含軟弱夾層巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

龔嘯

(湖南省高速公路集團(tuán)有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410022)

軟弱夾層是夾在相對(duì)堅(jiān)硬巖(土)層中的強(qiáng)度較低的巖(土)層，一般呈層狀，其物理力學(xué)性質(zhì)弱，遇水易軟化或泥化，抗剪強(qiáng)度降低，不利于結(jié)構(gòu)體的抗滑穩(wěn)定，特別是連續(xù)、傾角小于30°的軟弱夾層對(duì)結(jié)構(gòu)體更為不利。針對(duì)含軟弱夾層邊坡，Grgiggs D.通過(guò)變形試驗(yàn)對(duì)軟弱夾層進(jìn)行了研究；王來(lái)貴等分析了含軟弱結(jié)構(gòu)面巖石的變形破壞過(guò)程，對(duì)巖石的滑動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了闡述，分析了沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；米海珍等對(duì)含紅層軟巖的邊坡進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定性影響因素為坡度、荷載及降雨等；王建國(guó)等通過(guò)分析邊坡軟弱夾層的力學(xué)特性，對(duì)含軟弱結(jié)構(gòu)面的礦山軟巖邊坡穩(wěn)定性研究方法進(jìn)行了闡述；解聯(lián)庫(kù)等采用RFPA有限元軟件對(duì)含軟弱結(jié)構(gòu)面的順層邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；王振偉通過(guò)分析邊坡中軟弱結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性，總結(jié)了礦山軟巖邊坡穩(wěn)定性的研究方法；趙凱等基于顆粒流法，通過(guò)構(gòu)建不同分布含軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡，分析軟弱結(jié)構(gòu)面幾何分布對(duì)邊坡穩(wěn)定性及破壞模式的影響，結(jié)果表明分布深度越淺，邊坡穩(wěn)定性越差，隨著深度的增加，其對(duì)邊坡的影響越來(lái)越小。影響邊坡穩(wěn)定性的因素有很多，該文結(jié)合實(shí)際邊坡工程，根據(jù)邊坡地質(zhì)、水文特點(diǎn)及實(shí)際工況對(duì)軟弱夾層高邊坡穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析。

1 影響因素分析

邊坡巖體中一般會(huì)存在明顯的地質(zhì)界面，包括節(jié)理裂隙、斷層及層面等。由于這些軟弱面的存在，巖體在空間上會(huì)存在不連續(xù)性。有學(xué)者把巖體稱為結(jié)構(gòu)體，把地質(zhì)中不連續(xù)面稱為結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面切割出來(lái)的巖塊稱為結(jié)構(gòu)體。研究表明邊坡中軟弱結(jié)構(gòu)面是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。

(1) 層狀?yuàn)A層厚度。在荷載及外在環(huán)境作用時(shí)，不同夾層厚度對(duì)邊坡穩(wěn)定性具有不同的影響。這是由于軟弱結(jié)構(gòu)面自身的性質(zhì)，經(jīng)過(guò)不同厚度的軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，荷載的傳遞會(huì)發(fā)生不同程度的增強(qiáng)或衰減。

(2) 層狀軟弱結(jié)構(gòu)面傾角。軟弱結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀直接影響邊坡的破壞形式，在荷載及外在環(huán)境作用下，順傾向軟弱結(jié)構(gòu)面上部坡體可能會(huì)因?yàn)榻佑|面的下滑力大于摩擦力發(fā)生順層滑移破壞；反傾向軟弱結(jié)構(gòu)面可能會(huì)形成貫通破裂面，在破裂面與坡面的交界處可能發(fā)生崩塌、落石等破壞。

(3) 層狀軟弱結(jié)構(gòu)面埋深。在荷載及外在環(huán)境作用下，軟弱結(jié)構(gòu)面周邊巖體會(huì)最先受到影響，軟弱結(jié)構(gòu)面的埋深決定邊坡失穩(wěn)破壞的位置。順層邊坡是在形成貫通型滑面后，上部滑體下滑力大于滑面阻力而發(fā)生滑移形成的，而下滑力大小主要由上部滑體重力決定，若形成的滑面較深，形成的滑體相應(yīng)較大，在接觸面阻力不變的情況下，邊坡更易發(fā)生失穩(wěn)破壞。軟弱結(jié)構(gòu)面埋深越大，形成的滑體越大，滑移后造成的災(zāi)害也越嚴(yán)重。

