炭質(zhì)頁(yè)巖蠕變特性及軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性分析

左巍然，劉 平

(1.湖南省公路設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410011; 2.湖南華罡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410076)

0 引言

國(guó)道G319 瀘溪段沿線路基地質(zhì)情況復(fù)雜多變，沿線不良地質(zhì)主要體現(xiàn)于炭質(zhì)頁(yè)巖夾層地質(zhì)，且多處于河道的旁邊，在河水的浸泡和雨水的入滲共同作用下，多處路基邊坡存在滑坡隱患，同時(shí)因炭質(zhì)頁(yè)巖強(qiáng)度低、水理性強(qiáng)、受環(huán)境影響大等特點(diǎn)，因此該路段出現(xiàn)不同程度的路面沉陷和邊坡崩塌等情況，對(duì)路面的行車安全和道路的正常使用影響較大。

炭質(zhì)頁(yè)巖為灰?guī)r、砂巖、泥巖、頁(yè)巖等富含碳呈黑色的互層地質(zhì)體。炭質(zhì)頁(yè)巖主要分布于廣西、湖南、貴州等地，并呈顯著的地域差異性［1］。因交通工程網(wǎng)絡(luò)逐漸擴(kuò)展與加密，高速公路建設(shè)不可避免地會(huì)遇到炭質(zhì)泥巖等軟巖地質(zhì)體，對(duì)炭質(zhì)頁(yè)巖的研究也逐漸興起。宋勇軍［2］使用蠕變?cè)囼?yàn)得出水及加荷載對(duì)炭質(zhì)板巖的強(qiáng)度影響以及在各等級(jí)應(yīng)力水平下巖石蠕變變形特性，并通過(guò)引入硬化函數(shù)及損傷變量改進(jìn)Burgers 蠕變模型且將此模型嵌套到FLAC3D程序中，實(shí)現(xiàn)炭質(zhì)板巖蠕變本構(gòu)模型的二次開發(fā)。劉欽［3］通過(guò)三軸壓縮及蠕變?cè)囼?yàn)得出炭質(zhì)頁(yè)巖蠕變?nèi)^(guò)程的力學(xué)性態(tài)，并通過(guò)MATLAB 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了蠕變參數(shù)的集成、穩(wěn)健取值。羅根傳［4］等人實(shí)施恒溫下炭質(zhì)頁(yè)巖的崩解試驗(yàn)，并引入分形理論進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為當(dāng)炭質(zhì)頁(yè)巖崩解穩(wěn)定時(shí)分維數(shù)約為1.7。田四明［5］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)例，分析炭質(zhì)頁(yè)巖在高地應(yīng)力狀態(tài)下變形力學(xué)機(jī)制以及其破壞形態(tài)，為高地應(yīng)力炭質(zhì)頁(yè)巖的圍巖處治提供理論支撐。而對(duì)于軟弱夾層邊坡的穩(wěn)定性分析大多采用鄭穎人院士等人發(fā)展的強(qiáng)度折減法［6－10］，但大多解決的是均質(zhì)巖土體邊坡，對(duì)于非均質(zhì)(即含軟弱夾層、具有多組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面及巖土體多層分布等情形)使用強(qiáng)度折減法的研究尚少。基于此，本文以國(guó)道G319瀘溪段某軟弱夾層邊坡為工程實(shí)例，通過(guò)室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)研究處于低應(yīng)力的軟弱夾層炭質(zhì)頁(yè)巖的蠕變特性，并基于改進(jìn)的強(qiáng)度折減法來(lái)分析含軟弱夾層邊坡整體穩(wěn)定性。

