含斷續(xù)軟層順層邊坡穩(wěn)定性分析

趙琪亮

（惠東縣稔平原水有限公司，廣東 惠東516300）

1 引言

邊坡是一個復雜的系統(tǒng)，其穩(wěn)定性受到多個因素的影響。目前，許多的專家學者對邊坡穩(wěn)定性問題進行了研究。研究主要可分為兩個方面，理論計算和數(shù)值模擬研究。王騎虎[1]使用CEO-slope對甘肅地區(qū)紅層邊坡穩(wěn)定性進行分析，研究不同工況下邊坡的穩(wěn)定性情況，數(shù)值模擬結果與實際工程較為吻合。韓光[2]研究含有斷續(xù)節(jié)理的順層巖質邊坡的穩(wěn)定情況，分析了邊坡的邊坡破壞模式，推導出高程放大效應的質點公式。李朋麗[3]結合計算算法，編輯程序完成對陜西公路邊坡的穩(wěn)定性快速評價，取得了較好的使用效果。褚鉛波[4]使用FLAC軟件采用強度折減的方法對邊坡穩(wěn)定性進行分析，通過對比，F(xiàn)LAC軟件在進行邊坡穩(wěn)定性計算方面具有較好的適用性。唐棟[5]考慮了前期降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響機制。蔣水華等[6]研究施工期高邊坡的穩(wěn)定性情況，徐奴文等[7]考慮了微震工況下邊坡的穩(wěn)定性情況，張磊等[8]考慮潛蝕作用對邊坡穩(wěn)定性的影響。大量的學者對邊坡不同工況下的穩(wěn)定性情況進行了研究，取得了較好的情況。本文在前人研究的基礎上，結合惠東縣稔平半島供水工程局部邊坡實際情況，對含有斷續(xù)軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性進行研究。

2 斷續(xù)軟弱夾層力學特性研究

軟弱夾層是指強度較高巖體中間，強度較低的那一部分巖體，這部分巖體往往對邊坡的穩(wěn)定性起著控制性作用。強度低，易軟化是軟弱夾層的一個重要工程特性。斷續(xù)軟弱夾層即軟弱夾層不連續(xù)，在強度較高的巖體中間斷續(xù)出現(xiàn)且厚度也是變化的。軟弱夾層的力學性質主要可以分為3個方面：空間效應、形態(tài)效應、含水量效應。

（1）空間效應

空間效應可以分為兩個部分：位置和連續(xù)性。邊坡的破壞多沿著強度較低的面產(chǎn)生滑動，這在層狀巖體邊坡中最為常見，這些軟弱夾層一般是不完整的，在邊坡破壞時，不僅是沿著弱層滑動，也會將完整巖體剪斷破壞。軟弱夾層的空間位置和連續(xù)性將對邊坡的整體穩(wěn)定性及其破壞后的危害性起著決定性的控制作用。

（2）形態(tài)效應

軟弱夾層的形態(tài)效應主要是指其厚度。軟弱夾層的厚度在巖層中間不是均勻分布的，是有一定的起伏度的。一些軟弱夾層厚度較厚但一些則較薄。當軟弱夾層較薄時，抗剪強度參數(shù)主要受到結構面的控制，此時具有較高的摩擦系數(shù)和強度。當軟弱夾層較厚時，邊坡的穩(wěn)定性則受到軟弱夾層自身強度參數(shù)的控制。結構面充填物質越多，強度也會隨之減小就是這個原因。

（3）含水量效應

含水量是影響巖土體強度的一個重要因素。含水量的變化直接引起內(nèi)摩擦角和粘聚力的變化。已經(jīng)有大量的學者對這個問題進行了研究，結果表明：隨著含水量的增大，巖土體強度參數(shù)將會減小。

同時，軟弱夾層自身的礦物組成和結構面形態(tài)也是控制其強度的重要因素。

3 邊坡穩(wěn)定性研究

3.1 軟弱夾層連續(xù)性研究

軟弱夾層連續(xù)性可以考慮其面連續(xù)性和線連續(xù)性。在進行邊坡穩(wěn)定性計算時間，需要確定軟弱夾層的強度參數(shù)。軟弱夾層強度參數(shù)的確定需要綜合考慮，結構面內(nèi)部軟弱夾層的面連續(xù)度km和線連續(xù)度kl。面、線連續(xù)度的確定需要通過現(xiàn)場仔細的工程地質調(diào)查來確定，見圖1、圖2。

圖1 面連續(xù)度

圖2 線連續(xù)度

面連續(xù)度km和線連續(xù)度kl可以用下式計算：

式中:n為軟弱夾層總個數(shù)；ai為第i個軟弱夾層面積；b為統(tǒng)計面總面積。

式中:m為軟弱夾層總個數(shù)；lj為第j個軟弱夾層延伸長度；L為統(tǒng)計總線長。

3.2 坡體形態(tài)研究

邊坡形態(tài)和軟弱夾層位置對邊坡穩(wěn)定性具有較強的影響作用。當坡體形態(tài)與軟弱夾層空間分布位置已經(jīng)確定時，則可以確定不同位置軟弱夾層的摩擦力和下滑剪切力的差異性。這種差異性將對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生極大的影響。假設邊坡形態(tài)見圖3。