(4) 非層狀結(jié)構(gòu)面。非層狀結(jié)構(gòu)面包括斷層、節(jié)理、裂隙等構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，這些因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在：1) 規(guī)模很大的節(jié)理、走向斷層通常會(huì)成為邊坡滑動(dòng)的邊界裂縫，且這些裂縫會(huì)成為降雨及地表水下滲通道，進(jìn)而加速軟弱結(jié)構(gòu)面的軟化和泥化。2) 傾向邊坡坡外的節(jié)理裂隙、走向斷層一般會(huì)成為邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)的剪出口。3) 對(duì)于節(jié)理裂隙非常發(fā)育的邊坡，邊坡性質(zhì)發(fā)生了本質(zhì)改變，層狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)的巖體邊坡被節(jié)理裂隙切割成非常破碎的散體結(jié)構(gòu)，邊坡失穩(wěn)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂?jié)理裂隙面影響的圓弧形滑動(dòng)破壞。

2 工程概況

湘西龍永(龍山—永順)高速公路沿線邊坡坡面的斷面形式主要分為臺(tái)階形、折線形(分為上陡下緩和上緩下陡2種形式)、直線形(一坡到底)3種，考慮高度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，3級(jí)以上高邊坡一般設(shè)計(jì)為臺(tái)階形，平臺(tái)寬度為1.5～2 m。該項(xiàng)目15標(biāo)合同段K57+030—073左側(cè)有一近60 m路塹高邊坡，最大挖方高度56.96 m，平均挖方高度32 m。各級(jí)坡率及平臺(tái)寬度見(jiàn)表1。

表1 K57+030—073邊坡坡率

注：平臺(tái)寬度為2.0 m。

邊坡主體由泥質(zhì)頁(yè)巖及灰?guī)r構(gòu)成，開(kāi)挖后整體穩(wěn)定性較好，現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)明顯開(kāi)裂和落石現(xiàn)象。邊坡地質(zhì)剖面及現(xiàn)場(chǎng)施工情況見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 邊坡地質(zhì)剖面圖

圖2 邊坡現(xiàn)場(chǎng)施工圖

3 軟弱夾層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

3.1 模型網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與預(yù)設(shè)計(jì)算模型有較大關(guān)系。計(jì)算域如果太小，計(jì)算精度和準(zhǔn)確性會(huì)降低；計(jì)算域太大，單元?jiǎng)澐謺?huì)增多，受計(jì)算機(jī)運(yùn)算水平的影響計(jì)算過(guò)程會(huì)十分困難且漫長(zhǎng)，計(jì)算效率降低。因此，恰當(dāng)選取計(jì)算域，既可保證計(jì)算工作的順利進(jìn)行，又能確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。以上述邊坡為原型，建立長(zhǎng)×寬=156.52 m×81.4 m的數(shù)值模型(見(jiàn)圖3)。

圖3 典型邊坡概化圖(單位：m)

根據(jù)泥質(zhì)頁(yè)巖中是否含有軟弱夾層，采用有限元軟件MIDAS/GTS分別建立不含、含軟弱夾層邊坡模型，其中不含軟弱夾層邊坡模型包含1 028個(gè)單元，含軟弱夾層邊坡模型包含1 043個(gè)單元(見(jiàn)圖4、圖5)。不同土層之間不需作特別處理，只要將土層之間的交界面定為網(wǎng)格交界面，然后對(duì)不同網(wǎng)格進(jìn)行定義即可。MIDAS/GTS中接觸單元屬性默認(rèn)采用摩爾-庫(kù)侖接觸(實(shí)質(zhì)等同于摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則)，故在建模理解時(shí)，將接觸單元理解成為一個(gè)實(shí)體(或面單元)，這個(gè)單元的應(yīng)力、應(yīng)變特點(diǎn)和摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則一樣。

