含斷續軟層順層邊坡穩定性分析

趙琪亮

（惠東縣稔平原水有限公司，廣東 惠東516300）

1 引言

邊坡是一個復雜的系統，其穩定性受到多個因素的影響。目前，許多的專家學者對邊坡穩定性問題進行了研究。研究主要可分為兩個方面，理論計算和數值模擬研究。王騎虎[1]使用CEO-slope對甘肅地區紅層邊坡穩定性進行分析，研究不同工況下邊坡的穩定性情況，數值模擬結果與實際工程較為吻合。韓光[2]研究含有斷續節理的順層巖質邊坡的穩定情況，分析了邊坡的邊坡破壞模式，推導出高程放大效應的質點公式。李朋麗[3]結合計算算法，編輯程序完成對陜西公路邊坡的穩定性快速評價，取得了較好的使用效果。褚鉛波[4]使用FLAC軟件采用強度折減的方法對邊坡穩定性進行分析，通過對比，FLAC軟件在進行邊坡穩定性計算方面具有較好的適用性。唐棟[5]考慮了前期降雨對邊坡穩定性的影響機制。蔣水華等[6]研究施工期高邊坡的穩定性情況，徐奴文等[7]考慮了微震工況下邊坡的穩定性情況，張磊等[8]考慮潛蝕作用對邊坡穩定性的影響。大量的學者對邊坡不同工況下的穩定性情況進行了研究，取得了較好的情況。本文在前人研究的基礎上，結合惠東縣稔平半島供水工程局部邊坡實際情況，對含有斷續軟弱夾層的邊坡穩定性進行研究。

2 斷續軟弱夾層力學特性研究

軟弱夾層是指強度較高巖體中間，強度較低的那一部分巖體，這部分巖體往往對邊坡的穩定性起著控制性作用。強度低，易軟化是軟弱夾層的一個重要工程特性。斷續軟弱夾層即軟弱夾層不連續，在強度較高的巖體中間斷續出現且厚度也是變化的。軟弱夾層的力學性質主要可以分為3個方面：空間效應、形態效應、含水量效應。

（1）空間效應

空間效應可以分為兩個部分：位置和連續性。邊坡的破壞多沿著強度較低的面產生滑動，這在層狀巖體邊坡中最為常見，這些軟弱夾層一般是不完整的，在邊坡破壞時，不僅是沿著弱層滑動，也會將完整巖體剪斷破壞。軟弱夾層的空間位置和連續性將對邊坡的整體穩定性及其破壞后的危害性起著決定性的控制作用。

（2）形態效應

軟弱夾層的形態效應主要是指其厚度。軟弱夾層的厚度在巖層中間不是均勻分布的，是有一定的起伏度的。一些軟弱夾層厚度較厚但一些則較薄。當軟弱夾層較薄時，抗剪強度參數主要受到結構面的控制，此時具有較高的摩擦系數和強度。當軟弱夾層較厚時，邊坡的穩定性則受到軟弱夾層自身強度參數的控制。結構面充填物質越多，強度也會隨之減小就是這個原因。

（3）含水量效應

含水量是影響巖土體強度的一個重要因素。含水量的變化直接引起內摩擦角和粘聚力的變化。已經有大量的學者對這個問題進行了研究，結果表明：隨著含水量的增大，巖土體強度參數將會減小。

同時，軟弱夾層自身的礦物組成和結構面形態也是控制其強度的重要因素。

3 邊坡穩定性研究

3.1 軟弱夾層連續性研究

軟弱夾層連續性可以考慮其面連續性和線連續性。在進行邊坡穩定性計算時間，需要確定軟弱夾層的強度參數。軟弱夾層強度參數的確定需要綜合考慮，結構面內部軟弱夾層的面連續度km和線連續度kl。面、線連續度的確定需要通過現場仔細的工程地質調查來確定，見圖1、圖2。

圖1 面連續度

圖2 線連續度

面連續度km和線連續度kl可以用下式計算：

式中:n為軟弱夾層總個數；ai為第i個軟弱夾層面積；b為統計面總面積。

式中:m為軟弱夾層總個數；lj為第j個軟弱夾層延伸長度；L為統計總線長。

3.2 坡體形態研究

邊坡形態和軟弱夾層位置對邊坡穩定性具有較強的影響作用。當坡體形態與軟弱夾層空間分布位置已經確定時，則可以確定不同位置軟弱夾層的摩擦力和下滑剪切力的差異性。這種差異性將對邊坡穩定性產生極大的影響。假設邊坡形態見圖3。

