炭質(zhì)頁巖軟弱夾層路塹邊坡穩(wěn)定性分析

劉新喜, 戴毅, 陳向陽, 徐澤佩

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炭質(zhì)頁巖軟弱夾層路塹邊坡穩(wěn)定性分析

劉新喜, 戴毅, 陳向陽, 徐澤佩

(長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院, 湖南長沙, 410004)

炭質(zhì)頁巖遇水軟化易崩解, 且強度低, 作為夾層其軟化特性對邊坡穩(wěn)定性有重要影響。通過室內(nèi)試驗研究了炭質(zhì)頁巖物理力學(xué)性質(zhì), 運用Ansys建模, 并將模型導(dǎo)入有限差分軟件FLAC 3D, 對炭質(zhì)頁巖夾層水軟化下的邊坡穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬。重點分析了炭質(zhì)頁巖水軟化下邊坡塑性區(qū)分布、邊坡最大位移及安全系數(shù)變化規(guī)律。結(jié)果表明: 隨著炭質(zhì)頁巖剪切面含水量的增大, 路塹邊坡穩(wěn)定性隨之降低; 對于坡比為1∶1的炭質(zhì)頁巖路塹邊坡, 當炭質(zhì)頁巖剪切面含水量達到10%時, 邊坡失穩(wěn)。

炭質(zhì)頁巖; 夾層; 穩(wěn)定性分析; 水軟化; 路塹邊坡

廣西宜州至六寨高速公路沿線地質(zhì)條件復(fù)雜, 沿線不良地質(zhì)條件為炭質(zhì)頁巖夾層地質(zhì)。由于炭質(zhì)頁巖易風(fēng)化、遇水軟化等特點, 使得含有炭質(zhì)頁巖軟弱夾層路塹邊坡開挖易發(fā)生失穩(wěn)。學(xué)者們從不同角度開展了軟巖邊坡穩(wěn)定性研究, 取得了許多成果。劉新喜等[1]開展了降雨入滲對炭質(zhì)頁巖邊坡穩(wěn)定性的影響研究。陳曉平等[2]針對泥質(zhì)軟巖高邊坡, 對邊坡在天然狀態(tài)、殘余強度狀態(tài)、濕化狀態(tài)下進行了整體穩(wěn)定性分析, 表示泥質(zhì)軟巖邊坡設(shè)計與分析必須考慮水的入滲所導(dǎo)致土體強度的衰減。楊天鴻等[3]研究了炭質(zhì)泥巖泥化夾層的流變特性及其長期強度, 并建立了適合弱層流變特性的流變力學(xué)模型。施錫林[4]對不同濃度鹵水浸泡下各類含鹽率泥巖夾層試樣的抗拉強度弱化的影響規(guī)律進行了研究。周翠英等[5]對華南地區(qū)在不同飽水狀態(tài)下紅色砂巖、炭質(zhì)泥巖進行實驗和力學(xué)性質(zhì)測試, 重點探討了軟巖軟化的力學(xué)規(guī)律性。唐明明等[6]對比分析了含泥巖夾層鹽巖、純鹽巖、純泥巖3種巖樣的應(yīng)變和破壞特征, 得出泥巖夾層的存在對鹽巖試件的力學(xué)性質(zhì)有很大影響, 泥巖夾層的情況決定了含夾層鹽巖的破壞形式。左巍然等[7]對炭質(zhì)頁巖夾層的蠕變變形規(guī)律進行了研究, 同時對邊坡穩(wěn)定性進行了單因素分析。劉長武[8]對泥巖在遇水條件下的崩解軟化機理進行了研究。從以上研究成果來看, 將水軟化作用與邊坡穩(wěn)定性聯(lián)系在一起的研究成果不多見。為此, 本文開展炭質(zhì)頁巖物理力學(xué)性能研究, 重點研究炭質(zhì)頁巖水軟化強度隨時間的變化及其對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 炭質(zhì)頁巖的物理力學(xué)性質(zhì)

1.1 礦物組成與成分分析

為了全面準確地掌握炭質(zhì)頁巖的物質(zhì)組成, 對炭質(zhì)頁巖進行化學(xué)組分全分析和礦物分析。試樣取自六寨至河池高速公路沿線K18+500、K20+400和K24+400三個工點。K18+500工點試樣的X射線衍射分析結(jié)果如圖1所示, 其中橫坐標表示衍射角度, 縱坐標表示衍射強度。依次做K20+400和K24+400工點試樣的X射線衍射分析, 得到炭質(zhì)頁巖化學(xué)成分組成分布如圖2所示。從圖2可以看出3個工點炭質(zhì)頁巖的化學(xué)成分基本相同, 含量最高的是SiO2, 其次是Al2O3和Fe2O3, 而K2O的含量較少。各工點試樣燒失量均超過10%。由化學(xué)成分可以大致推斷炭質(zhì)頁巖的礦物成分以石英為主, 其次是高嶺石和蒙脫石, 伊利石含量較少。

