含斷續(xù)軟層順層邊坡穩(wěn)定性分析

趙琪亮

（惠東縣稔平原水有限公司，廣東 惠東516300）

1 引言

邊坡是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其穩(wěn)定性受到多個(gè)因素的影響。目前，許多的專家學(xué)者對(duì)邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了研究。研究主要可分為兩個(gè)方面，理論計(jì)算和數(shù)值模擬研究。王騎虎[1]使用CEO-slope對(duì)甘肅地區(qū)紅層邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，研究不同工況下邊坡的穩(wěn)定性情況，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際工程較為吻合。韓光[2]研究含有斷續(xù)節(jié)理的順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定情況，分析了邊坡的邊坡破壞模式，推導(dǎo)出高程放大效應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)公式。李朋麗[3]結(jié)合計(jì)算算法，編輯程序完成對(duì)陜西公路邊坡的穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)，取得了較好的使用效果。褚鉛波[4]使用FLAC軟件采用強(qiáng)度折減的方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比，F(xiàn)LAC軟件在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方面具有較好的適用性。唐棟[5]考慮了前期降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響機(jī)制。蔣水華等[6]研究施工期高邊坡的穩(wěn)定性情況，徐奴文等[7]考慮了微震工況下邊坡的穩(wěn)定性情況，張磊等[8]考慮潛蝕作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。大量的學(xué)者對(duì)邊坡不同工況下的穩(wěn)定性情況進(jìn)行了研究，取得了較好的情況。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合惠東縣稔平半島供水工程局部邊坡實(shí)際情況，對(duì)含有斷續(xù)軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

2 斷續(xù)軟弱夾層力學(xué)特性研究

軟弱夾層是指強(qiáng)度較高巖體中間，強(qiáng)度較低的那一部分巖體，這部分巖體往往對(duì)邊坡的穩(wěn)定性起著控制性作用。強(qiáng)度低，易軟化是軟弱夾層的一個(gè)重要工程特性。斷續(xù)軟弱夾層即軟弱夾層不連續(xù)，在強(qiáng)度較高的巖體中間斷續(xù)出現(xiàn)且厚度也是變化的。軟弱夾層的力學(xué)性質(zhì)主要可以分為3個(gè)方面：空間效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)、含水量效應(yīng)。

（1）空間效應(yīng)

空間效應(yīng)可以分為兩個(gè)部分：位置和連續(xù)性。邊坡的破壞多沿著強(qiáng)度較低的面產(chǎn)生滑動(dòng)，這在層狀巖體邊坡中最為常見(jiàn)，這些軟弱夾層一般是不完整的，在邊坡破壞時(shí)，不僅是沿著弱層滑動(dòng)，也會(huì)將完整巖體剪斷破壞。軟弱夾層的空間位置和連續(xù)性將對(duì)邊坡的整體穩(wěn)定性及其破壞后的危害性起著決定性的控制作用。

（2）形態(tài)效應(yīng)

軟弱夾層的形態(tài)效應(yīng)主要是指其厚度。軟弱夾層的厚度在巖層中間不是均勻分布的，是有一定的起伏度的。一些軟弱夾層厚度較厚但一些則較薄。當(dāng)軟弱夾層較薄時(shí)，抗剪強(qiáng)度參數(shù)主要受到結(jié)構(gòu)面的控制，此時(shí)具有較高的摩擦系數(shù)和強(qiáng)度。當(dāng)軟弱夾層較厚時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性則受到軟弱夾層自身強(qiáng)度參數(shù)的控制。結(jié)構(gòu)面充填物質(zhì)越多，強(qiáng)度也會(huì)隨之減小就是這個(gè)原因。

（3）含水量效應(yīng)

含水量是影響巖土體強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。含水量的變化直接引起內(nèi)摩擦角和粘聚力的變化。已經(jīng)有大量的學(xué)者對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：隨著含水量的增大，巖土體強(qiáng)度參數(shù)將會(huì)減小。

同時(shí)，軟弱夾層自身的礦物組成和結(jié)構(gòu)面形態(tài)也是控制其強(qiáng)度的重要因素。

3 邊坡穩(wěn)定性研究

3.1 軟弱夾層連續(xù)性研究

軟弱夾層連續(xù)性可以考慮其面連續(xù)性和線連續(xù)性。在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)間，需要確定軟弱夾層的強(qiáng)度參數(shù)。軟弱夾層強(qiáng)度參數(shù)的確定需要綜合考慮，結(jié)構(gòu)面內(nèi)部軟弱夾層的面連續(xù)度km和線連續(xù)度kl。面、線連續(xù)度的確定需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)的工程地質(zhì)調(diào)查來(lái)確定，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 面連續(xù)度

圖2 線連續(xù)度

面連續(xù)度km和線連續(xù)度kl可以用下式計(jì)算：

式中:n為軟弱夾層總個(gè)數(shù)；ai為第i個(gè)軟弱夾層面積；b為統(tǒng)計(jì)面總面積。

式中:m為軟弱夾層總個(gè)數(shù)；lj為第j個(gè)軟弱夾層延伸長(zhǎng)度；L為統(tǒng)計(jì)總線長(zhǎng)。

3.2 坡體形態(tài)研究

邊坡形態(tài)和軟弱夾層位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性具有較強(qiáng)的影響作用。當(dāng)坡體形態(tài)與軟弱夾層空間分布位置已經(jīng)確定時(shí)，則可以確定不同位置軟弱夾層的摩擦力和下滑剪切力的差異性。這種差異性將對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生極大的影響。假設(shè)邊坡形態(tài)見(jiàn)圖3。

