基于數(shù)值模擬的含軟弱夾層路塹邊坡穩(wěn)定性分析

顏赫YAN He

（廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司二廣分公司，廣州 510000）

0 引言

軟弱夾層一般為巖體中力學(xué)性質(zhì)較弱且具有一定厚度的軟弱結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)帶，其厚度相較于鄰近土層較為薄弱，遇水之后易崩解，力學(xué)強(qiáng)度和變形模量均較低。在內(nèi)外動(dòng)力作用下，坡體容易產(chǎn)生軟弱夾層的滑動(dòng)。隨著人類工程活動(dòng)的日益頻繁，全球已發(fā)生了多起含軟弱地層邊坡滑坡災(zāi)害，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成較大的損失。開展含軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性分析研究已成為巖土工程界的關(guān)鍵技術(shù)問題[1-2]，對(duì)預(yù)防滑坡災(zāi)害的發(fā)生具有重要的理論和實(shí)際意義。

目前，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者圍繞含軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行了深入研究，并取得了積極的進(jìn)展[3-5]。皮曉清等[6]基于有限元極限上限法，建立了含軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性分析非線性規(guī)劃模型，經(jīng)優(yōu)化求解后得到了不同軟弱夾層條件參數(shù)下的邊坡安全系數(shù)及破壞模式。李龍起等[7]通過開展大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，對(duì)降雨入滲條件下坡體內(nèi)部軟弱夾層泥化特征進(jìn)行研究，揭示了不同巖層傾角和支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下的坡體位移發(fā)展模式。范昊天等[8]以蘇州清明山滑坡為研究對(duì)象，采用顆粒流軟件對(duì)含有軟弱結(jié)構(gòu)面的邊坡開展動(dòng)態(tài)模擬分析，總結(jié)出了該滑坡的演化過程及破壞機(jī)理。

本文通過數(shù)值模擬分析，以某高速公路右側(cè)路塹邊坡為例，分別建立含有軟弱夾層和不含軟弱夾層的路塹邊坡計(jì)算模型，并依次對(duì)其展開坡體開挖、降雨條件的模擬工況，以此來研究軟弱夾層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度，為預(yù)防滑坡變形失穩(wěn)提供一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

某高速公路左幅一處二級(jí)路塹邊坡，最大坡高約15m，分級(jí)坡高8m，坡率為1:1，一、二級(jí)邊坡均采用人字形骨架+植草防護(hù)。邊坡所在區(qū)域?qū)偾鹆甑孛玻匦纹鸱黠@，植被較為發(fā)育，自然坡度多呈14°～25°，線路走向309°，邊坡坡向219°。據(jù)有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，該邊坡地層主要由坡殘積粉質(zhì)黏土、全～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖以及中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖所組成，其中，粉質(zhì)黏土與強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層間見多層軟弱夾層（泥灰?guī)r、泥巖），且?guī)r層順向坡。

在連續(xù)降雨期間，雨水沿孔隙向坡體內(nèi)部滲入，巖土體含水量增加且逐漸趨于飽和，致使軟弱夾層呈泥化流塑狀，抗滑力急劇減弱，加之上部覆蓋層容重增加，下滑力有所增大，因而造成了沿層間軟弱結(jié)構(gòu)帶的順層滑動(dòng)。

2 數(shù)值計(jì)算模型

為充分考慮軟弱夾層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響程度，選取具有一定代表性的剖面作為研究對(duì)象，分別建立了含有軟弱夾層與不含軟弱夾層的邊坡模型。其中，圖1為含有軟弱夾層的邊坡數(shù)值計(jì)算模型。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

基于控制精度、合理簡(jiǎn)化的原則，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)勘察資料，在原始地層條件的基礎(chǔ)上建立了長(zhǎng)215m，高度100m的數(shù)值計(jì)算模型。地層分布從上到下依次為粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，其中，軟弱夾層位于坡體內(nèi)粉質(zhì)黏土與強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖分界處，整體厚度為0.5～2.0m，長(zhǎng)度約30m。模型兩側(cè)采用水平零位移約束，底部采用雙向零位移約束，本構(gòu)模型采取了適用于巖土體的Mohr-Coulomb模型。不考慮其他巖體結(jié)構(gòu)面，在巖土力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)中充分考慮了地下水的影響和作用，相關(guān)巖土體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

該邊坡分別經(jīng)歷了一級(jí)開挖、二級(jí)開挖、連續(xù)降雨等歷時(shí)發(fā)展階段，在不同階段下坡體均表現(xiàn)出獨(dú)特的變形特性。因此，接下來將依次開展不同歷時(shí)階段下含有軟弱夾層與不含軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性對(duì)比分析，探討軟弱夾層對(duì)邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的影響程度。

