巖層厚度對順層巖質邊坡失穩分析

劉文波

摘 要：巖層厚度對于順層巖質邊坡穩定性的影響方面的研究有助于了解邊坡失穩原因，在山區工程建設過程中是非常有必要的。巖層邊坡研究主要遵循“地質勘察-理論研究-數值模擬”主要的技術路線，在合理劃分順層巖質邊坡類型基礎上，需要分析其穩定性。層狀巖質邊坡穩定性與地層性質、巖體本身特性以及地下水的分布有著直接的關系。本文主要對厚層以及薄層順層巖質邊坡穩定性進行了分析，并建立一些數學研究模型，希望對同行的工作有所借鑒意義。

關鍵詞：分析；改善；措施

1 薄層巖體順層巖質邊坡穩定性分析

上世紀80年代后期，對于薄層巖體順層巖質邊坡穩定性研究已經比較深入，國外著名地質學專家Caverse、Hoke以及Boobers三人的彈性理論得到地質界的廣泛認同，我國科學家孫廣忠、李樹森、劉均衡等地質學術前輩在彈性理論基礎上，探索出了基于彈性理論的壓桿穩定性理論，本理論對順層邊坡滑移變動問題進行了非常深入的數學分析，總結出了一套完善的理論計算公式，在工程實踐中并結合了一些具體事例進行了充分驗證。下面根據三位前輩研究成果，利用數學公式對彈性壓桿穩定理論進行進一步闡述說明，在此基礎上對順層巖質邊坡的潰屈破壞的穩定性進行全方位的介紹分析。

地質研究中會把薄層組成的層狀巖體結構形式命名為板裂結構，板裂結構相對坡長一般比較小，其巖層走向與邊坡走向基本一致，鑒于薄層巖質邊坡巖層變形不大，數學分析可以采用小變形理論分析受力并求解；針對于那些坡面較寬的巖層，可以利用巖層的彎曲變形來作為平面應變問題加以分析。針對于結構面以及巖體的考慮同于潰屈破壞時的力學模型，可以認為巖體以及各個結構面之間的力學參數是一致的。

1.1 板裂結構巖體地質力學結構模型的建立

板裂結構巖體地質力學結構模型是在地質模型以及力學數學作用機制的基礎上發展起來的，其變形與破壞一般可以分為順層傾斜邊坡潰屈破壞、直立邊坡潰屈破壞、反傾向邊坡傾倒變形三種地質力學結構模型。下面主要以順層傾斜邊坡潰屈破壞模型進行簡單分析。

根據前輩孫廣忠的彈性巖石結構力學受力分析，進行實例簡單說明。某山坡位于長江下游，此山高度達到1890m，研究段坡腳高度標高為1020m。本坡段內夾一層泥灰巖夾層，經過層間錯動已經演化成軟弱夾層。Φi為17度，ci為0.4MPa。巖層段較為稀疏，E為50×103MPa，容重γ為2.7×104N/m3。軟弱夾層上部燈影灰巖厚度為10m。巖層與山坡之間有一定的夾角，夾角大小為40度。經過地質勘察分析指導此邊坡主要由燈影灰巖組成，結構形式為順層薄層邊坡，不會產生較大的滑動為一穩定破段。

1.2 本坡段的滑動深度分析

根據受力模型分析，假設此坡段滑動深度為h，單寬下滑力為s，那么可以根據彈性力學模型定式為：

S=l0（γhsinα-γhcosαtanΦi）。Φi為17度，ci為0.4MPa。巖層段較為稀疏，E為50×103MPa，容重γ為2.7×104N/m3。軟弱夾層上部燈影灰巖厚度為10m。巖層與山坡之間有一定的夾角，夾角大小為40度，可以算出s=（0.11h-0.4）l0。

由上式可以知道，當h大于0.4/0.11時就會產生一定的深滑動，但是實際工程中，軟弱的夾層上面覆巖層厚度h為10m。所以，上覆巖層完全可以沿著軟弱夾層的方向進行滑動，不利于結構的穩定性。

