含軟弱夾層巖質高邊坡穩定性影響因素分析

龔嘯

(湖南省高速公路集團有限公司, 湖南 長沙 410022)

軟弱夾層是夾在相對堅硬巖(土)層中的強度較低的巖(土)層，一般呈層狀，其物理力學性質弱，遇水易軟化或泥化，抗剪強度降低，不利于結構體的抗滑穩定，特別是連續、傾角小于30°的軟弱夾層對結構體更為不利。針對含軟弱夾層邊坡，Grgiggs D.通過變形試驗對軟弱夾層進行了研究；王來貴等分析了含軟弱結構面巖石的變形破壞過程，對巖石的滑動過程進行了闡述，分析了沿軟弱結構面滑動系統的穩定性；米海珍等對含紅層軟巖的邊坡進行研究，發現其穩定性影響因素為坡度、荷載及降雨等；王建國等通過分析邊坡軟弱夾層的力學特性，對含軟弱結構面的礦山軟巖邊坡穩定性研究方法進行了闡述；解聯庫等采用RFPA有限元軟件對含軟弱結構面的順層邊坡穩定性進行了分析；王振偉通過分析邊坡中軟弱結構面的力學特性，總結了礦山軟巖邊坡穩定性的研究方法；趙凱等基于顆粒流法，通過構建不同分布含軟弱結構面邊坡，分析軟弱結構面幾何分布對邊坡穩定性及破壞模式的影響，結果表明分布深度越淺，邊坡穩定性越差，隨著深度的增加，其對邊坡的影響越來越小。影響邊坡穩定性的因素有很多，該文結合實際邊坡工程，根據邊坡地質、水文特點及實際工況對軟弱夾層高邊坡穩定性影響因素進行分析。

1 影響因素分析

邊坡巖體中一般會存在明顯的地質界面，包括節理裂隙、斷層及層面等。由于這些軟弱面的存在，巖體在空間上會存在不連續性。有學者把巖體稱為結構體，把地質中不連續面稱為結構面，結構面切割出來的巖塊稱為結構體。研究表明邊坡中軟弱結構面是影響邊坡穩定性的重要因素。

(1) 層狀夾層厚度。在荷載及外在環境作用時，不同夾層厚度對邊坡穩定性具有不同的影響。這是由于軟弱結構面自身的性質，經過不同厚度的軟弱結構面時，荷載的傳遞會發生不同程度的增強或衰減。

(2) 層狀軟弱結構面傾角。軟弱結構面的產狀直接影響邊坡的破壞形式，在荷載及外在環境作用下，順傾向軟弱結構面上部坡體可能會因為接觸面的下滑力大于摩擦力發生順層滑移破壞；反傾向軟弱結構面可能會形成貫通破裂面，在破裂面與坡面的交界處可能發生崩塌、落石等破壞。

(3) 層狀軟弱結構面埋深。在荷載及外在環境作用下，軟弱結構面周邊巖體會最先受到影響，軟弱結構面的埋深決定邊坡失穩破壞的位置。順層邊坡是在形成貫通型滑面后，上部滑體下滑力大于滑面阻力而發生滑移形成的，而下滑力大小主要由上部滑體重力決定，若形成的滑面較深，形成的滑體相應較大，在接觸面阻力不變的情況下，邊坡更易發生失穩破壞。軟弱結構面埋深越大，形成的滑體越大，滑移后造成的災害也越嚴重。

(4) 非層狀結構面。非層狀結構面包括斷層、節理、裂隙等構造結構面，這些因素對邊坡穩定性的影響主要表現在：1) 規模很大的節理、走向斷層通常會成為邊坡滑動的邊界裂縫，且這些裂縫會成為降雨及地表水下滲通道，進而加速軟弱結構面的軟化和泥化。2) 傾向邊坡坡外的節理裂隙、走向斷層一般會成為邊坡失穩滑動的剪出口。3) 對于節理裂隙非常發育的邊坡，邊坡性質發生了本質改變，層狀結構、塊狀結構的巖體邊坡被節理裂隙切割成非常破碎的散體結構，邊坡失穩會轉變為沿著節理裂隙面影響的圓弧形滑動破壞。

