基于數值模擬的含軟弱夾層高邊坡穩定性分析

張慶飛，馮宇凇，呂改杰，席英偉

(1.四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017；2.西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川 成都 611756； 3.四川省生態環境監測總站，四川 成都 610091)

1 概述

由砂泥巖互層組成的高邊坡在我國西南地區分布廣泛。在地表自然風化與人類工程開挖影響下，泥巖常作為高邊坡中的軟弱夾層，對于邊坡穩定性與演化機制起著重要控制作用[1-2]，其中軟弱夾層的物質組分與其物理特征和工程性質緊密關聯[3]，尤其在長期重力和工程擾動的共同作用下，對于工程建設與運營安全具有潛在的威脅。對于高陡順層邊坡失穩機制研究前人已積累較豐富的成果，在泥巖與砂巖互層的順層巖質邊坡這類邊坡，劉小麗、周德培[4]研究了它的彎曲失穩機制。鄧榮貴、李安洪等[5]通過鐵路建設中的順層邊坡實例，研究了這類邊坡失穩的臨界長度。李舜[6]提出了該類型公路路基高邊坡防護設計方法。朱晗迓、馬美玲等[7]通過推導出的公式求解出了邊坡潰曲破壞的破壞位置和臨界坡長。

本文在前人研究基礎上，以西南山區某高速公路旁發育的一處含軟弱夾層高邊坡工點為研究對象，重點對邊坡所含軟弱夾層的礦物化學組分、孔隙顆粒特征與物理力學參數開展試驗研究，進而結合該工點實際工程地質條件建立數值模型，對比研究了天然狀態下與開挖防護措施下坡體應力應變特征，可為判別該類型高邊坡穩定性提供可靠的數值依據。

2 工程地質概況

研究區位于西南地區丘陵過渡地帶，具有山高、坡多、谷深等特點，在暴雨和特大暴雨的條件下，極易形成滑坡、崩塌、泥石流等地質災害。研究區域邊坡地表水為山間沖溝，屬季節性溪流，其補給方式主要為大氣降水，排泄方式為一部分滲入地下，一部分沿沖溝排出場區外，其流量隨季節而變化，枯水期無水，富水期為附近地段地表水排泄通道。

研究區內基巖主要為強風化與中等風化鈣質泥巖和砂巖，巖層綜合產狀40°∠47°，場區內節理和層間裂隙發育，裂隙長1.0 m～4.0 m，寬0.01 m～0.20 m，可見深約為0.1 m～0.4 m，密度為1條/m～6條/m。其中強風化帶表現為整體破碎，主要呈砂狀，局部巖芯可見餅裂現象，說明該區域地應力較高[8]。邊坡巖體呈漸變狀帶(槽)狀風化，構造裂隙發育。此外，邊坡表層風化作用強烈，構造裂隙及層面的發育程度隨著巖體向深部的延伸減弱，風化程度也按照這種規律減弱。

3 研究區礦物工程地質特征

軟弱夾層作為控制邊坡穩定性的地質體結構，其泥化過程存在復雜的水巖相互作用，這與軟弱夾層自身的礦物組成、微觀結構與力學強度緊密聯系。大量工程實踐表明，長石、黏土礦物等物質組分，其含量對于巖體強度有直接影響，此外軟弱夾層中具有較多的次生裂隙和結構面，對于雨水入滲等自然作用引起的巖土體軟化效應，對于緩傾順層高邊坡穩定性起了決定性作用[9]。因此，對軟弱夾層工程性質進行分析是邊坡設計過程極為關鍵的環節。

3.1 礦物化學成分分析

本文通過X射線衍射儀和顯微結構觀察對研究邊坡軟弱夾層礦物組分進行綜合測試分析，主要礦物成分為石英、斜長石、鉀長石、黏土礦物、云母、方解石和少量赤鐵礦等(見圖1)。由偏光顯微鏡與掃描電鏡圖像可知，巖樣內長石表面裂隙較發育，石英具有波狀消光特征，黏土礦物間微裂紋分布廣泛(見圖2)。

3.2 邊坡巖土體及軟弱夾層的物理力學性質

通過沉降分析法對研究區代表性砂泥巖樣品進行粒度分析(見表1)。結果表明，研究區泥巖中砂粒含量都在50%以上，它們主要為原生礦物，大多是石英、云母、長石等。粉粒含量在泥巖較多，占到了30%，而在中粗粒長石砂巖和中細砂巖中粉粒含量在20%以內。粉粒一般是原生礦物與次生礦物的混合體，因為孔隙小而導致透水性差，有一定的毛細作用。黏粒主要由次生礦物組成，孔隙很小，透水性極弱，毛細作用明顯，膨脹性和可塑性較好，強度較低。

表1 粒度試驗成果表

通過對強度較低的粉砂質泥巖樣本進行單軸壓縮試驗和波速試驗測試，得到其力學指標如表2所示。測試結果表示，樣本的單軸抗壓強度與波速值基本與標準值吻合，泊松比與彈性模量均高于標準值。

表2 巖石室內試驗物理力學指標統計表

從軟弱夾層的物理力學性質上看，軟弱夾層的厚度與物質組成對巖體強度有直接影響。小于1 mm的薄膜夾層，薄膜使巖體的抗剪強度降低，導致巖體沿軟弱夾層滑動發生破壞；對于中厚夾層，巖體因處在塑流狀態被擠出而發生破壞。夾層內摩擦角隨其物質粒徑增加而增大，最后趨度越大，內摩擦角越小；夾層級配較好時，內摩擦角較大；組成夾層的巖石碎屑的圓度增加時，內摩擦角和黏聚力減小。