1 國(guó)道G319瀘溪段邊坡簡(jiǎn)介

國(guó)道 G319 K1564+900～K1565+000 段邊坡位于瀘溪縣白沙新城城東國(guó)道左側(cè)，該場(chǎng)地原始地貌為剝蝕山地緩坡丘陵地貌，地形坡度15°～35°，南高北低，地表植被發(fā)育。該滑坡由人工開挖切坡形成，邊坡坡向?yàn)?90°，坡腳走向?yàn)楸睎|～南西215°，長(zhǎng)134 m。坡體物質(zhì)由粉質(zhì)粘土和強(qiáng)～中風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖組成，其中坡體軟弱夾層為強(qiáng)風(fēng)化的炭質(zhì)頁(yè)巖，薄層狀，黑色，層理清晰，裂隙密集，巖芯多呈短柱狀及長(zhǎng)柱狀，巖芯暴曬易崩解，泡水易軟化，為極軟巖。在地表切割相對(duì)較陡的斜坡地帶，巖體易風(fēng)化變質(zhì)變軟，暴露地表易崩解，極易發(fā)生崩塌、滑坡等，使邊坡失穩(wěn)。滑坡體經(jīng)過(guò)近來(lái)年的不斷變形活動(dòng)，產(chǎn)生的變形現(xiàn)象主要為地面開裂和局部沉落?？偟膩?lái)看，該滑坡體目前的變形處于蠕動(dòng)階段，當(dāng)遇外界不利因素作用時(shí)(如暴雨、震動(dòng)等)變形將向國(guó)道進(jìn)一步發(fā)展。

2 軟弱夾層炭質(zhì)頁(yè)巖蠕變特性試驗(yàn)

2.1 不同偏應(yīng)力下炭質(zhì)頁(yè)巖蠕變?cè)囼?yàn)

試件取自319 國(guó)道瀘溪縣白沙新城區(qū)319 國(guó)道瀘溪段K1564+900 處邊坡軟弱夾層的強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖。實(shí)驗(yàn)采用TSZ3.0 －2.0 型臺(tái)式三軸儀與改制的蠕變儀器如圖1所示，采用分級(jí)等差加載方式，用數(shù)顯位移傳感器記錄在不同偏壓控制下的應(yīng)變值。采用圍壓為100 kPa 的蠕變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試驗(yàn)在不固結(jié)不排水條件下進(jìn)行，保持在恒溫橫式狀態(tài)下(15 ℃ ±2 ℃、相對(duì)濕度 70% ±5%)進(jìn)行［11］，施加的等差荷載分別為20、40、60、80、100 kPa，炭質(zhì)頁(yè)巖在不同偏應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變?cè)囼?yàn)曲線如圖2。

圖1 改進(jìn)的三軸蠕變實(shí)驗(yàn)儀

從圖2可以看出，該邊坡軟弱帶強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖可知其蠕變特征:蠕變性具有非線性特征;不同時(shí)間的等時(shí)曲線基本上不是一條直線，隨時(shí)間的推移，風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖應(yīng)變隨著時(shí)間的增加而變大，變形值也在增加。當(dāng)應(yīng)力水平小于閥值55 kPa 時(shí)，土體變形開始瞬時(shí)彈性變形階段，隨后土體的應(yīng)變速率逐漸減少，處于衰減穩(wěn)定階段，每一級(jí)偏應(yīng)力下該階段的變形在整個(gè)變形中占有很大比例，不可忽略。當(dāng)應(yīng)力水平大于55 kPa 時(shí)，出現(xiàn)了穩(wěn)定蠕變變形階段，該段特點(diǎn)是蠕變速率保持為一定值，蠕變曲線近似為斜率很小的直線。

圖2 不同偏壓力加載下蠕變曲線圖

2.2 炭質(zhì)頁(yè)巖改進(jìn)的西原蠕變模型

根據(jù)對(duì)軟弱夾層強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖的蠕變性質(zhì)分析結(jié)果，用虎克彈簧體描述彈性階段的變形，開爾文體描述衰減蠕變階段的變形，賓哈姆體描述穩(wěn)定蠕變階段的變形，采用串聯(lián)的方式將各元件連結(jié)在一起，以臨界應(yīng)力值為分界點(diǎn)，高低應(yīng)力水平下的蠕變曲線變形特點(diǎn)不一樣，并考慮蠕變的非線性［12］，擬采用傳統(tǒng)的西原模型［13］，運(yùn)用 MATLAB 軟件對(duì)試驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合分析，傳統(tǒng)的西原模型蠕變方程為:

傳統(tǒng)的西原蠕變模型中，低應(yīng)力水平階段涉及3 個(gè)參數(shù)，高應(yīng)力水平階段涉及4 個(gè)參數(shù)，σ0為臨界應(yīng)力值55 kPa，利用MATLAB 軟件自定義函數(shù)，擬合前將西原模型做適當(dāng)變換，令:A1=σ/E0，A2=σ/E1，A3=－E1/ η1，A4=(σ－σ0)/η0，從而西原模型轉(zhuǎn)化為式(2):

因傳統(tǒng)的西原蠕變模型只適合于描述巖體高于臨界應(yīng)力值的高應(yīng)力水平階段的蠕變變形，對(duì)于低應(yīng)力水平階段的強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)軟巖蠕變，其蠕變階段不明顯，假設(shè)低應(yīng)力水平階段，軟巖存在一個(gè)以0 為值的臨界應(yīng)力，增加賓哈姆體對(duì)西原模型進(jìn)行修正，修正的西原模型蠕變方程為:

利用MATLAB 軟件自定義函數(shù)功能，擬合前將修正的西原模型做適當(dāng)變換，二個(gè)式子均為ε(t)=A1+A2(1－eA3t)+A4t，只是 A4不同，高應(yīng)力水平階段 A4=(σ－σ0)/η0，低應(yīng)力水平階段 A4= σ/η0，擬合結(jié)果見圖3。

圖3 修正西原模型擬合曲線圖

從圖3可以看出，低應(yīng)力水平階段假設(shè)一個(gè)臨界應(yīng)力值，增加賓哈姆體后，擬合曲線和試驗(yàn)曲線在后期的重合度提高，能夠預(yù)測(cè)其蠕變變形。偏應(yīng)力20 kPa 時(shí)比傳統(tǒng)西原模型精度提高4.1%，偏應(yīng)力40 kPa 時(shí)比傳統(tǒng)西原模型精度提高2.2%，修正的西原模型擬合精度均值達(dá)到97.5%，說(shuō)明修正后的西原模型能夠描述強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖的不同應(yīng)力階段的蠕變變形。

3 強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖夾層邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 含軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性的強(qiáng)度折減法

目前邊坡穩(wěn)定性常采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)典強(qiáng)度折減法主要針對(duì)于均質(zhì)邊坡。對(duì)于非均質(zhì)邊坡，其邊坡穩(wěn)定性由優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面決定。本文在計(jì)算含軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性時(shí)，對(duì)強(qiáng)度折減法進(jìn)行改進(jìn)，即采用黏土介質(zhì)與炭質(zhì)頁(yè)巖強(qiáng)度參數(shù)同步折減的方法進(jìn)行計(jì)算，其改進(jìn)的折減方法為:

FLAC3D折減法計(jì)算程序中所包含的體積模量、剪切模量、泊松比、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)［14］，也需要相應(yīng)地折減，其參數(shù)轉(zhuǎn)化關(guān)系為:

根據(jù)排水試驗(yàn)測(cè)定黏性良好的砂礫黏聚力26 kPa、摩擦角32°;炭質(zhì)頁(yè)巖黏聚力20.0 kPa、內(nèi)摩擦角18°。通過(guò)使用有限差分法計(jì)算軟件FLAC3D，同步折減黏土介質(zhì)與炭質(zhì)頁(yè)巖的黏聚力與內(nèi)摩擦角即可得到整體邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)F =1.12，其計(jì)算結(jié)果與剛度極限平衡軟件Slide 結(jié)果(F =1.10)相差不大，說(shuō)明了非均質(zhì)邊坡強(qiáng)度折減法的可行性與正確性。