3.1 最大剪應(yīng)變發(fā)展

圖2、圖3分別顯示了不含軟弱夾層以及含有軟弱夾層邊坡的最大剪應(yīng)變?cè)茍D。

圖2 不含軟弱夾層邊坡最大剪應(yīng)變?cè)茍D

圖3 含軟弱夾層邊坡最大剪應(yīng)變?cè)茍D

觀察不含軟弱夾層邊坡最大剪應(yīng)變?cè)茍D，可以發(fā)現(xiàn)，一級(jí)開挖后，由于應(yīng)力松弛作用，一級(jí)坡腳處出現(xiàn)局部剪切變形；二級(jí)開挖后，坡腳處變形范圍小幅增大，同時(shí)坡體內(nèi)沿覆蓋層底部出現(xiàn)局部剪切變形；在連續(xù)降雨作用下，剪切變形區(qū)域有所擴(kuò)展，但并未出現(xiàn)剪切貫通，邊坡尚未達(dá)到滑移破壞階段。

觀察含有軟弱夾層邊坡最大剪應(yīng)變?cè)茍D，可以發(fā)現(xiàn)，一級(jí)開挖后，除了一級(jí)坡腳處出現(xiàn)變形外，坡體內(nèi)部的軟弱夾層也出現(xiàn)部分剪切變形；二級(jí)開挖后，軟弱夾層的剪切變形程度有所增大，變形區(qū)域向坡頂處延伸；在連續(xù)降雨作用下，軟弱夾層的變形幅度進(jìn)一步增大，剪切變形帶完全貫通，致使整個(gè)滑坡體從坡頂處張拉錯(cuò)開，并沿其內(nèi)部軟弱夾層向坡腳處剪切擠出。

由此可見，軟弱夾層的存在明顯增大了滑坡災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)程度，造成了沿層間軟弱結(jié)構(gòu)帶的順層滑動(dòng)。除此之外，開挖卸荷后造成坡面應(yīng)力松弛，坡體下部支撐力減少，增大了滑坡發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)；而連續(xù)降雨作用造成坡體內(nèi)巖土體含水量增加，軟弱夾層逐漸趨于飽和，巖土體力學(xué)強(qiáng)度降低，呈現(xiàn)出流塑泥化狀態(tài)，為形成坡體滑移路徑創(chuàng)造了條件。

3.2 邊坡穩(wěn)定性對(duì)比分析

運(yùn)用強(qiáng)度折減法，分別計(jì)算在不同歷時(shí)階段下含有軟弱夾層與不含軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，如表2所示。

表2 不同歷時(shí)階段下邊坡穩(wěn)定系數(shù)一覽表

圖4顯示了不同工況時(shí)步下邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)變化。觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)邊坡含有軟弱夾層時(shí)，在開挖卸荷、連續(xù)降雨工況作用下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)一度降低到1.03，處于蠕動(dòng)滑移階段，因此不得不立即施加預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固處理。而不含軟弱夾層的邊坡在經(jīng)過開挖后，穩(wěn)定系數(shù)降低到1.30，仍處于比較安全的狀態(tài)，即使是經(jīng)歷連續(xù)降雨作用后，穩(wěn)定系數(shù)仍保持在1.16，依然符合《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于非正常工況穩(wěn)定系數(shù)的規(guī)定。綜合來看，當(dāng)邊坡含有軟弱夾層時(shí)，各歷時(shí)階段的穩(wěn)定系數(shù)均比不含軟弱夾層邊坡的穩(wěn)定系數(shù)低0.1左右，進(jìn)而極大加重了邊坡滑坡災(zāi)害發(fā)生的可能性，迫使相關(guān)設(shè)計(jì)施工人員不得不采取更為耗時(shí)耗力的防護(hù)措施。

圖4 不同工況時(shí)步下邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)變化圖

4 結(jié)論

基于數(shù)值模擬方法，開展了不同歷時(shí)階段下含有軟弱夾層與不含軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性對(duì)比分析研究，探討了軟弱夾層對(duì)邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的影響，得出以下結(jié)論：

①當(dāng)邊坡含有軟弱夾層時(shí)，各歷時(shí)階段的穩(wěn)定系數(shù)均比不含軟弱夾層邊坡的穩(wěn)定系數(shù)低0.1左右，顯著增大了滑坡災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)程度。

②開挖卸荷和降雨入滲是造成邊坡滑坡的外界誘因，致使坡體抗滑力降低，軟弱夾層表現(xiàn)為流塑泥化狀態(tài)，為形成滑坡體滑移路徑創(chuàng)造了條件。

③對(duì)于存在軟弱夾層的邊坡，可以考慮采用新型擴(kuò)體錨桿作為加固防治手段，將其插入軟弱夾層以下的深層土體內(nèi)部，能充分調(diào)動(dòng)深部巖土體的協(xié)同受力承載能力，從而達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的。