不同材料屬性下順層邊坡穩定性分析*

董洪芹，余紅兵

(1.廣州市城市建設工程監理公司，廣東 廣州 510060;2.貴州新聯爆破工程集團有限公司，貴州 貴陽 550002)

0 引 言

巖質邊坡是一種不連續的介質，順層巖體高邊坡屬于巖質邊坡的一種，指以層狀結構的沉積巖巖體為主體特征的一類巖質邊坡，在開挖過程中，層狀基巖傾向與開挖邊坡傾斜方向成小角度相交。順層巖質邊坡的變形與破壞，主要體現在層面與破裂不同組合的邊坡滑移，如圖1所示。翟明洋、周佳榮等[1-2]提出了多因素共同作用下對邊坡穩定性的影響，并運用相對作用理論指出因素之間的相關作用和對邊坡穩定性影響的內在規律，吳科亮、崔耀璞等[3-6]通過正交試驗原理考慮邊坡穩定因素的相互影響關系,模擬分析了各因素對邊坡穩定性影響的敏感程度。相關學者[7-8]也使用數值仿真計算、現場工程試驗計算了不同工況下的邊坡穩定性系數。但相關內在參數的影響多停留在理論研究，與現場實際有一定的區別，基于現場工程實踐和數值模擬得出的結果，對于類似工程實踐有指導意義。

1 計算模型的選取

巖質邊坡的狀態會受到本身巖性及地質構造的影響，同時邊坡會受到各種內外應力的作用，這些作用對邊坡的形成改造起到一定作用，并有可能導致其破壞。同時由于巖質邊坡本身巖性及地質構造的差異，使得各因素的影響程度不一樣，考慮層面巖體強度特性，主要表現在以下5個因素：彈性模量；泊松比；內聚力；摩擦角；容重。

選取相關工程實例，在順層巖體基礎上選取砂巖、頁巖、泥巖3種沉積巖為研究對象；灰巖材料參數進行對比，經過相似折減對室內試驗巖石材料參數進行分析處理，得到巖體模型參數(見表1)。

圖1 巖層面與潛在破裂面失穩滑坡

表1 幾種順層巖體相關參數

根據巖體取值范圍，對巖體材料內在因素對邊坡穩定性的影響進行分析。由于彈性模量的變化對邊坡的影響結果較小，因此，在分析材料屬性對邊坡穩定性影響時，排除彈性模量對邊坡的穩定性影響，泊松比分別取0.1，0.2，0.3，0.4，內聚力分別取100，300，600，900 kPa，摩擦角分別取15°，25°，35°，45°，容重分別取17，22，27，32 kN/m3，為了減少實驗模型，提高數值模擬效率，對4種因子選取正交實驗組合。

采用Flac3d數值分析軟件，運用有限元強度折減法，層面考慮為理想彈塑性體，屈服條件采用Mohr Coulomb準則，直接將層理和完整巖石分開，用接觸面單元模擬層理，用各向同性的實體單元模擬完整巖石。這種方法可以很好的模擬圍巖變形，以及巖體沿接觸面的滑動、張開，并對不同尺度因子條件下的層理邊坡進行穩定性分析。旨在通過這種方法，從安全系數方面總結歸納出不同尺度因子條件下的層理邊坡失穩模式。選取的模型單元相關參數分別為：層面間距15 m，層面傾角50°，邊坡角45°，開挖高度200 m。如圖2所示。

圖2 Flac3d邊坡模型

2 穩定性影響因素分析

利用以上數據分別建立相關模型，得到如表2所示的相關模擬數據。

表1中各列計算得到的Ⅰ/k、Ⅱ/k、Ⅲ/k、Ⅳ/k數據，反應的是該列對應的模型材料因素選取不同水平時對模擬結果的影響，算出各列模型材料因素的Ⅰ/k、Ⅱ/k、Ⅲ/k、Ⅳ/k值后，計算每列Ⅰ/k、Ⅱ/k、Ⅲ/k、Ⅳ/k 4個值中最大值與最小值之間的差距，并除以各列水平出現的次數kj，就可以得到相應列影響因素的極差Rj。極差Rj反映的是該列不同模型參數選取下對邊坡穩定性的影響。通過分析各參數對邊坡穩定性影響程度的大小，就可得到不同參數下的邊坡穩定性。

根據正交試驗所得的數據，以安全系數為因變量做顯著性分析，以每個因素各水平參數為橫坐標，實驗值表為縱坐標，得到因素單變量對邊坡模型的安全系數影響，如圖3所示。

表2 正交實驗方差分析

注：因素主次：CBDA；安全系數最大：A2B3C4D1；安全系數最小：A2B2C1D4

圖3 不同影響因子對安全系數的影響

從圖3中可以看出：

(1) 當泊松比的取值范圍為0.1～0.4時，邊坡安全系數變化范圍為1.19～1.38，隨泊松比的增大，邊坡安全系數呈線性增大趨勢，平均增長率為63%；

(2) 當邊坡內聚力的變化范圍為0.1～0.9 MPa時，邊坡安全系數變化范圍為1.05～1.33，隨內聚力的增大，邊坡安全系數呈線性增加趨勢，平均增長率為35%；

(3) 當邊坡內摩擦角的變化范圍為15°～45°時，邊坡安全系數變化范圍為0.69～1.64 ，隨內摩擦角的增大，安全系數呈線性增加趨勢，平均增長率為3.26%；

(4) 當邊坡內容重的變化范圍為17～32 kN/m3，邊坡安全系數變化范圍為1.44～1.22，隨著容重的增大，安全系數呈線性減小趨勢，平均減小率為1.46%。

利用IBM SPSS軟件對影響因子(摩擦角，泊松比，內聚力，容重)和因變量(安全系數)進行重要性分析，結果見如圖4和表4。

圖4 標準化的重要性

表4 自變量的重要性

通過自變量重要性分析可以看出，在相同開采工況下，邊坡不同材料屬性對邊坡穩定性的影響從小到大的順序分別為泊松比，容重，內聚力，摩擦角，自變量的重要性依次為0.066，0.075，0.250，0.609，標準化的重要性分別為10.8%，12.3%，41.1%，100%。與正交實驗中極差計算比較各影響因素的的權重關系一致，對比結果給出了不同材料屬性對順層巖質邊坡穩定性的影響關系。

3 結 論

(1) 不同影響因素對邊坡穩定性影響權重從小到大依次為泊松比，容重，內聚力，摩擦角，其中摩擦角和泊松比影響占到整體的85.9%；

(2) 安全系數隨泊松比增大而呈線性增大趨勢，平均增長率為63%；隨內聚力增大而呈線性增大趨勢，平均增長率為35%；隨摩擦角增大而呈線性增大趨勢，平均增長率為3.26%；隨容重增大而呈線性減小趨勢，平均減小率為1.46%。