3.2 軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性分析

為研究軟弱夾層的特征對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律，建立如圖4所示的計(jì)算模型，其中計(jì)算模型長(zhǎng)為L(zhǎng)、坡高H、坡度β、軟弱夾層傾角α、厚度為d。為研究強(qiáng)風(fēng)化軟弱帶對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性的影響，固定L、H、β，通過(guò)計(jì)算可得出α(代表夾層帶的宏觀特征)、c 與φ(代表巖體力學(xué)性質(zhì))各參數(shù)與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的相關(guān)性如圖5～圖7。

圖4 邊坡計(jì)算模型示意圖

圖5 軟弱帶傾角α 與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系圖

圖6 軟弱帶內(nèi)摩擦角φ 與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系圖

圖7 軟弱帶黏聚力c 與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系圖

風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖因其蠕變性隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而進(jìn)一步劣化，研究軟弱帶形態(tài)及力學(xué)參數(shù)的變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析，有助于對(duì)邊坡安全性能的評(píng)價(jià)及治理。由圖5～圖7可知隨軟弱帶傾角的增大其邊坡整體穩(wěn)定性先減小后增大，呈開口向上的二次拋物線形狀，大約在45°時(shí)邊坡穩(wěn)定性最差;軟弱帶巖體力學(xué)參數(shù)與邊坡整體穩(wěn)定性基本呈正相關(guān)的關(guān)系，當(dāng)軟弱夾層炭質(zhì)頁(yè)巖力學(xué)參數(shù)降低時(shí)，邊坡整體穩(wěn)定性也隨之降低，說(shuō)明了炭質(zhì)頁(yè)巖蠕變性的存在將劣化夾層邊坡的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

G319 國(guó)道為湘西州的重要交通干道，一旦滑坡體沿滑動(dòng)面整體下滑，直接影響交通，并造成重大人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失及不良社會(huì)影響。國(guó)道沿線邊坡受地質(zhì)水文環(huán)境的影響，不良地質(zhì)多呈砂巖、炭質(zhì)泥巖及炭質(zhì)頁(yè)巖等并往往作為軟弱夾層存在于坡體中，具有較大的安全隱患，因此，對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)健評(píng)價(jià)，并考慮軟弱夾層的蠕變性，有利于對(duì)邊坡穩(wěn)定性的穩(wěn)控。通過(guò)對(duì)G319 國(guó)道某強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖蠕變性質(zhì)及夾層邊坡穩(wěn)定性研究，主要有以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)炭質(zhì)頁(yè)巖屬于膨脹性軟巖，水理性強(qiáng)，易崩解，受環(huán)境影響較大。其蠕變性對(duì)工程性質(zhì)制約明顯，傳統(tǒng)的西原蠕變模型只適合于描述高應(yīng)力水平階段的蠕變變形，對(duì)于低應(yīng)力水平階段的強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)軟巖蠕變，其蠕變階段的描述不明了。在低應(yīng)力水平階段，增加賓哈姆體對(duì)西原模型進(jìn)行改進(jìn)，即可修正的西原模型蠕變方程，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合可知其精度較好。

2)對(duì)于軟弱夾層的非均質(zhì)邊坡，其穩(wěn)定性系數(shù)也可采用基于強(qiáng)度折減理論的求解方法，本文采用有限差分法軟件FLAC3D的強(qiáng)度折減程序與基于極限平衡法的Slide 軟件計(jì)算數(shù)據(jù)相近，證明了非均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性強(qiáng)度折減法的可行性與正確性。

3)通過(guò)改變軟弱夾層的表征參數(shù)求解邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)，可得出軟弱夾層蠕變劣化下的邊坡安全性趨態(tài)，并為邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及響應(yīng)提供理論支撐。

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