圖3 坡體形態

在坡頂位置，軟弱夾層以上巖體厚度為h1，在坡腳位置，軟弱夾層以上巖體厚度為h2。

不同位置的正應力σ可以通過下式確定：

式中:γ為上部巖土體重度；h為上部巖土體厚度；θ為巖土體傾角。

3.3 軟弱夾層抗剪強度研究

含軟弱夾層的邊坡失穩滑面通常是沿著軟弱夾層內部剪切滑移，或以軟弱夾層與巖層面的接觸部位剪切滑移。

通過室內對軟弱夾層的剪切試驗，獲取抗剪切參數值，并進行現場大型剪切試驗，獲取軟弱夾層與巖層面接觸部位抗剪切參數值。當軟弱夾層的內摩擦角φn小于巖層面與軟弱夾層之間的接觸摩擦角φj時，軟弱夾層的抗剪強度才代表結構面的抗剪強度；反之，剪切面產生于軟弱夾層和巖層面之間的接觸部位，見圖4。

圖4 剪切面位置圖（A.內部剪切面；B.上部剪切面）

滿足上式（1），剪切面位于軟弱夾層內部；當夾層和巖層層面之間不滿足上式（1），其滑面為上部巖體下層面與夾層接觸部位。通過對軟弱夾層現場取樣進行軟弱夾層室內剪切試驗，獲取剪切面通過軟弱夾層內部的抗剪參數；同時，進行現在大型剪切試驗，獲取軟弱夾層表面與巖層面接觸部位的抗剪參數。由式（2）證明，滑面位置為軟弱夾層的上表面與巖層面接觸部位，而并非軟弱夾層內部剪切形成。試驗結論與探槽揭示的滑面位置一致。

3.4 邊坡穩定性分析

順層巖質邊坡的破壞主要為沿著巖層層面產生滑動變形破壞，可以使用極限平衡法對邊坡穩定性進行計算。

邊坡下滑力可以根據坡體形態采用分條計算：

式中:g為重力加速度；h為上部巖土體厚度；θ為巖土體傾角；l為滑動面長度；γ為上部巖土體重度。

當坡體內部軟弱夾層的起伏度較大時或局部軟弱夾層充填厚度較薄時可以采用下式計算滑動面的抗滑力：

式中:g為重力加速度；h為上部巖土體厚度；θ為巖土體傾角；li為夾層段長度；γ為上部巖土體重度；lj為夾層段長度，n、m分別為夾層段總數和未充填段總數。

當坡體內部軟弱夾層整體較為平整，則可將連續度帶入其中，計算抗滑力：

邊坡的穩定性系數為抗滑力除以下滑力：

4 工程實例研究

惠東縣稔平半島供水工程局部存在部分巖質邊坡，邊坡上覆0.5 m～1.0 m第四系殘坡積層(Q4el+dl)，下伏強～中風化三疊系關嶺組(T2g3)泥質白云巖夾薄層狀泥巖。巖層產狀為5°∠20°，巖層厚度0.25 m～0.35 m不等，軟弱夾層厚度為0.02 m～0.03 m，含有 3組優勢節理：27°∠76°，193°∠81°，319°∠86°，為順層巖質邊坡。

通過現場工程地質調查和現場剪切試驗，獲取軟層的連續度系數kl=0.503,km=0.511,k==0.507，獲得軟層邊坡的上部巖體重度γ=25.3 kN/m3，可以使用近似直線算法對邊坡穩定性進行計算。

天然工況下，邊坡的穩定性系數η=1.19＞1.00，邊坡處于穩定狀態與實際工程情況較為符合。

5 結論

（1）對含有斷續軟層的邊坡穩定性進行分析，軟弱夾層影響邊坡穩定性的力學效應主要包括三個方面：空間效應、形態效應和含水量效應。

（2）研究了斷續軟弱夾層連續度的計算方法，主要包括線連續度和面連續度，以及綜合連續度的確定方法。

（3）以惠東縣供水工程實例為研究對象，使用本文介紹的研究方法對坡體穩定性進行研究，計算結果與實際工程結果對比較為一致，說明本文介紹的方法具有一定的實際意義。