圖1 K18+500試樣X衍射分析

圖2 化學(xué)成分組成分布圖

1.2 水對炭質(zhì)頁巖強度的影響

將K18+500工點炭質(zhì)頁巖在室內(nèi)按土工試驗方法模擬實際3種工況(試驗樣品為重塑樣): (1) 天然干樣無水條件下剪切至破壞; (2) 天然干樣先浸后壓再剪切至破壞; (3) 天然干樣在不同垂直壓力下先壓固結(jié), 再浸水, 最后將其剪切至破壞。試驗結(jié)果見表1和圖3, 表1中, 黏聚力cu和內(nèi)摩擦角cu為采用固結(jié)不排水試驗所得的剪應(yīng)力強度指標。從表1和圖3可知, 干試件固結(jié)不排水抗剪強度較大, 但浸水后其值有較大幅度的降低。其中, 先浸水后固結(jié)試件的黏聚力下降了24%, 先固結(jié)后浸水試件的黏聚力下降達到65%, 說明炭質(zhì)頁巖強度受水影響較大。

表1 K18+500炭質(zhì)頁巖抗剪強度

圖3 K18+500剪切儀壓縮試驗結(jié)果

1.3 不同含水量炭質(zhì)頁巖軟弱結(jié)構(gòu)面強度試驗

為了研究炭質(zhì)頁巖軟弱結(jié)構(gòu)面不同含水量剪切強度的變化, 通過剪切試驗發(fā)現(xiàn), 隨著含水量的增加, 炭質(zhì)頁巖夾層強度參數(shù)值隨之降低(表2)。

表2 炭質(zhì)頁巖室內(nèi)試驗結(jié)果

2 模型

2.1 概化的工程地質(zhì)模型

廣西宜州至六寨高速公路某段路塹邊坡, 高度為30 m左右, 大部分為石灰?guī)r, 中間部分為厚度1.5～2.0 m的炭質(zhì)頁巖層。廣西地處亞熱帶季風(fēng)氣候, 雨水充沛, 雨水容易入滲使炭質(zhì)頁巖逐漸軟化, 隨著時間的推移其物理力學(xué)性能將發(fā)生改變, 造成上部巖體沿該面滑動從而引起工程滑坡。該坡體地下水類型主要為基巖孔隙水。地下水埋藏較深, 因此, 在邊坡穩(wěn)定性分析中不予考慮。邊坡模型如圖4所示。根據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)實驗, 得出炭質(zhì)頁巖在初始含水量為3.12%時的物理力學(xué)參數(shù)見表3。

圖4 邊坡模型(單位: m)

表3 邊坡巖體的物理力學(xué)參數(shù) 材料名稱密度/(kg·m-3)彈性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°) 石灰?guī)r2 64010 0000.261 00029.0 炭質(zhì)頁巖2 085 2800.32181.521.4

2.2 單元網(wǎng)格的劃分

單元網(wǎng)格的劃分采用三維空間應(yīng)變有限元模型, 網(wǎng)格密度的控制采用長度來劃分, 本文網(wǎng)格劃分時定義單元線段的長度為1 m。圖5所示為FLAC 3D計算模型, 圖中淺色部分1為石灰?guī)r, 深色部分2為炭質(zhì)頁巖。一共有6 275個單元, 8352個節(jié)點。采用較常用的彈塑性模型, 屈服準則為Mohr-Coulomb準則。

圖5 邊坡網(wǎng)格劃分

2.3 計算原理

強度折減法[9–10]的優(yōu)點是不需要事先假設(shè)滑裂面的形式和位置, 安全系數(shù)可以直接求出, 另外還可以考慮邊坡漸進破壞的過程。在彈塑性計算中將巖土體的強度參數(shù)逐漸降到巖土工程臨界破壞狀態(tài), 程序可以自動地根據(jù)彈塑性計算結(jié)果得出滑動破壞面和邊坡的折減系數(shù)。折減系數(shù)為巖土工程強度儲備安全系數(shù)s。若邊坡采用Mohr-Coulomb準則, 影響穩(wěn)定性的強度參數(shù)是黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角, 其儲備值分別為:s=/s;s= arctan(tan/s).