2 工程概況

湘西龍永(龍山—永順)高速公路沿線邊坡坡面的斷面形式主要分為臺階形、折線形(分為上陡下緩和上緩下陡2種形式)、直線形(一坡到底)3種，考慮高度對邊坡穩定性的影響，3級以上高邊坡一般設計為臺階形，平臺寬度為1.5～2 m。該項目15標合同段K57+030—073左側有一近60 m路塹高邊坡，最大挖方高度56.96 m，平均挖方高度32 m。各級坡率及平臺寬度見表1。

表1 K57+030—073邊坡坡率

注：平臺寬度為2.0 m。

邊坡主體由泥質頁巖及灰巖構成，開挖后整體穩定性較好，現場未發現明顯開裂和落石現象。邊坡地質剖面及現場施工情況見圖1、圖2。

圖1 邊坡地質剖面圖

圖2 邊坡現場施工圖

3 軟弱夾層對邊坡穩定性的影響分析

3.1 模型網格劃分及邊界條件設置

數值模擬結果的準確性與預設計算模型有較大關系。計算域如果太小，計算精度和準確性會降低；計算域太大，單元劃分會增多，受計算機運算水平的影響計算過程會十分困難且漫長，計算效率降低。因此，恰當選取計算域，既可保證計算工作的順利進行，又能確保計算結果的準確性。以上述邊坡為原型，建立長×寬=156.52 m×81.4 m的數值模型(見圖3)。

圖3 典型邊坡概化圖(單位：m)

根據泥質頁巖中是否含有軟弱夾層，采用有限元軟件MIDAS/GTS分別建立不含、含軟弱夾層邊坡模型，其中不含軟弱夾層邊坡模型包含1 028個單元，含軟弱夾層邊坡模型包含1 043個單元(見圖4、圖5)。不同土層之間不需作特別處理，只要將土層之間的交界面定為網格交界面，然后對不同網格進行定義即可。MIDAS/GTS中接觸單元屬性默認采用摩爾-庫侖接觸(實質等同于摩爾-庫倫準則)，故在建模理解時，將接觸單元理解成為一個實體(或面單元)，這個單元的應力、應變特點和摩爾-庫倫準則一樣。

圖4 不含軟弱夾層的模型

圖5 含軟弱夾層的模型

由于邊坡擾動的影響范圍有限，故邊坡遠端土體的位移較小，可將模型邊界位置的位移視為零。邊坡模型邊界采取位移約束，下部節點采用水平、豎直兩個方向的約束，左右兩端采用水平約束。

3.2 不含軟弱結構層邊坡的穩定性分析

在MIDAS/GTS NX中各地層均采用摩爾-庫倫本構模擬，參考相關研究成果，通過室內土工試驗得出各土體容重、黏聚力、內摩擦角(見表2)。

表2 土體的基本參數

采用強度折減法求得不含軟弱結構面邊坡在自然工況下的安全系數為1.275，其中剪應變、塑性區及水平和豎向位移見圖6～9。

由圖6～9可知：1) 不含軟弱夾層邊坡的安全系數為1.275，大于邊坡規范中安全系數允許值1.20，表明邊坡在自然工況下處于穩定狀態。強度折減法計算的潛在滑移面貫通坡頂與坡腳，最大等效塑性應變在坡腳位置，并沿著滑移面的滑移路徑塑性應變逐漸增大，塑性區從邊坡內部開始發展，隨著強度參數的不斷折減，逐漸貫通到坡腳位置形成滑移面。2) 在泥質頁巖的左上角、泥質灰巖的中間位置及坡腳位置形成塑性區，與潛在滑移面大致一致。加固時需針對這些塑性區位置進行加強。3) 折減后邊坡發生的最大水平位移集中在2級臺階坡面位置，最大水平位移為0.167 m；最大豎向位移發生在邊坡滑塊后緣最后一級臺階處，最大豎向位移為0.072 m。水平位移從坡腰開始發展，逐漸發展到坡腳位置，在不同時期需加固的位置不一樣，可考慮根據不同位移變形值對邊坡進行穩定性判斷并采取對應加固措施。

圖6 不含軟弱結構面邊坡的剪應變云圖(單位：kN·m)

圖7 不含軟弱結構面邊坡的塑性區變化

圖8 不含軟弱結構面邊坡的水平向位移云圖(單位：m)

圖9 不含軟弱結構面邊坡的豎向位移云圖(單位：m)

