含軟弱夾層的緩傾紅層邊坡切坡失穩特征數值模擬研究

武志剛，夏陽，李自

（1重慶市住房和城鄉建設工程質量總站，重慶 400014；2重慶市南岸區建設工程施工安全監督站，重慶 400060；3重慶市綦江區市政管理所，重慶 401420）

0 引言

紅層是經紅色陸相沉積而成的白堊紀、侏羅紀地層，廣泛分布于我國西南地區。其巖層以砂泥巖為主，多為軟硬互層結構。由于紅層巖體強度較低，風化程度高，且含有大量蒙脫石、伊利石等礦物成分，因此吸水易軟化，失水易崩解。這種特殊巖性往往導致紅層邊坡對外界因素的敏感性較高，其穩定性易受擾動。

已有學者對紅層邊坡的典型巖體結構特征及擾動因素進行了研究。胡厚田等[1]基于紅層巖體特征提出了4個紅層邊坡巖體結構劃分依據，并以此推廣劃分了13個類型和亞類，為紅層邊坡的研究奠定了基礎。肖尚德等[2]從影響因素層面上將紅層邊坡變形破壞劃分為軟硬巖層差異風化、順層面與坡面不利組合與人工切坡擾動3種。邱恩喜等[3]通過對重慶、云南等紅層邊坡進行大量野外調查統計分析，研究了坡高、巖塊強度、彈性模量和泊松比對其穩定性的影響程度。宋婭芬等[4]依托實際工程，建立了軟硬互層邊坡物理模型，研究了開挖狀況下邊坡破壞模式及滑移規律。楊旭等[5]依據物理模型試驗研究了華南紅層軟巖邊坡在各雨況下的災變過程及發展特征。盧海峰等[6]分析了巴東組紅層邊坡軟弱夾層的剪切流變特性，發現節理裂隙擴展、坡腳開挖、雨水入滲軟化層面共同造成了紅層邊坡的失穩。

從以上研究中不難發現，切坡開挖導致的臨空面是紅層邊坡發生滑移破壞的基礎，而對紅層的研究大多集中于層面傾角較大的邊坡，對于傾角20°以下的緩傾紅層邊坡還研究得比較少。依據剛體極限平衡分析理論以及人們以往的勘察設計經驗，此類邊坡在天然情況下自穩性較高，不易發生失穩破壞。然而，由于紅層巖體的特殊性，加之切坡卸荷過程中，邊坡內部應力重新分布，因此剪應力集中于坡腳。同時，紅層中因軟硬巖差異風化常賦存有泥化夾層等軟弱層面，當此類軟弱夾層因切坡開挖導致其結構面外露于臨空處時，邊坡上部就很容易沿軟弱結構面發生滑移。此外，緩傾紅層邊坡一般滑移帶較長，破壞時兼具規模廣、范圍大等特點，災害發生后易造成嚴重的人員傷亡及財產損失[7]。MidasGTS/NX作為一款成熟的有限元分析軟件已被眾多學者使用，且模擬效果與實際工程吻合度較高[8-10]。因此，本文基于此軟件研究含軟弱夾層的緩傾紅層邊坡切坡失穩特征，對于預防滑坡失穩和指導工程施工都有一定參考價值。

1 方法及建模

1.1 有限元強度折減法

所謂強度折減，就是在有限元計算中利用一個折減系數Fs將抗剪強度指標c、φ不斷降低至巖土體處于極限破壞狀態時，可用下式表示：式中：c、φ為未折減前巖土體的抗剪強度指標；cf、φf為折減后巖土體的抗剪強度指標；τf為折減后巖土體的抗剪強度；Fs為折減系數。有限元數值模擬計算中強度折減法的破壞依據一般以計算不收斂、塑形區貫通以及位移出現拐點三類為判斷標準，當巖土體抗剪強度減少至破壞狀態時所得的折減系數Fs即為巖土體的強度儲備安全系數。

1.2 邊坡模型的建立

擬建紅層邊坡模型斷面如圖1所示，下部為中風化砂巖，上覆中風化泥巖，砂泥巖層面傾角為15°，坡體內部含有厚度為2m的軟弱泥化夾層。為了提高有限元計算精度，對于邊界范圍大小的取值，鄭穎人等[11]建議模型邊坡坡腳到右端邊界的距離宜取坡高的1～1.5倍，坡頂到左端邊界的距離宜取坡高的2.5～3倍。基于此原則及邊坡斷面，在Midas GTS/NX上建立一個軸向延伸12m的三維邊坡模型，該模型共生成6140個節點、4410個單元，如圖2所示。邊界條件：上部邊界無約束，左右兩側邊界水平約束，底部邊界固定。

圖1 邊坡斷面圖

圖2 邊坡三維模型圖

1.3 巖土物理力學參數

本次計算所涉及的巖體為中風化泥巖及中風化砂巖，模型均采用摩爾庫倫（Mohr-Coulomb）屈服準則，天然狀態下巖體及軟弱泥化夾層物理力學參數見表1。

表1 巖土物理力學參數

1.4 開挖工況方案

該模型邊坡工況擬設計為兩階段開挖，第一階段對上覆中風化泥巖層以1:0.3坡比進行開挖，如圖3所示。第二階段對軟弱泥化夾層以1:0.3坡比進行開挖，如圖4所示。以此分析原始坡體及兩階段開挖下邊坡應力、位移場特征及穩定性變化。