圖3 坡體形態(tài)

在坡頂位置，軟弱夾層以上巖體厚度為h1，在坡腳位置，軟弱夾層以上巖體厚度為h2。

不同位置的正應力σ可以通過下式確定：

式中:γ為上部巖土體重度；h為上部巖土體厚度；θ為巖土體傾角。

3.3 軟弱夾層抗剪強度研究

含軟弱夾層的邊坡失穩(wěn)滑面通常是沿著軟弱夾層內(nèi)部剪切滑移，或以軟弱夾層與巖層面的接觸部位剪切滑移。

通過室內(nèi)對軟弱夾層的剪切試驗，獲取抗剪切參數(shù)值，并進行現(xiàn)場大型剪切試驗，獲取軟弱夾層與巖層面接觸部位抗剪切參數(shù)值。當軟弱夾層的內(nèi)摩擦角φn小于巖層面與軟弱夾層之間的接觸摩擦角φj時，軟弱夾層的抗剪強度才代表結構面的抗剪強度；反之，剪切面產(chǎn)生于軟弱夾層和巖層面之間的接觸部位，見圖4。

圖4 剪切面位置圖（A.內(nèi)部剪切面；B.上部剪切面）

滿足上式（1），剪切面位于軟弱夾層內(nèi)部；當夾層和巖層層面之間不滿足上式（1），其滑面為上部巖體下層面與夾層接觸部位。通過對軟弱夾層現(xiàn)場取樣進行軟弱夾層室內(nèi)剪切試驗，獲取剪切面通過軟弱夾層內(nèi)部的抗剪參數(shù)；同時，進行現(xiàn)在大型剪切試驗，獲取軟弱夾層表面與巖層面接觸部位的抗剪參數(shù)。由式（2）證明，滑面位置為軟弱夾層的上表面與巖層面接觸部位，而并非軟弱夾層內(nèi)部剪切形成。試驗結論與探槽揭示的滑面位置一致。

3.4 邊坡穩(wěn)定性分析

順層巖質邊坡的破壞主要為沿著巖層層面產(chǎn)生滑動變形破壞，可以使用極限平衡法對邊坡穩(wěn)定性進行計算。

邊坡下滑力可以根據(jù)坡體形態(tài)采用分條計算：

式中:g為重力加速度；h為上部巖土體厚度；θ為巖土體傾角；l為滑動面長度；γ為上部巖土體重度。

當坡體內(nèi)部軟弱夾層的起伏度較大時或局部軟弱夾層充填厚度較薄時可以采用下式計算滑動面的抗滑力：

式中:g為重力加速度；h為上部巖土體厚度；θ為巖土體傾角；li為夾層段長度；γ為上部巖土體重度；lj為夾層段長度，n、m分別為夾層段總數(shù)和未充填段總數(shù)。

當坡體內(nèi)部軟弱夾層整體較為平整，則可將連續(xù)度帶入其中，計算抗滑力：

邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為抗滑力除以下滑力：

4 工程實例研究

惠東縣稔平半島供水工程局部存在部分巖質邊坡，邊坡上覆0.5 m～1.0 m第四系殘坡積層(Q4el+dl)，下伏強～中風化三疊系關嶺組(T2g3)泥質白云巖夾薄層狀泥巖。巖層產(chǎn)狀為5°∠20°，巖層厚度0.25 m～0.35 m不等，軟弱夾層厚度為0.02 m～0.03 m，含有 3組優(yōu)勢節(jié)理：27°∠76°，193°∠81°，319°∠86°，為順層巖質邊坡。

通過現(xiàn)場工程地質調(diào)查和現(xiàn)場剪切試驗，獲取軟層的連續(xù)度系數(shù)kl=0.503,km=0.511,k==0.507，獲得軟層邊坡的上部巖體重度γ=25.3 kN/m3，可以使用近似直線算法對邊坡穩(wěn)定性進行計算。

天然工況下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)η=1.19＞1.00，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)與實際工程情況較為符合。

5 結論

（1）對含有斷續(xù)軟層的邊坡穩(wěn)定性進行分析，軟弱夾層影響邊坡穩(wěn)定性的力學效應主要包括三個方面：空間效應、形態(tài)效應和含水量效應。

（2）研究了斷續(xù)軟弱夾層連續(xù)度的計算方法，主要包括線連續(xù)度和面連續(xù)度，以及綜合連續(xù)度的確定方法。

（3）以惠東縣供水工程實例為研究對象，使用本文介紹的研究方法對坡體穩(wěn)定性進行研究，計算結果與實際工程結果對比較為一致，說明本文介紹的方法具有一定的實際意義。