3.3 含軟弱結構面邊坡的穩定性分析

主體采用摩爾-庫倫單元模型；軟弱夾層埋深為8.41 m，傾角順坡向10°，層厚1.5 m，采用軟蠕變單元模型(MIDAS/GTS NX軟件本構)。由室內土工試驗得出軟弱夾層的基本參數如下：容重為15.9 kN/m3，黏聚力為22.37 kPa，內摩擦角為19.02°，彈性模量為6.0×105kPa。其他土體的基本參數見表2。

采用強度折減法求得含軟弱結構面邊坡在自然工況下的安全系數為1.252，其中剪應變、塑性區及水平和豎向位移見圖10～13。

圖10 含軟弱結構面邊坡的剪應變云圖(單位：kN·m)

圖11 含軟弱結構面邊坡的塑性區變化

圖12 含軟弱結構面邊坡的水平方向位移云圖(單位：m)

圖13 含軟弱結構面邊坡的豎直方向位移云圖(單位：m)

由圖10～13可知：1) 自然工況下，含軟弱夾層邊坡的安全系數為1.252，邊坡處于穩定狀態。折減后的潛在滑移面貫通坡頂與坡腳，最大等效塑性應變出現在坡腳、軟弱面與坡面相交位置。含軟弱夾層的模型會形成兩個潛在滑移面，滑舌分別位于坡腳與軟弱層露出位置，需對這兩處分別進行加固處理才能阻止潛在面滑動，使邊坡更安全。2) 塑性區發展位于泥質灰巖的左上角及潛在滑移面滑動區域。塑性區從軟弱層位置開始發展，逐漸貫通至坡腳，將原來的軟弱層滑動面增加為含有坡腳的雙潛在滑動面。3) 折減后邊坡發生的最大水平位移集中在軟弱層與坡面相交位置，最大水平位移為0.174 m；最大豎向位移發生在邊坡滑塊后緣最后一級臺階處，最大豎向位移為0.083 m。水平位移從坡腰軟弱層開始逐漸發展到坡腳位置；豎向位移一直在滑坡后緣位置向滑動面發展，在不同時期需加固的位置不一樣，可考慮根據不同位移變形值對邊坡進行穩定性判斷。

3.4 軟弱夾層幾何分布對邊坡穩定性的影響分析

3.4.1 軟弱夾層順傾向的影響

參考圖3，構建不同埋深、不同傾角下邊坡模型，得出其安全系數，分析軟弱夾層埋深及傾角對邊坡安全系數的影響，結果見表3。

表3 不同埋深及傾角下安全系數計算結果

由表3可知：1) 同一傾角下，邊坡安全系數隨著埋深的增加先減小后增加，30 m埋深時最小。原因是30 m埋深時露出面剛好在坡腳位置。2) 同一埋深下，邊坡安全系數隨著傾角的增大而減小。30 m埋深、20°傾角下安全系數最小，為1.054。

3.4.2 軟弱夾層反傾向

參考圖3，構建不同埋深、不同反傾傾角下邊坡模型，計算其安全系數，分析軟弱夾層埋深及反傾傾角對邊坡安全系數的影響，計算結果見表4。

由表4可知：1) 同一反傾傾角下，邊坡安全系數隨著埋深的增加先增大后減小，30 m埋深下安全系數最大，超過30°后安全系數減小，總體來說反傾傾角下安全系數比順坡傾斜時大。這是因為潛在滑動面與30°的反傾傾角垂直，該角度能有效增大邊坡的穩定性。2) 同一埋深下，邊坡安全系數隨著反傾傾角的增大而增大；30 m埋深下安全系數最大，為2.437。3) 軟弱夾層為反傾傾角的邊坡，安全系數均大于1.2，邊坡處于穩定狀態。

表4 不同埋深及反傾傾角下安全系數計算結果

4 結論

(1) 不含軟弱夾層邊坡的安全系數為1.275，含軟弱夾層邊坡的安全系數為1.252，軟弱夾層的存在略微降低了邊坡的安全系數；不含軟弱夾層邊坡僅有一處貫穿坡頂與坡腳的潛在滑動面，含軟弱夾層邊坡存在貫穿坡頂與坡腳、貫穿坡頂與軟弱夾層兩處潛在滑動面。

(2) 軟弱夾層順傾時，同一埋深下，邊坡安全系數隨傾角的增大而減小；同一巖層傾角下，安全系數隨軟弱夾層埋深的增加先減小后增大。軟弱夾層反傾時，同一埋深下，邊坡安全系數隨著傾角的增大而增大；同一巖層傾角下，安全系數隨軟弱夾層埋深的增加先增大后減小。