圖3 一級開挖

圖4 二級開挖

2 數值模擬結果及分析

2.1 開挖過程應力場特征

含軟弱夾層的緩傾紅層邊坡各開挖工況下最大主應力與最小主應力云圖如圖5、圖6所示。

圖5 開挖過程最大主應力云圖

圖6 開挖過程最小主應力云圖

從圖5及圖6中可以看出，隨著邊坡不斷開挖，坡體內應力重新調整分布，最大及最小主應力在開挖面附近發生偏轉。圖5 a）及圖6 a）表明一級開挖未至軟弱夾層時，坡腳附近出現應力集中現象，此時應采取一定防護措施對其進行支護。圖5 b）及圖6 b）表明二級開挖至軟弱夾層以后，最大及最小主應力主要集中在開挖面軟弱夾層附近。同時，由于巖體卸荷回彈效應，開挖過程中坡腳及軟弱夾層面附近產生拉應力，易出現局部開裂現象，施工時需重點監測。

2.2 開挖過程位移場特征

為研究邊坡在各級開挖工況下的位移特征，在坡頂及坡面布置5個位移監測點，如圖7所示。同時，規定邊坡水平位移向右為正方向，豎直位移向上為正方向。

圖7 邊坡位移監測點布置

通過有限元模擬計算后，圖8為各開挖工況下監測點處水平位移與豎直位移變化曲線。

圖8 開挖過程中各監測點位移變化

圖8很好地反映了該含軟弱夾層的緩傾紅層邊坡在開挖過程中各典型部位的位移變化過程，從圖8a）可以看出，邊坡各監測點的水平位移隨著進一步開挖而不斷增大，且開挖至軟弱泥化夾層時，各測點水平位移速率提高。其中，監測點4即軟弱夾層上表面的水平位移變化最大，夾層開挖后該點坡面水平位移接近30cm，是此類邊坡在切坡過程中需要重點防護的部位。監測點5即軟弱夾層以下的巖層坡面水平位移變化較小，開挖過程坡面處的水平位移變化高于坡頂處。圖8b）表明該緩傾紅層邊坡在開挖過程中各點產生的豎直位移遠小于水平位移，這是緩傾層狀邊坡區別于陡坡邊坡的一個最本質的位移變化特征。其中，坡頂監測點1、2在開挖過程中主要發生向下的豎直位移，而坡面的監測點3、4則發生向上的豎直位移。原因在于坡體開挖卸荷過程中，坡面處應力重新分布，局部應力集中而產生卸荷回彈現象。該現象在差異巖層界面表現得更為明顯，即監測點4軟弱夾層與上部泥巖層坡面接觸處。同時，監測點5坡底的水平位移在開挖過程中變化仍較小。圖8c）也證明該緩傾紅層邊坡切坡過程中各監測點的總體位移變化與水平位移變化值相差較小，進一步說明緩傾紅層邊坡以水平位移變化為主。而監測點5坡底的水平位移與豎直位移變化均較小，表明軟弱泥化夾層下部巖土位移不明顯，從而說明含軟弱夾層的緩傾紅層邊坡切坡后坡體變形主要集中于夾層及上部巖層，施工時應進行重點監控。

2.3 開挖過程邊坡穩定性強度折減分析

采用Midas GTS/NX內嵌的強度折減法分別對含軟弱夾層的緩傾砂泥巖互層邊坡原始坡形以及兩次開挖工況下的穩定性進行模擬計算，其結果見表2、圖9。各工況下的最大剪切應變云圖見圖10，該圖可表征邊坡潛在滑移模式。

表2 含軟弱夾層的緩傾紅層邊坡穩定性強度折減結果

圖9 各切坡工況下邊坡穩定性系數

從表2中可以看出，未開挖狀態下，該緩傾邊坡強度折減計算后穩定性系數高達2.51，遠高于規范所規定的一級邊坡安全系數值1.35，因此自穩性較好。圖10a）表明坡體軟弱夾層累積較大剪切應變能，為該緩傾紅層邊坡的主要潛在滑移面，但由于邊坡下部被約束，剪切應變能得不到釋放，因此不會產生明顯的剪切滑移。當上部中風化泥巖層一經開挖，穩定性系數迅速降低至1.41，其原因主要在于切坡使夾層內應力釋放，并導致泥巖結構面外露，加之中風化泥巖層間強度較低，前緣臨空牽引后緣巖體向臨空面滑動。但圖10b）表明該級開挖未至軟弱夾層，夾層上還覆蓋有一定厚度的泥巖層作為反壓，小幅度緩解了剪切位移。表2及圖10c）說明二級開挖至軟弱夾層后，邊坡穩定性系數僅剩1.19，低于一級邊坡所規定的安全系數，夾層以上的巖體易沿軟弱泥化夾層發生滑移，因此需采取相關措施提前進行支護處理。

3 結論

本文通過有限元軟件Midas GTS/NX模擬分析了含軟弱夾層的緩傾紅層邊坡切坡過程中應力位移變化特征及強度折減下的穩定性系數，主要得到以下結論：

（1）邊坡開挖過程中，坡體內應力重新分布，大小主應力在開挖面附近發生偏轉；

（2）未開挖至軟弱夾層時，坡腳處出現剪應力集中現象。開挖至軟弱夾層以后，軟弱夾層面會出現拉應力集中現象；

（3）含軟弱夾層的緩傾紅層邊坡切坡過程以水平位移為主，豎直位移較小，同時軟弱夾層開挖面附近位移最大，而夾層以下部分位移不明顯，因此切坡后坡體變形主要集中于夾層及上部巖層，施工時應進行重點監控；

（4）邊坡穩定性系數隨切坡進程不斷降低，當軟弱夾層被開挖以后，坡體穩定性系數大幅下降，夾層以上的巖體易沿軟弱泥化夾層發生滑移，工程中對于此類邊坡需提前采取相關措施進行支護處理。