从另一个侧面反映了散体斜坡对于角度的敏感性，在远小于最大休止角的情况下，系统的稳定性较为可观。野外散粒体斜坡坡度统计显示：处于30°以下的散粒体斜坡均为弱活动砂坡，坡体稳定性良好。

另外坍滑面的长度也表现出随起始角度增大而增大的趋势，坍滑长度越短说明此种起始角度的原坡体在挡墙未失稳时其稳定性愈好。

通过对试验数据的统计整理分析，以往认为坍滑角度为最大休止角的结论较为保守，在此建议计算坍滑面的角度经验公式改为：α＝θmax－2.5（±0.5）（α为坍滑面角度，θmax为最大休止角，±0.5为其修正值）。

坡脚的稳定对于边坡而言至关重要，对于“脆弱”的散粒体斜坡坡脚的地位更是如此［12－15］。人类工程活动所造成的不合理的坡脚开挖往往会酿成惨痛的结果，所以对于边坡的处理务必做好预防和监控［16］。

2 结 论

本文采用试验的方法针对散粒体斜坡的形成过程做了一定研究，探索了材料的磨圆度、大小以及粗细混杂情况对于坡体稳定的影响，最后对挡墙损毁后潜在的滑塌角度进行反复的试验，所得结论如下：

（1）散粒体斜坡形成过程中，颗粒堆积于坡体上部的趋势最为明显，随着颗粒补给中上部产生坍滑，其临界态受控于堆积休止角，当堆积至其最大休止角时，系统表现出一种不稳定的特性（即自组织特性）使得坡体随堆积的不间断而持续扩张。

（2）颗粒越接近圆形，由此堆积的散体坡的堆积角愈小；颗粒较小的情况下，成坡角度较小，反之则大；粗细不同比例混杂后，堆积最大角度表现出先增大，至粗颗粒的含量至60%处出现峰值，继而衰减，后续衰减幅度较前期小；扰动强度一致的情况下，级配良好的材料表现出较为突出的优越性，其坍滑量和坍滑次数均小于级配不良的的材料。

（3）在模拟挡墙失稳试验的基础上，分析坍滑角度的范围，提出坡体滑面角度为最大休止角减去2.5°，并做了适当的修正。

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Experimental Research on Related Factors for Stability of Granular M ixture Slope

WEILi-na1，2，LIChuan1，2，3，FU Rong-hua1，2
（1.College of Environmental and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu，Sichuan 610059，China；2.State Key Laboratory of Geological Hazard Prevention and Geological Environment Protection，Chengdu，Sichuan 610059，China；3.Foundation Construction Co.，Ltd.of Guangxi Construction Engineering Group，Nanning，Guangxi 530000，China）

The stability of loose granular pile slope has been a difficult problem and less involved in slope research，and this kind of disaster is common in thewesternmountains of China.Here，takingwhat factors are the control ones for the granularmixture slope as the starting point in the research and taking the repose angle as themeasuring standard，the instability of the granular slope is tested and studied.The test results show that the repose angle is smallerwhen the particle grinding degree is higher；the repose angle has a increasing trend along with the increase of particle；as the content of coarse particle is increased，the stability is increased first and then decreased；themodified grain composition has promoting effect on the stability of slope.The study of the sliding surface angle shows that the sliding surface angle is about themaximum repose angleminus 2.5°，and the appropriate correction ismade.This results has a certain reference significance on the granular slope stability studies and the disastermanagement as such sliding sand.

granular m ixture slope；stability；repose angle；relevant factor；experimental investigation

TU457

A

1672—1144（2014）01—0055—07

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.012

2013-07-01

2013-09-01

国家自然科学基金资助项目（41072228）

魏丽娜（1986—），女，新疆乌鲁木齐人，硕士研究生，研究方向为地质灾害评价与预测。