水力環(huán)境變化條件下夾軟巖順層邊坡穩(wěn)定性分析

潘榮建，鐘啟鋒，劉先林，3，呂璽琳*

（1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海市 200092；3.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029）

0 引言

廣西境內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，在公路沿線常遇到含軟巖夾層邊坡的情形。受施工擾動(dòng)及降雨入滲等多種條件影響，公路邊坡滑坡災(zāi)害頻發(fā)。因而，不論是在公路建設(shè)期還是運(yùn)營(yíng)期，開(kāi)展含軟巖夾層邊坡穩(wěn)定性分析對(duì)于工程安全具有重要意義。

邊坡中的軟弱夾層一般是一個(gè)帶狀薄層，包括軟弱結(jié)構(gòu)面和裂隙破碎面，按碎裂程度可分為軟巖夾層、碎塊夾層、碎屑夾層和泥化夾層［1］。軟弱夾層土水敏感性強(qiáng)，含水率增大將導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度大幅降低，影響邊坡的穩(wěn)定性［2］。Ma 等［3-4］通過(guò)環(huán)剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，重塑軟弱夾層土強(qiáng)度參數(shù)與含水率呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，含水率增加使軟弱夾層更易產(chǎn)生并積累蠕變。在含軟巖夾層邊坡穩(wěn)定性分析方面，軟弱夾層力學(xué)特性常常是邊坡穩(wěn)定性的主要控制因素［5-9］；王保林等［10］研究了軟弱夾層出露面對(duì)黏性土坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明：當(dāng)軟弱夾層在坡面出露時(shí)，滑裂面沿軟弱夾層出露位置滑出，不出露時(shí)，滑裂面在坡腳滑出；Huang 等［11］基于轉(zhuǎn)動(dòng)-平動(dòng)組合破壞機(jī)構(gòu)，認(rèn)為軟弱夾層會(huì)改變邊坡的破壞模式；楊欣［12］研究了含軟弱夾層路塹高邊坡在不同降雨條件下的滲流特性，認(rèn)為軟弱夾層的存在將使降雨過(guò)程中該類(lèi)高邊坡滑坡進(jìn)程提前；劉新喜等［13］研究了巖質(zhì)邊坡中軟弱夾層的蠕變特性，并建議采用邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定性系數(shù)作為支護(hù)前的設(shè)計(jì)參數(shù)。這些研究成果為解決實(shí)際工程問(wèn)題提供了理論依據(jù)，但從軟弱夾層含水率角度定量分析其對(duì)邊坡安全系數(shù)影響的研究還不夠深入。

本文以廣西夾層軟巖分布區(qū)某公路邊坡為研究對(duì)象，首先研究含水率與夾層軟巖強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系，然后結(jié)合極限平衡分析理論，研究軟弱夾層含水率變化對(duì)邊坡安全系數(shù)及破壞模式的影響，進(jìn)一步研究不同降雨持時(shí)條件下積水入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，以期為廣西高速公路沿線邊坡工程穩(wěn)定性評(píng)估及滑坡防治提供參考。

1 含軟弱夾層順層邊坡工程概況

以廣西百色西林縣某公路邊坡為研究對(duì)象，該邊坡是一個(gè)由不同風(fēng)化程度砂巖夾強(qiáng)風(fēng)化泥巖構(gòu)成的順層邊坡。邊坡坡高20～30 m，坡度25°～35°。邊坡表層覆蓋殘坡積土，其下方為風(fēng)化程度隨深度不斷降低的砂巖，砂巖中存在高風(fēng)化的薄層泥巖。該順層邊坡內(nèi)砂巖裂隙發(fā)育良好，是地下水主要貯藏區(qū)域，而以泥巖為主的軟夾層滲透性相對(duì)較低，客觀上形成了隔水層，泥巖層相對(duì)其他巖層濕度更高。

根據(jù)邊坡實(shí)際情況選取一個(gè)典型截面，建立夾軟巖順層邊坡的分析模型（圖1）。邊坡左側(cè)高45 m，右側(cè)高16 m，水平寬度65 m，按照地層分布情況由上到下依次為殘坡積土、全風(fēng)化砂巖、軟弱夾層、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖和弱風(fēng)化砂巖，軟弱夾層兩側(cè)外露，其主體距地表一定距離。結(jié)合地質(zhì)情況并參考文獻(xiàn)［14-15］，各土層的相應(yīng)參數(shù)見(jiàn)表1，其中夾層軟巖強(qiáng)度參數(shù)隨含水率變化見(jiàn)表2。