1.3 本邊坡穩定性深層次分析

根據上述數據可以知道本邊坡實際長度是1462m，邊坡的極限長度為1237m，穩定性系數K=1237/1462=0.85<1

從上面運算數據就可以知道，本邊坡有沿著順層邊坡滑動的趨勢，有可能會發生潰屈破壞。如若在本區段有工程建設，需要額外注意，加強安全風險評判工作，避免造成不必要的損傷。

2 厚層巖體順層巖質邊坡穩定性分析

根據相關數據統計，巖體厚層邊坡一般情況下是比較穩定的，但是在巖層的中間層地帶受剪切力影響比較大，可出現一些巖層間錯動現象，構成邊坡滑動帶，但是這樣的情況比較少。另外，較為常見的邊坡破壞形式是局部巖塊崩滑以及松弛，崩滑與結構面的組合情況有關。軟硬相間的地層組合是形成崩滑的主要地層組合特征，堅硬的巖層是形成崩滑的主要巖性特征，陡峻的斜坡地形是危巖形成并造成崩滑、墜落的必要條件。大量存在的巖體結構面是崩塌的主要地質結構特征，另外，重力以及地質水都會造成崩塌現實。下面根據厚層順層巖質邊坡的特性以及影響因素分析崩塌破壞的機理，在建立相應分析模型的基礎上，運用極限平衡的數學研究方法解開崩塌之謎。

2.1 厚層巖質邊坡的特性分析

根據相關數據記載，厚層巖質邊坡破壞主要發生于坡度介于50度至90度之間的邊坡，在峽谷陡峭位置發生幾率最大。當線路走向與區域構造線相互平行時，在構造線交集位置更容易發生崩塌現象。在斷裂或者不整合接觸地帶附近，地下水不多的位置也容易發生崩塌現象。堅硬巖層陡壁下，伏有風化破碎的軟質巖層，且標高位于洪水變化幅度范圍內，也是崩塌現象頻繁出現地帶。人為邊坡開挖加大了邊坡角度，同時也增加了坡高，這樣做的直接結果就是改變了原坡度的力學受力平衡，使邊坡特別是坡緣部分下部支撐力有所減小，破體上部卸荷力有所增大，使坡度受力重新進行了分布。暴雨和地震力是誘使厚層坡度產生崩塌主要外因，另外，風化作用、根劈作用、開山放炮、施工操作不合規范都會加劇邊坡崩塌。

2.2 厚層巖質邊坡崩塌的破壞機理以及破壞過程分析

崩塌又可以細分成幾種具體形式，傾倒、滑移、鼓脹、拉裂、錯斷。發生傾倒崩塌時，崩塌體失穩破壞，以坡腳的某一點為轉點，發生逐次的傾倒，重力作用以及地震水平作用力都會產生這樣的傾倒崩塌；在某些比較陡峭的邊坡，不穩定的巖體下部有向坡下傾斜的光滑結構面或者軟弱面。開始的滑移決定著崩塌是否會發生，當重心滑出陡坡范圍，崩塌就會輕而易舉的發生。過量的水滲入也會產生這樣的滑移崩塌；當邊坡下有軟弱下臥層時，很容易出現鼓脹現象。不穩定巖體與穩定巖體分離時，較厚下部巖體就會被軟化，上部巖體對下部巖體產生壓力，下部巖體被擠出變形，也會出現鼓脹現象；當巖體由不同硬度的巖層組成時，風化以及水流沖刷作用會使斷面上的懸臂梁形式突出出來，重力作用致使沒有產生變形的巖層產生裂隙，當拉應力大于巖層抗拉應力時，巖層就會發生裂縫，同時迅速向下運動，產生嚴重的拉裂現象；厚層巖體結構組成的順層巖質邊坡，結構面當是垂直裂隙發育時，崩塌體形狀為厚板狀，其外力主要受到自重產生的剪切力，此時就會出現失穩，嚴重時發生錯段式崩塌。崩塌發生之后崩塌體主要是滑移、跳躍以及滾動式運動形式。

