含軟弱地層礦體穩(wěn)定性的影響因素分析

余 浩

（廣東省地質(zhì)局第三地質(zhì)大隊(duì)，廣東 韶關(guān) 512026）

軟弱夾層是具有強(qiáng)度低和彈性模量低的一種軟弱結(jié)構(gòu)層，巖質(zhì)邊坡在內(nèi)力和外力的作用下通常沿著軟弱夾層出現(xiàn)滑動(dòng)[1]。

近年來，由軟弱夾層引起的滑坡，給社會(huì)造成了重大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，比如2003 年發(fā)生的千將坪滑坡，滑體巨大，約2.4×107m3滑體高速滑入青干河中，造成了大量的人員傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失近6000 萬[2]。目前在露天礦生產(chǎn)、公路交通工程、鐵路交通工程和水利水電工程建設(shè)中，含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡的邊坡穩(wěn)定性問題已經(jīng)成為這些行業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)問題。研究含軟弱夾層引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害問題，對(duì)保證人民生命安全生產(chǎn)有著重要的意義。因此，本文采用phase 有限元數(shù)值模擬方法對(duì)含軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行了研究。

1 含軟弱夾層邊坡影響因素分析

1.1 軟弱夾層邊坡有限元分析

常見的軟弱夾層邊坡可分為水平軟弱夾層邊坡、順傾軟弱夾層邊坡及反傾軟弱夾層邊坡。本文邊坡模型如圖1 所示，為經(jīng)典邊坡模型，為國內(nèi)外眾多學(xué)者采用進(jìn)行穩(wěn)定性研究。

邊坡底部的邊界條件采用固定邊界，左右兩側(cè)邊界采用水平向固定，豎向自由的類似滑動(dòng)支座的約束邊界，材料參數(shù)如下表1 所示。

圖1 不同類似邊坡模型及網(wǎng)格劃分

表1 含軟弱夾層邊坡的材料參數(shù)

1.2 軟弱夾層厚度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

模型中軟弱夾層位于邊坡中部，軟弱夾層厚度分別為1.0m，2.0m，3.0m，4.0m，6.0m，8.0m，10.0m，共計(jì)7 個(gè)模型。

作出不同軟弱夾層厚度變化下三種邊坡安全系數(shù)變化趨勢(shì)，如圖2（a）所示，發(fā)現(xiàn)隨著軟弱夾層厚度的增大，三種軟弱夾層巖質(zhì)邊坡安全性均逐漸降低，且水平軟弱夾層邊坡安全性略高于另兩種邊坡。

1.3 軟弱夾層位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

模型中軟弱夾層厚度2.0m，軟弱夾層位置發(fā)生變化，分別距離邊坡坡腳水平線0.0m，5.0m，10.0m，15.0m，20.0m，共計(jì)5 個(gè)模型。需要注意的是，由于邊坡尺寸的限制，順傾軟弱夾層距離坡腳20m 時(shí)已延伸出坡頂，因此忽略此種工況。作出不同軟弱夾層位置變化下三種邊坡安全系數(shù)變化趨勢(shì)，如圖2（b）所示，發(fā)現(xiàn)隨著軟弱夾層位置逐漸向上抬升，三種軟弱夾層巖質(zhì)邊坡安全性均逐漸升高，表明軟弱夾層越接近坡腳，發(fā)生破壞的可能性越大。同時(shí)，由于邊坡結(jié)構(gòu)上的差異，隨著軟弱夾層位置變化，三種軟弱夾層巖質(zhì)邊坡安全性大小基本排序?yàn)榉磧A軟弱夾層邊坡＞水平軟弱夾層邊坡＞順傾軟弱夾層邊坡，表明順傾軟弱夾層邊坡對(duì)邊坡位置的改變更為敏感，沿順傾軟弱夾層邊坡失穩(wěn)的可能性較大。

圖2 邊坡安全系數(shù)與不同抗剪強(qiáng)度之間關(guān)系曲線圖

1.4 軟弱夾層傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

模型中軟弱夾層厚度為2.0m，軟弱夾層位于邊坡中間位置固定不變，軟弱夾層傾角分別為5°，15°，25°，35°，45°，共計(jì)5 個(gè)模型。需要注意的是，水平軟弱夾層沒有傾角，且由于邊坡尺寸的限制，順傾軟弱夾層傾角為45°已延伸出坡頂，因此忽略此種工況。作出不同軟弱夾層傾角變化下二種邊坡安全系數(shù)變化趨勢(shì)，如圖2（c）所示，發(fā)現(xiàn)隨著順傾軟弱夾層傾角的變化，順傾軟弱夾層邊坡安全性在傾角變化時(shí)基本保持平穩(wěn)，反傾層狀巖質(zhì)邊坡邊坡安全性呈現(xiàn)出逐漸減小，后突然增大的趨勢(shì)，在傾角為25°時(shí)安全系數(shù)最低。順傾軟弱夾層邊坡安全性始終大于反傾軟弱夾層邊坡，表明反傾軟弱夾層邊坡對(duì)軟弱夾層傾角變化更為敏感。

1.5 軟弱夾層抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為研究坡體材料抗剪強(qiáng)度對(duì)水平軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性影響，對(duì)具有不同抗剪強(qiáng)度的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。在此設(shè)置14 個(gè)工況，前7 個(gè)工況用于研究粘聚力變化對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，粘聚力分別為1kPa，5kPa，15kPa，25kPa，35kPa，45kPa，55kPa，保證內(nèi)摩擦角為30°不變；后7 個(gè)工況用于研究?jī)?nèi)摩擦角變化對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，內(nèi)摩擦角分別為10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，保證粘聚力為10kPa 不變。

圖3 邊坡安全系數(shù)與不同抗剪強(qiáng)度之間關(guān)系曲線圖

各模型中軟弱夾層厚度2.0m，軟弱夾層位于邊坡中間位置固定不變，除水平軟弱夾層沒有傾角外，其余兩種軟弱夾層傾角為25°。為便于客觀尋找邊坡安全系數(shù)與不同抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，根據(jù)表所得結(jié)果作內(nèi)摩擦角-安全系數(shù)折線圖以及粘聚力-安全系數(shù)折線圖，如圖3 所示。由圖3 可知，隨著內(nèi)摩擦角或者粘聚力的增加，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)，但超過一定數(shù)值后略有下降。

2 結(jié)論

本文分別對(duì)常見的水平軟弱夾層邊坡，順傾軟弱夾層邊坡，反傾軟弱夾層邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析及影響因素研究。發(fā)現(xiàn)三種軟弱夾層巖質(zhì)邊坡安全性隨著軟弱夾層厚度增大而降低；隨著軟弱夾層位置逐漸向上抬升，三種軟弱夾層巖質(zhì)邊坡安全性均逐漸升高，表明軟弱夾層越接近坡腳，發(fā)生破壞的可能性越大；隨著順傾軟弱夾層傾角的變化，順傾層狀巖質(zhì)邊坡邊坡安全性隨傾角基本平穩(wěn)，而反傾層狀巖質(zhì)邊坡邊坡安全性呈現(xiàn)出逐漸減小，后突然增大的趨勢(shì)，在傾角為25°時(shí)安全系數(shù)最低；隨著內(nèi)摩擦角或者粘聚力的增加，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)，但超過一定數(shù)值后略有下降。