表1 各土層材料參數(shù)

表2 夾層軟巖強(qiáng)度參數(shù)

圖1 夾軟巖順層邊坡計(jì)算模型

根據(jù)地下水位勘察資料，設(shè)定模型左側(cè)地下水位距底部31 m，右側(cè)距底部6 m，底部邊界不透水。各層土體的土水特征曲線通過(guò)體積含水量和水力傳導(dǎo)率求得，體積含水量函數(shù)通過(guò)軟件內(nèi)置的樣本函數(shù)庫(kù)計(jì)算得到，水力傳導(dǎo)率函數(shù)在體積含水量函數(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合Van Genuchten 方法［16］進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型中，全局單元尺寸取為0.8 m，軟弱夾層處的網(wǎng)格需細(xì)化，按照單元邊界長(zhǎng)度乘以0.2 的比例系數(shù)生成。計(jì)算得到邊坡地下水位線如圖2 虛線所示。

圖2 邊坡地下水位線

2 含水率對(duì)夾層軟巖強(qiáng)度特性的影響

含水率對(duì)夾層軟巖抗剪強(qiáng)度的影響較大，在降雨入滲或地下水浸潤(rùn)作用下，邊坡中的軟夾層泥巖遇水后含水率增大，強(qiáng)度參數(shù)將出現(xiàn)較大程度降低，導(dǎo)致邊坡極易沿軟夾層發(fā)生順層滑動(dòng)破壞。基于現(xiàn)有研究成果，建立夾層軟巖強(qiáng)度參數(shù)與含水率的關(guān)系為：

式中：y為強(qiáng)度參數(shù)c或φ；a和b為材料參數(shù)；w為含水率。

對(duì)式（1）兩邊取對(duì)數(shù)，可得到：

將表2 的強(qiáng)度參數(shù)代入式（2）進(jìn)行最小二乘法分析，可得參數(shù)a、b的值。經(jīng)計(jì)算，軟弱夾層的強(qiáng)度參數(shù)c、φ分別滿足如下公式：

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)式（3）、（4）得到的強(qiáng)度參數(shù)擬合曲線如圖3 所示。

圖3 強(qiáng)度參數(shù)擬合曲線

從圖3 可看出：黏聚力擬合曲線與試驗(yàn)值吻合較好（R2=0.960 4），而內(nèi)摩擦角與試驗(yàn)值則存在一定偏差（R2=0.926 8）。

3 含軟巖夾層邊坡穩(wěn)定性分析

含軟巖夾層邊坡穩(wěn)定性與夾層軟巖強(qiáng)度密切相關(guān)，而夾層在降雨等水力作用下，強(qiáng)度降低明顯，將顯著影響邊坡安全系數(shù)。研究土層含水率、降雨因素與邊坡安全系數(shù)的關(guān)系，可得到夾層軟巖強(qiáng)度特性變化對(duì)含軟巖夾層邊坡安全系數(shù)的影響規(guī)律，并獲得含軟巖夾層邊坡破壞機(jī)制，從而為此類(lèi)邊坡災(zāi)害防治提供依據(jù)。

采用Morgenstem-Price 極限平衡法，計(jì)算含軟巖夾層邊坡的安全系數(shù)。通過(guò)假設(shè)條間力函數(shù)的表達(dá)式，將前述地下水作用下的穩(wěn)態(tài)滲流計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入極限平衡分析模塊，即可得到邊坡安全系數(shù)并確定其最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。為獲得夾層含水率變化及降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，分兩種工況進(jìn)行分析：①工況1 僅考慮軟弱夾層含水率變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；②工況2 不考慮夾層土體強(qiáng)度變化，僅分析降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

3.1 夾層軟巖含水率變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為分析邊坡安全系數(shù)隨夾層軟巖含水率的變化，根據(jù)式（3）、（4），采用不同含水率對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行極限平衡分析，并保持計(jì)算過(guò)程中其他巖層力學(xué)性質(zhì)不變，得到夾層軟巖含水率與邊坡安全系數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 邊坡安全系數(shù)隨夾層軟巖含水率變化