2.3 崩塌破壞的主要形式分析

潛在的崩塌體大小以及形態主要受到長期地質構造作用、斜坡重力作用以及風化作用。軟弱結構組合容易產生崩塌，尤其在承受了上述外力作用下，更易發生地質崩塌現象。當崩塌體形成以后，會出現較長時間的結構蠕動位移，潛在的崩塌體會突變失穩，從而形成崩塌。在這個地質構造變化階段，巖體翻到、跳躍、滾動、墜落、互相撞擊時有發生，地質巖層經過運動后堆積了在坡腳位置。經過相關資料記載，較嚴重的突然崩塌會激起數量巨大的碎石，速度迅速、能力巨大以及破壞力驚人是它的主要破壞特征。

2.4 崩塌體運動規律分析

崩塌體落實運動形式是變化多樣的，影響因素也是比較多，其落石計算形式一般是單一的，并且取一近似值。落實軌跡會遇到凸崖阻擋時發生變化。崩塌落實運行速度與掉落高度、碎石體積以及重量有著直接的關系，另外，還與山坡的坡度以及植被覆蓋情況也有著一定干系。地質巖層破壞石塊運行速度可以根據不同的山坡類型進行計算分析。折線形山坡崩塌碎石下落速度可以用下式表達出來：

V=μ=ε

μ=，ε=μ

上面式子中的H為崩塌厚度石塊向下墜落的高度，以m計算；g為重力加速度，以m/s2計算；K為石塊運動過程中受到外部影響造成的阻力系數。阻力系數又下表選取。

順序 山坡坡度較大小 K計算公式匯總

1 0度至30度 K=0.41+0.0031

2 30度至60度 K=0.51-0.0047+0.0017α2

3 60度至90度 K=1.01-0.0123+0.000021α2

落石運動軌跡一般是滾落外加跳躍的形式，軌跡確定有助于攔截建筑物的地點設置。針對于落實騰躍分析，主要分析石塊運行軌跡以及坡面的偏離程度，進而確定阻擋建筑物的外形以及攔截位置。

本文分了薄層以及厚層巖層對邊坡穩定性的影響，并在此基礎上分析了落實運動形式。各種因素對于邊坡穩定性都有著一定的影響，板厚一致時，邊坡穩定性坡長與坡角會有著一定的變化關系，角度變大，潰屈破壞最小長度也會相應的有所減小。巖層彈性模量也會影響巖層邊坡的穩定性，在文章中已經做出了一些介紹分析，在此就不再贅述。相信隨著對巖層邊坡穩定性研究的進一步深入，山體坡腳工程建設的安全性將會有所改善。

參考文獻

[1] 李安洪，周德培，馮君.順層巖質路塹邊坡破壞模式及設計對策[J].巖石力學與工程學報，2004，07.

[2] 龔文惠，王平，陳峰.順層巖質路塹邊坡穩定性的敏感性因素分析[J].巖土力學，2003，07.

[3] 李海波，肖克強，劉亞群.地震荷載作用下順層巖質邊坡安全系數分析[J].巖石力學與工程學報，2010，03.

[4] 賈存興.層狀巖土質混合高邊坡施工期破壞機制與穩定性研究[J].中外公路，2007，07.

[5] 滕光亮，陳永明，石玉成，孫崇紹，盧育霞，強正陽.地震作用下節理巖質邊坡穩定性影響因素研究[J].企業技術開發，2010，03.

[6] 曾中林，劉貴應.順層滑移型邊坡參數敏感性分析[J].西部探礦工程，2011，03.

[7] 李全，金培杰，張紅利.云南元武高速公路滑坡穩定性分析[J].鐵道建筑，2011，07.

[8] 王樹威，錢越，桂志敬，陳寧，賴見輝.基于實時監測技術的公路邊坡穩定性評價研究[J].交通標準化，2010，21.

[9] 鄭穎人，趙尚毅，鄧衛東.巖質邊坡破壞機制有限元數值模擬分析[J].巖石力學與工程學報，2011，07.

