含軟弱地層礦體穩定性的影響因素分析

余 浩

（廣東省地質局第三地質大隊，廣東 韶關 512026）

軟弱夾層是具有強度低和彈性模量低的一種軟弱結構層，巖質邊坡在內力和外力的作用下通常沿著軟弱夾層出現滑動[1]。

近年來，由軟弱夾層引起的滑坡，給社會造成了重大的財產損失和人員傷亡，比如2003 年發生的千將坪滑坡，滑體巨大，約2.4×107m3滑體高速滑入青干河中，造成了大量的人員傷亡，直接經濟損失近6000 萬[2]。目前在露天礦生產、公路交通工程、鐵路交通工程和水利水電工程建設中，含軟弱夾層巖質邊坡的邊坡穩定性問題已經成為這些行業領域的關鍵技術問題。研究含軟弱夾層引發的地質災害問題，對保證人民生命安全生產有著重要的意義。因此，本文采用phase 有限元數值模擬方法對含軟弱夾層邊坡穩定性影響因素進行了研究。

1 含軟弱夾層邊坡影響因素分析

1.1 軟弱夾層邊坡有限元分析

常見的軟弱夾層邊坡可分為水平軟弱夾層邊坡、順傾軟弱夾層邊坡及反傾軟弱夾層邊坡。本文邊坡模型如圖1 所示，為經典邊坡模型，為國內外眾多學者采用進行穩定性研究。

邊坡底部的邊界條件采用固定邊界，左右兩側邊界采用水平向固定，豎向自由的類似滑動支座的約束邊界，材料參數如下表1 所示。

圖1 不同類似邊坡模型及網格劃分

表1 含軟弱夾層邊坡的材料參數

1.2 軟弱夾層厚度對邊坡穩定性的影響

模型中軟弱夾層位于邊坡中部，軟弱夾層厚度分別為1.0m，2.0m，3.0m，4.0m，6.0m，8.0m，10.0m，共計7 個模型。

作出不同軟弱夾層厚度變化下三種邊坡安全系數變化趨勢，如圖2（a）所示，發現隨著軟弱夾層厚度的增大，三種軟弱夾層巖質邊坡安全性均逐漸降低，且水平軟弱夾層邊坡安全性略高于另兩種邊坡。

1.3 軟弱夾層位置對邊坡穩定性的影響

模型中軟弱夾層厚度2.0m，軟弱夾層位置發生變化，分別距離邊坡坡腳水平線0.0m，5.0m，10.0m，15.0m，20.0m，共計5 個模型。需要注意的是，由于邊坡尺寸的限制，順傾軟弱夾層距離坡腳20m 時已延伸出坡頂，因此忽略此種工況。作出不同軟弱夾層位置變化下三種邊坡安全系數變化趨勢，如圖2（b）所示，發現隨著軟弱夾層位置逐漸向上抬升，三種軟弱夾層巖質邊坡安全性均逐漸升高，表明軟弱夾層越接近坡腳，發生破壞的可能性越大。同時，由于邊坡結構上的差異，隨著軟弱夾層位置變化，三種軟弱夾層巖質邊坡安全性大小基本排序為反傾軟弱夾層邊坡＞水平軟弱夾層邊坡＞順傾軟弱夾層邊坡，表明順傾軟弱夾層邊坡對邊坡位置的改變更為敏感，沿順傾軟弱夾層邊坡失穩的可能性較大。

圖2 邊坡安全系數與不同抗剪強度之間關系曲線圖

1.4 軟弱夾層傾角對邊坡穩定性的影響

模型中軟弱夾層厚度為2.0m，軟弱夾層位于邊坡中間位置固定不變，軟弱夾層傾角分別為5°，15°，25°，35°，45°，共計5 個模型。需要注意的是，水平軟弱夾層沒有傾角，且由于邊坡尺寸的限制，順傾軟弱夾層傾角為45°已延伸出坡頂，因此忽略此種工況。作出不同軟弱夾層傾角變化下二種邊坡安全系數變化趨勢，如圖2（c）所示，發現隨著順傾軟弱夾層傾角的變化，順傾軟弱夾層邊坡安全性在傾角變化時基本保持平穩，反傾層狀巖質邊坡邊坡安全性呈現出逐漸減小，后突然增大的趨勢，在傾角為25°時安全系數最低。順傾軟弱夾層邊坡安全性始終大于反傾軟弱夾層邊坡，表明反傾軟弱夾層邊坡對軟弱夾層傾角變化更為敏感。

1.5 軟弱夾層抗剪強度參數對邊坡穩定性的影響

為研究坡體材料抗剪強度對水平軟弱夾層邊坡穩定性影響，對具有不同抗剪強度的邊坡進行穩定性分析。在此設置14 個工況，前7 個工況用于研究粘聚力變化對邊坡穩定的影響，粘聚力分別為1kPa，5kPa，15kPa，25kPa，35kPa，45kPa，55kPa，保證內摩擦角為30°不變；后7 個工況用于研究內摩擦角變化對邊坡穩定的影響，內摩擦角分別為10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，保證粘聚力為10kPa 不變。

圖3 邊坡安全系數與不同抗剪強度之間關系曲線圖

各模型中軟弱夾層厚度2.0m，軟弱夾層位于邊坡中間位置固定不變，除水平軟弱夾層沒有傾角外，其余兩種軟弱夾層傾角為25°。為便于客觀尋找邊坡安全系數與不同抗剪強度之間的關系，根據表所得結果作內摩擦角-安全系數折線圖以及粘聚力-安全系數折線圖，如圖3 所示。由圖3 可知，隨著內摩擦角或者粘聚力的增加，邊坡安全系數呈現逐步上升的趨勢，但超過一定數值后略有下降。

2 結論

本文分別對常見的水平軟弱夾層邊坡，順傾軟弱夾層邊坡，反傾軟弱夾層邊坡進行了穩定性分析及影響因素研究。發現三種軟弱夾層巖質邊坡安全性隨著軟弱夾層厚度增大而降低；隨著軟弱夾層位置逐漸向上抬升，三種軟弱夾層巖質邊坡安全性均逐漸升高，表明軟弱夾層越接近坡腳，發生破壞的可能性越大；隨著順傾軟弱夾層傾角的變化，順傾層狀巖質邊坡邊坡安全性隨傾角基本平穩，而反傾層狀巖質邊坡邊坡安全性呈現出逐漸減小，后突然增大的趨勢，在傾角為25°時安全系數最低；隨著內摩擦角或者粘聚力的增加，邊坡安全系數呈現逐步上升的趨勢，但超過一定數值后略有下降。