圖4 不含軟弱夾層的模型

圖5 含軟弱夾層的模型

由于邊坡擾動(dòng)的影響范圍有限，故邊坡遠(yuǎn)端土體的位移較小，可將模型邊界位置的位移視為零。邊坡模型邊界采取位移約束，下部節(jié)點(diǎn)采用水平、豎直兩個(gè)方向的約束，左右兩端采用水平約束。

3.2 不含軟弱結(jié)構(gòu)層邊坡的穩(wěn)定性分析

在MIDAS/GTS NX中各地層均采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模擬，參考相關(guān)研究成果，通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)得出各土體容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角(見(jiàn)表2)。

表2 土體的基本參數(shù)

采用強(qiáng)度折減法求得不含軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡在自然工況下的安全系數(shù)為1.275，其中剪應(yīng)變、塑性區(qū)及水平和豎向位移見(jiàn)圖6～9。

由圖6～9可知：1) 不含軟弱夾層邊坡的安全系數(shù)為1.275，大于邊坡規(guī)范中安全系數(shù)允許值1.20，表明邊坡在自然工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)。強(qiáng)度折減法計(jì)算的潛在滑移面貫通坡頂與坡腳，最大等效塑性應(yīng)變?cè)谄履_位置，并沿著滑移面的滑移路徑塑性應(yīng)變逐漸增大，塑性區(qū)從邊坡內(nèi)部開(kāi)始發(fā)展，隨著強(qiáng)度參數(shù)的不斷折減，逐漸貫通到坡腳位置形成滑移面。2) 在泥質(zhì)頁(yè)巖的左上角、泥質(zhì)灰?guī)r的中間位置及坡腳位置形成塑性區(qū)，與潛在滑移面大致一致。加固時(shí)需針對(duì)這些塑性區(qū)位置進(jìn)行加強(qiáng)。3) 折減后邊坡發(fā)生的最大水平位移集中在2級(jí)臺(tái)階坡面位置，最大水平位移為0.167 m；最大豎向位移發(fā)生在邊坡滑塊后緣最后一級(jí)臺(tái)階處，最大豎向位移為0.072 m。水平位移從坡腰開(kāi)始發(fā)展，逐漸發(fā)展到坡腳位置，在不同時(shí)期需加固的位置不一樣，可考慮根據(jù)不同位移變形值對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性判斷并采取對(duì)應(yīng)加固措施。

圖6 不含軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡的剪應(yīng)變?cè)茍D(單位：kN·m)

圖7 不含軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡的塑性區(qū)變化

圖8 不含軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡的水平向位移云圖(單位：m)

圖9 不含軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡的豎向位移云圖(單位：m)

3.3 含軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡的穩(wěn)定性分析

主體采用摩爾-庫(kù)倫單元模型；軟弱夾層埋深為8.41 m，傾角順坡向10°，層厚1.5 m，采用軟蠕變單元模型(MIDAS/GTS NX軟件本構(gòu))。由室內(nèi)土工試驗(yàn)得出軟弱夾層的基本參數(shù)如下：容重為15.9 kN/m3，黏聚力為22.37 kPa，內(nèi)摩擦角為19.02°，彈性模量為6.0×105kPa。其他土體的基本參數(shù)見(jiàn)表2。

采用強(qiáng)度折減法求得含軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡在自然工況下的安全系數(shù)為1.252，其中剪應(yīng)變、塑性區(qū)及水平和豎向位移見(jiàn)圖10～13。

圖10 含軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡的剪應(yīng)變?cè)茍D(單位：kN·m)

圖11 含軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡的塑性區(qū)變化

圖12 含軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡的水平方向位移云圖(單位：m)

圖13 含軟弱結(jié)構(gòu)面邊坡的豎直方向位移云圖(單位：m)