2.3 崩塌破壞的主要形式分析

潛在的崩塌體大小以及形態主要受到長期地質構造作用、斜坡重力作用以及風化作用。軟弱結構組合容易產生崩塌，尤其在承受了上述外力作用下，更易發生地質崩塌現象。當崩塌體形成以后，會出現較長時間的結構蠕動位移，潛在的崩塌體會突變失穩，從而形成崩塌。在這個地質構造變化階段，巖體翻到、跳躍、滾動、墜落、互相撞擊時有發生，地質巖層經過運動后堆積了在坡腳位置。經過相關資料記載，較嚴重的突然崩塌會激起數量巨大的碎石，速度迅速、能力巨大以及破壞力驚人是它的主要破壞特征。

2.4 崩塌體運動規律分析

崩塌體落實運動形式是變化多樣的，影響因素也是比較多，其落石計算形式一般是單一的，并且取一近似值。落實軌跡會遇到凸崖阻擋時發生變化。崩塌落實運行速度與掉落高度、碎石體積以及重量有著直接的關系，另外，還與山坡的坡度以及植被覆蓋情況也有著一定干系。地質巖層破壞石塊運行速度可以根據不同的山坡類型進行計算分析。折線形山坡崩塌碎石下落速度可以用下式表達出來：

V=μ=ε

μ=，ε=μ

上面式子中的H為崩塌厚度石塊向下墜落的高度，以m計算；g為重力加速度，以m/s2計算；K為石塊運動過程中受到外部影響造成的阻力系數。阻力系數又下表選取。

順序 山坡坡度較大小 K計算公式匯總

1 0度至30度 K=0.41+0.0031

2 30度至60度 K=0.51-0.0047+0.0017α2

3 60度至90度 K=1.01-0.0123+0.000021α2

落石運動軌跡一般是滾落外加跳躍的形式，軌跡確定有助于攔截建筑物的地點設置。針對于落實騰躍分析，主要分析石塊運行軌跡以及坡面的偏離程度，進而確定阻擋建筑物的外形以及攔截位置。

本文分了薄層以及厚層巖層對邊坡穩定性的影響，并在此基礎上分析了落實運動形式。各種因素對于邊坡穩定性都有著一定的影響，板厚一致時，邊坡穩定性坡長與坡角會有著一定的變化關系，角度變大，潰屈破壞最小長度也會相應的有所減小。巖層彈性模量也會影響巖層邊坡的穩定性，在文章中已經做出了一些介紹分析，在此就不再贅述。相信隨著對巖層邊坡穩定性研究的進一步深入，山體坡腳工程建設的安全性將會有所改善。

參考文獻

[1] 李安洪，周德培，馮君.順層巖質路塹邊坡破壞模式及設計對策[J].巖石力學與工程學報，2004，07.

[2] 龔文惠，王平，陳峰.順層巖質路塹邊坡穩定性的敏感性因素分析[J].巖土力學，2003，07.

[3] 李海波，肖克強，劉亞群.地震荷載作用下順層巖質邊坡安全系數分析[J].巖石力學與工程學報，2010，03.

[4] 賈存興.層狀巖土質混合高邊坡施工期破壞機制與穩定性研究[J].中外公路，2007，07.

[5] 滕光亮，陳永明，石玉成，孫崇紹，盧育霞，強正陽.地震作用下節理巖質邊坡穩定性影響因素研究[J].企業技術開發，2010，03.

[6] 曾中林，劉貴應.順層滑移型邊坡參數敏感性分析[J].西部探礦工程，2011，03.

[7] 李全，金培杰，張紅利.云南元武高速公路滑坡穩定性分析[J].鐵道建筑，2011，07.

[8] 王樹威，錢越，桂志敬，陳寧，賴見輝.基于實時監測技術的公路邊坡穩定性評價研究[J].交通標準化，2010，21.

[9] 鄭穎人，趙尚毅，鄧衛東.巖質邊坡破壞機制有限元數值模擬分析[J].巖石力學與工程學報，2011，07.