圖3 坡體形態(tài)

在坡頂位置，軟弱夾層以上巖體厚度為h1，在坡腳位置，軟弱夾層以上巖體厚度為h2。

不同位置的正應(yīng)力σ可以通過(guò)下式確定：

式中:γ為上部巖土體重度；h為上部巖土體厚度；θ為巖土體傾角。

3.3 軟弱夾層抗剪強(qiáng)度研究

含軟弱夾層的邊坡失穩(wěn)滑面通常是沿著軟弱夾層內(nèi)部剪切滑移，或以軟弱夾層與巖層面的接觸部位剪切滑移。

通過(guò)室內(nèi)對(duì)軟弱夾層的剪切試驗(yàn)，獲取抗剪切參數(shù)值，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)大型剪切試驗(yàn)，獲取軟弱夾層與巖層面接觸部位抗剪切參數(shù)值。當(dāng)軟弱夾層的內(nèi)摩擦角φn小于巖層面與軟弱夾層之間的接觸摩擦角φj時(shí)，軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度才代表結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度；反之，剪切面產(chǎn)生于軟弱夾層和巖層面之間的接觸部位，見(jiàn)圖4。

圖4 剪切面位置圖（A.內(nèi)部剪切面；B.上部剪切面）

滿足上式（1），剪切面位于軟弱夾層內(nèi)部；當(dāng)夾層和巖層層面之間不滿足上式（1），其滑面為上部巖體下層面與夾層接觸部位。通過(guò)對(duì)軟弱夾層現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行軟弱夾層室內(nèi)剪切試驗(yàn)，獲取剪切面通過(guò)軟弱夾層內(nèi)部的抗剪參數(shù)；同時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)在大型剪切試驗(yàn)，獲取軟弱夾層表面與巖層面接觸部位的抗剪參數(shù)。由式（2）證明，滑面位置為軟弱夾層的上表面與巖層面接觸部位，而并非軟弱夾層內(nèi)部剪切形成。試驗(yàn)結(jié)論與探槽揭示的滑面位置一致。

3.4 邊坡穩(wěn)定性分析

順層巖質(zhì)邊坡的破壞主要為沿著巖層層面產(chǎn)生滑動(dòng)變形破壞，可以使用極限平衡法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

邊坡下滑力可以根據(jù)坡體形態(tài)采用分條計(jì)算：

式中:g為重力加速度；h為上部巖土體厚度；θ為巖土體傾角；l為滑動(dòng)面長(zhǎng)度；γ為上部巖土體重度。

當(dāng)坡體內(nèi)部軟弱夾層的起伏度較大時(shí)或局部軟弱夾層充填厚度較薄時(shí)可以采用下式計(jì)算滑動(dòng)面的抗滑力：

式中:g為重力加速度；h為上部巖土體厚度；θ為巖土體傾角；li為夾層段長(zhǎng)度；γ為上部巖土體重度；lj為夾層段長(zhǎng)度，n、m分別為夾層段總數(shù)和未充填段總數(shù)。

當(dāng)坡體內(nèi)部軟弱夾層整體較為平整，則可將連續(xù)度帶入其中，計(jì)算抗滑力：

邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為抗滑力除以下滑力：

4 工程實(shí)例研究

惠東縣稔平半島供水工程局部存在部分巖質(zhì)邊坡，邊坡上覆0.5 m～1.0 m第四系殘坡積層(Q4el+dl)，下伏強(qiáng)～中風(fēng)化三疊系關(guān)嶺組(T2g3)泥質(zhì)白云巖夾薄層狀泥巖。巖層產(chǎn)狀為5°∠20°，巖層厚度0.25 m～0.35 m不等，軟弱夾層厚度為0.02 m～0.03 m，含有 3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理：27°∠76°，193°∠81°，319°∠86°，為順層巖質(zhì)邊坡。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)，獲取軟層的連續(xù)度系數(shù)kl=0.503,km=0.511,k==0.507，獲得軟層邊坡的上部巖體重度γ=25.3 kN/m3，可以使用近似直線算法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

天然工況下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)η=1.19＞1.00，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)與實(shí)際工程情況較為符合。

5 結(jié)論

（1）對(duì)含有斷續(xù)軟層的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，軟弱夾層影響邊坡穩(wěn)定性的力學(xué)效應(yīng)主要包括三個(gè)方面：空間效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和含水量效應(yīng)。

（2）研究了斷續(xù)軟弱夾層連續(xù)度的計(jì)算方法，主要包括線連續(xù)度和面連續(xù)度，以及綜合連續(xù)度的確定方法。

（3）以惠東縣供水工程實(shí)例為研究對(duì)象，使用本文介紹的研究方法對(duì)坡體穩(wěn)定性進(jìn)行研究，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程結(jié)果對(duì)比較為一致，說(shuō)明本文介紹的方法具有一定的實(shí)際意義。