由圖10～13可知：1) 自然工況下，含軟弱夾層邊坡的安全系數(shù)為1.252，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。折減后的潛在滑移面貫通坡頂與坡腳，最大等效塑性應(yīng)變出現(xiàn)在坡腳、軟弱面與坡面相交位置。含軟弱夾層的模型會(huì)形成兩個(gè)潛在滑移面，滑舌分別位于坡腳與軟弱層露出位置，需對(duì)這兩處分別進(jìn)行加固處理才能阻止?jié)撛诿婊瑒?dòng)，使邊坡更安全。2) 塑性區(qū)發(fā)展位于泥質(zhì)灰?guī)r的左上角及潛在滑移面滑動(dòng)區(qū)域。塑性區(qū)從軟弱層位置開(kāi)始發(fā)展，逐漸貫通至坡腳，將原來(lái)的軟弱層滑動(dòng)面增加為含有坡腳的雙潛在滑動(dòng)面。3) 折減后邊坡發(fā)生的最大水平位移集中在軟弱層與坡面相交位置，最大水平位移為0.174 m；最大豎向位移發(fā)生在邊坡滑塊后緣最后一級(jí)臺(tái)階處，最大豎向位移為0.083 m。水平位移從坡腰軟弱層開(kāi)始逐漸發(fā)展到坡腳位置；豎向位移一直在滑坡后緣位置向滑動(dòng)面發(fā)展，在不同時(shí)期需加固的位置不一樣，可考慮根據(jù)不同位移變形值對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性判斷。

3.4 軟弱夾層幾何分布對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

3.4.1 軟弱夾層順傾向的影響

參考圖3，構(gòu)建不同埋深、不同傾角下邊坡模型，得出其安全系數(shù)，分析軟弱夾層埋深及傾角對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同埋深及傾角下安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表3可知：1) 同一傾角下，邊坡安全系數(shù)隨著埋深的增加先減小后增加，30 m埋深時(shí)最小。原因是30 m埋深時(shí)露出面剛好在坡腳位置。2) 同一埋深下，邊坡安全系數(shù)隨著傾角的增大而減小。30 m埋深、20°傾角下安全系數(shù)最小，為1.054。

3.4.2 軟弱夾層反傾向

參考圖3，構(gòu)建不同埋深、不同反傾傾角下邊坡模型，計(jì)算其安全系數(shù)，分析軟弱夾層埋深及反傾傾角對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知：1) 同一反傾傾角下，邊坡安全系數(shù)隨著埋深的增加先增大后減小，30 m埋深下安全系數(shù)最大，超過(guò)30°后安全系數(shù)減小，總體來(lái)說(shuō)反傾傾角下安全系數(shù)比順坡傾斜時(shí)大。這是因?yàn)闈撛诨瑒?dòng)面與30°的反傾傾角垂直，該角度能有效增大邊坡的穩(wěn)定性。2) 同一埋深下，邊坡安全系數(shù)隨著反傾傾角的增大而增大；30 m埋深下安全系數(shù)最大，為2.437。3) 軟弱夾層為反傾傾角的邊坡，安全系數(shù)均大于1.2，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表4 不同埋深及反傾傾角下安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 不含軟弱夾層邊坡的安全系數(shù)為1.275，含軟弱夾層邊坡的安全系數(shù)為1.252，軟弱夾層的存在略微降低了邊坡的安全系數(shù)；不含軟弱夾層邊坡僅有一處貫穿坡頂與坡腳的潛在滑動(dòng)面，含軟弱夾層邊坡存在貫穿坡頂與坡腳、貫穿坡頂與軟弱夾層兩處潛在滑動(dòng)面。

(2) 軟弱夾層順傾時(shí)，同一埋深下，邊坡安全系數(shù)隨傾角的增大而減?。煌粠r層傾角下，安全系數(shù)隨軟弱夾層埋深的增加先減小后增大。軟弱夾層反傾時(shí)，同一埋深下，邊坡安全系數(shù)隨著傾角的增大而增大；同一巖層傾角下，安全系數(shù)隨軟弱夾層埋深的增加先增大后減小。