2.3 崩塌破壞的主要形式分析

潛在的崩塌體大小以及形態主要受到長期地質構造作用、斜坡重力作用以及風化作用。軟弱結構組合容易產生崩塌，尤其在承受了上述外力作用下，更易發生地質崩塌現象。當崩塌體形成以后，會出現較長時間的結構蠕動位移，潛在的崩塌體會突變失穩，從而形成崩塌。在這個地質構造變化階段，巖體翻到、跳躍、滾動、墜落、互相撞擊時有發生，地質巖層經過運動后堆積了在坡腳位置。經過相關資料記載，較嚴重的突然崩塌會激起數量巨大的碎石，速度迅速、能力巨大以及破壞力驚人是它的主要破壞特征。

2.4 崩塌體運動規律分析

崩塌體落實運動形式是變化多樣的，影響因素也是比較多，其落石計算形式一般是單一的，并且取一近似值。落實軌跡會遇到凸崖阻擋時發生變化。崩塌落實運行速度與掉落高度、碎石體積以及重量有著直接的關系，另外，還與山坡的坡度以及植被覆蓋情況也有著一定干系。地質巖層破壞石塊運行速度可以根據不同的山坡類型進行計算分析。折線形山坡崩塌碎石下落速度可以用下式表達出來：

V=μ=ε

μ=，ε=μ

上面式子中的H為崩塌厚度石塊向下墜落的高度，以m計算；g為重力加速度，以m/s2計算；K為石塊運動過程中受到外部影響造成的阻力系數。阻力系數又下表選取。

順序 山坡坡度較大小 K計算公式匯總

1 0度至30度 K=0.41+0.0031

2 30度至60度 K=0.51-0.0047+0.0017α2

3 60度至90度 K=1.01-0.0123+0.000021α2

落石運動軌跡一般是滾落外加跳躍的形式，軌跡確定有助于攔截建筑物的地點設置。針對于落實騰躍分析，主要分析石塊運行軌跡以及坡面的偏離程度，進而確定阻擋建筑物的外形以及攔截位置。

本文分了薄層以及厚層巖層對邊坡穩定性的影響，并在此基礎上分析了落實運動形式。各種因素對于邊坡穩定性都有著一定的影響，板厚一致時，邊坡穩定性坡長與坡角會有著一定的變化關系，角度變大，潰屈破壞最小長度也會相應的有所減小。巖層彈性模量也會影響巖層邊坡的穩定性，在文章中已經做出了一些介紹分析，在此就不再贅述。相信隨著對巖層邊坡穩定性研究的進一步深入，山體坡腳工程建設的安全性將會有所改善。

參考文獻

[1] 李安洪，周德培，馮君.順層巖質路塹邊坡破壞模式及設計對策[J].巖石力學與工程學報，2004，07.

[2] 龔文惠，王平，陳峰.順層巖質路塹邊坡穩定性的敏感性因素分析[J].巖土力學，2003，07.

[3] 李海波，肖克強，劉亞群.地震荷載作用下順層巖質邊坡安全系數分析[J].巖石力學與工程學報，2010，03.

[4] 賈存興.層狀巖土質混合高邊坡施工期破壞機制與穩定性研究[J].中外公路，2007，07.

[5] 滕光亮，陳永明，石玉成，孫崇紹，盧育霞，強正陽.地震作用下節理巖質邊坡穩定性影響因素研究[J].企業技術開發，2010，03.

[6] 曾中林，劉貴應.順層滑移型邊坡參數敏感性分析[J].西部探礦工程，2011，03.

[7] 李全，金培杰，張紅利.云南元武高速公路滑坡穩定性分析[J].鐵道建筑，2011，07.

[8] 王樹威，錢越，桂志敬，陳寧，賴見輝.基于實時監測技術的公路邊坡穩定性評價研究[J].交通標準化，2010，21.

[9] 鄭穎人，趙尚毅，鄧衛東.巖質邊坡破壞機制有限元數值模擬分析[J].巖石力學與工程學報，2011，07.