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 炭質(zhì)頁巖水軟化下邊坡塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律

為了清楚地觀察潛在破壞區(qū)域的范圍以便分析邊坡塑性區(qū)發(fā)展變化規(guī)律, 本文只觀察炭質(zhì)頁巖夾層區(qū)域中正位于屈服面上或者說正處于破壞狀態(tài)時的塑性區(qū)域。利用FLAC 3D進行數(shù)值分析得到不同含水量的邊坡塑性區(qū)分布如圖6所示。

圖6 不同含水量下的邊坡塑性區(qū)分布

從圖6可以看出塑性區(qū)主要分布于炭質(zhì)頁巖夾層處。當含水量為3.12%(圖6(a))時邊坡塑性區(qū)很小, 只有夾層頂部出現(xiàn)拉伸塑性區(qū)域; 當含水量達到5.03%(圖6(b))時出現(xiàn)剪切塑性屈服區(qū), 之后塑性區(qū)面積明顯增大; 當含水量為9.05%(圖6(e))時, 塑性區(qū)發(fā)展到炭質(zhì)頁巖夾層底部, 塑性區(qū)面積迅速增大, 但還未完全貫通; 當含水量為10.46%(圖6(f))時, 炭質(zhì)頁巖夾層塑性區(qū)貫通。因此, 隨著含水量的增加, 邊坡塑性區(qū)域慢慢擴大并最終貫通, 從而引發(fā)工程滑坡。

3.2 炭質(zhì)頁巖水軟化下邊坡位移云圖及最大位移值

為了對比分析, 利用FLAC 3D得到不同含水量下邊坡的位移云圖如圖7所示, 炭質(zhì)頁巖軟化下邊坡位移最大值變化規(guī)律如圖8所示。質(zhì)點運動方向與坐標軸正方向一致時為正, 反之為負。本文所考慮的是對邊坡狀態(tài)不利的情況, 因此對位移取絕對值進行分析。

從圖8可以看出, 炭質(zhì)頁巖含水量在3.12%～6.11%之間時, 邊坡位移值增長比較緩慢, 在炭質(zhì)頁巖含水量達到6.11%后, 邊坡位移值增幅明顯增大, 隨著炭質(zhì)頁巖含水量的增加, 邊坡的,方向及整體最大位移值快速增長。

圖8 不同含水量下位移的最大值變化曲線

3.3 炭質(zhì)頁巖含水量對邊坡穩(wěn)定性的影響

為了研究炭質(zhì)頁巖水軟化下對邊坡穩(wěn)定性的影響, 采用強度折減法對炭質(zhì)頁巖在不同含水量下的邊坡穩(wěn)定性進行了計算, 結(jié)果見表4。

表4 不同含水量下邊坡安全系數(shù)

由表4可以看出, 隨著炭質(zhì)頁巖含水量增加, 邊坡安全系數(shù)不斷減小。若不及時采取措施, 隨著炭質(zhì)頁巖水軟化, 邊坡穩(wěn)定性將逐漸降低, 進而失穩(wěn)。

4 結(jié)論

炭質(zhì)頁巖的水軟化特性非常明顯。通過對強風(fēng)化炭質(zhì)頁巖浸水前后強度試驗發(fā)現(xiàn), 炭質(zhì)頁巖浸水后黏聚力較天然狀態(tài)降低24%; 隨著含水量的增加,炭質(zhì)頁巖軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強度也隨之降低。

炭質(zhì)頁巖軟弱夾層路塹邊坡的穩(wěn)定性隨軟弱夾層剪切面含水量的增加而降低。對于坡比1∶1的含有軟弱夾層的路塹邊坡, 當含水量大于9%時, 邊坡處于臨界狀態(tài), 含水量達到10%時邊坡失穩(wěn)。因此, 降雨入滲是炭質(zhì)頁巖軟弱夾層邊坡失穩(wěn)的主要誘因, 做好邊坡防排水是解決軟巖邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵。

參考文獻：

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(責任編校: 江河)

Stability analysis of cutting slope with carbonaceous shale weak interlayer

Liu Xinxi, Dai Yi, Chen Xiangyang, Xu Zepei

(School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China)

Carbonaceous shale has the characteristics such as the strength softening and the disintegration after meeting the water, its softening properties have a major impact on slope stability as interlayer. Physical-mechanical properties of carbonaceous shale is studied in this paper by laboratory test, numerical simulation is done for carbonaceous shale slope stability under the water softening by using Ansys to create model then import finite difference software FLAC 3D. The variation of plastic zone distribution of slope, maximum displacement and safety factor of slope are analyzed under carbonaceous shale water softening. The result shows that: The cutting slope stability decreases with the increase of the water content of carbonaceous shale shear plane; slope is instability when the water content of carbonaceous shale shear plane reaches 10% for carbonaceous shale cutting slope of slope ratio of 1:1.

carbonaceous shale; interlayer; stability analysis; water softening; cutting slope

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.04.015

U 416.1+4

1672–6146(2015)04–0069–06

劉新喜, liuxinxi1963@126.com。

2015–07–10

國家自然科學(xué)基金(51378082, 51374042)。