由圖4 可知：當(dāng)夾層含水率在26.1%附近時(shí)，邊坡安全系數(shù)出現(xiàn)陡降，從2.269 迅速下降到1.968，且此時(shí)滑動(dòng)面轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕┻^(guò)軟弱夾層（圖5）。因此，邊坡的夾層軟巖存在一個(gè)約26.1% 的臨界含水率ws，當(dāng)含水率大于ws時(shí)，邊坡的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面從坡腳圓轉(zhuǎn)變?yōu)橛绍浫鯅A層控制的滑動(dòng)面，且安全系數(shù)也出現(xiàn)較大程度的下降。

圖5 含水率變化條件下典型滑動(dòng)面

3.2 降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為了進(jìn)一步研究持續(xù)降雨對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響。軟弱夾層取含水率29.18%對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)，并假定在計(jì)算過(guò)程中保持不變。在不同降雨持續(xù)時(shí)間條件下，通過(guò)滲流計(jì)算得到孔隙水壓力，將其導(dǎo)入極限平衡分析模塊進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，得到邊坡安全系數(shù)隨降雨時(shí)間的變化。本文取大暴雨條件進(jìn)行分析，降雨強(qiáng)度設(shè)為10 mm/h，采用的降雨幅值曲線如圖6 所示。為了更真實(shí)地模擬實(shí)際降雨情況，在前3 h 降雨強(qiáng)度設(shè)為線性增加，其后保持穩(wěn)定，總降雨時(shí)間設(shè)為24 h。

圖6 強(qiáng)降雨幅值曲線

計(jì)算得到的邊坡安全系數(shù)與降雨時(shí)間的關(guān)系如圖7 所示。在軟弱夾層參數(shù)不變的情況下，降雨入滲引起下滑力增大，在降雨1～18 h 內(nèi)，邊坡破壞面集中在軟弱夾層，典型滑動(dòng)面如圖8（a）所示，安全系數(shù)隨降雨時(shí)間變化不明顯。持續(xù)降雨18 h 后，邊坡破壞模式改變，滑動(dòng)面將穿過(guò)表層坡積土、位于軟弱夾層部分減少，典型破壞模式如圖8（b）所示，安全系數(shù)隨降雨時(shí)間增大下降幅度更快。降雨前、后土層飽和度變化如圖9 所示，邊坡表面殘坡積土受降雨入滲影響明顯，降雨24 h 后該土層飽和度急劇上升，地表附近土體接近飽和。地層飽和度增大將增加滑動(dòng)面上方坡體的自重，從而導(dǎo)致邊坡下滑力增大和安全系數(shù)降低。

圖7 邊坡安全系數(shù)隨降雨時(shí)間變化情況

圖8 降雨入滲條件下典型滑動(dòng)面

圖9 降雨前后飽和度變化情況

綜上，可推斷出降雨入滲誘發(fā)含軟巖夾層邊坡安全系數(shù)下降的主要原因?yàn)椋汉试龃髮?dǎo)致軟弱夾層土體強(qiáng)度參數(shù)降低，繼而使抗滑力顯著減小。而降雨入滲在早期對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較小，當(dāng)降雨入滲累積到一定程度導(dǎo)致坡體自重增大后，降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響比較明顯。

4 結(jié)論

針對(duì)廣西百色西林縣某含軟巖夾層公路邊坡，研究軟弱夾層強(qiáng)度參數(shù)隨含水率的變化規(guī)律，并據(jù)此通過(guò)極限平衡法，分析含水率變化和降雨入滲條件下含軟弱夾層順層邊坡的穩(wěn)定性，獲得邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律。得出的主要結(jié)論如下：

（1）軟夾層強(qiáng)度參數(shù)與含水率呈近似負(fù)指數(shù)關(guān)系，含水率增加導(dǎo)致軟弱夾層強(qiáng)度參數(shù)降低。

（2）對(duì)于邊坡中的軟弱夾層，存在一個(gè)臨界含水率ws，當(dāng)含水率低于ws時(shí)，邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面為常見(jiàn)的坡腳圓模式；當(dāng)含水率高于ws時(shí)，滑動(dòng)面主要穿過(guò)軟弱夾層，邊坡安全系數(shù)明顯降低。

（3）分析降雨入滲對(duì)含軟巖夾層順層邊坡的穩(wěn)定性影響表明：隨著雨水入滲導(dǎo)致的表層土體飽和度提高，滑面上方坡體自重增大，進(jìn)而引發(fā)安全系數(shù)降低。當(dāng)降雨時(shí)間達(dá)到一定值時(shí)，安全系數(shù)隨降雨時(shí)間減小的速度明顯增大，其破壞模式發(fā)生改變。