4 砂泥巖互層緩傾邊坡受力特征數值分析

4.1 數值模型建立

根據現場的勘測結果，結合砂泥巖緩傾互層高邊坡的斷面圖和支護設計圖，綜合運用AutoCAD-Ansys-FLAC3D等多種軟件建立數值分析模型[10]。建模流程為：在AutoCAD中建立分析所需的三維模型，將模型導入Ansys劃分網格，通過插件將網格導入FLAC3D做后續計算分析。

選取研究邊坡具有代表性的斷面進行模擬，為了避免邊界約束條件對計算結果產生影響，計算模型邊界范圍按照下列原則確定，在平行巖層傾向方向，從坡腳向左岸山內延伸1 km，垂向距離上從坡腳到坡頂緩坡處最高點附近。模型基本參數、邊界條件參考表3取值，計算模型在重力作用下的初始應力分布如圖3所示。之后，將邊坡的開挖部分巖體的本構模型賦為null來模擬開挖；并用FLAC中自帶的結構單元模擬土工格柵以及錨索，并賦予相應的力學參數，其中錨索布置由下至上共有6層，如圖4所示。計算支護后邊坡開挖模型的應力應變變化。計算過程的最大不平衡力取值收斂圖與塑性區域分布圖如圖5，圖6所示。

表3 巖層參數表

邊界條件的設定應使數值模擬的結果與實際情況更加接近，通過使模型足夠大來減小邊界效應，但是模型也應設定在一個合理范圍之內，否則只會增加工作量并降低精度。

4.2 應力應變特征分析

4.2.1 應力特征分析

模型計算中主要考慮受自重應力影響。應力分布主要以豎向應力為主，同時考慮邊坡可能造成的滑動，需要考慮邊坡的水平向應力。關于支護所承受的應力可以看出邊坡滑動趨勢的大小。通過分析邊坡開挖過程中支護應力變化及分布規律，可分析施工對于邊坡穩定性的影響。圖7～圖9為水平應力和坡體豎向應力以及錨索應力。

從圖中可以看出，豎向應力在整體上依然按層分布；而縱向應力云圖的規律性稍差，路塹右側坡體因存在被左側坡體擠壓的情況，而出現應力明顯成層狀態，但由于所受應力不大，并無較大危害。錨索在第五階梯處有較大拉應力，說明該處可能存在較大的滑動趨勢，有剪切錨索的趨勢。而第二層的錨索大多數有較大的壓應力說明邊坡在此處有擠出趨勢。而大多數錨桿所受應力并不大，主要作為保護作用。邊坡坡體整體較為穩定。

4.2.2 應變特征分析

由塑性力學理論可以得知，一點的應變張量可以分為與體積變化有關的球形應變張量和與物體形狀變化有關的應變偏量。對于巖土材料來說，靜水壓力不僅產生彈性和塑性的體應變，而且還會引起剪變形剛度的增大而使切應變變化；而切應力不僅會產生彈性或塑性的切應變，而且會引起剪脹或剪縮。因此與單純的彈性和理想彈塑性材料比，巖土的本構關系會表現得更加復雜。

從支護受力特性分析可以發現：在邊坡的重力作用下，第三層和第五層階梯的錨索受力較大，且第五層階梯錨索為拉應力，第三層為壓應力。錨索不同位置的受力方向大小不同，說明了邊坡在這兩層之間有下滑和擠壓的趨勢，當下滑力超過其強度或支護結構強度不足以抵抗下滑力時，邊坡可能會失去其穩定性。

在邊坡開挖支護前，邊坡整體較為穩定，而在開挖支護過后，邊坡表層出現大量的拉伸破壞。說明在這一過程中，坡體受到破壞但由于支護及時，遏制了坡體下滑趨勢，從而提高了坡體穩定性。

5 砂泥巖互層緩傾順層高邊坡關鍵防治技術

高邊坡災害防治工程其本質都是改變高邊坡自身的力學平衡狀態來實現邊坡穩定。在實際中，防護措施主要有抗滑支擋結構物直接加固或放緩邊坡、減重反壓、截排水等間接加固兩種思路，但是，考慮到高邊坡問題的復雜性和不確定性，一般采用多種措施相結合的方法來加固處理。

對于本研究區域砂泥巖互層緩傾順層高邊坡擬采取以下防治技術：

1)抗滑支擋工程：使用支擋工程對不穩定的邊坡進行加固，是一種較為有效的整治手段。其優點是可以從根本上解決該問題。

2)植物防護：植物防護是在坡面上栽種植物，通過植物根系發育，起到固土，防止水土流失的一種防護措施。這種方法通常在坡度不大、邊坡不高的穩定邊坡使用。

3)坡面工程防護：在治理坡度較陡、坡面土體松散的邊坡時，可以通過圬工砌體防護措施對邊坡進行加固。對于穩定性好的邊坡，可在其表面噴射一層素混凝土，減緩巖石風化、剝落的速度，以此來達到穩定邊坡的目的。

4)排水工程：地表排水是為了把坡體以外的水截排，防止其流入坡體增加坡體自重，減少其對邊坡穩定性的影響。地下排水工程是治理滑坡的重要方法，尤其是地下水發育的大型滑坡，它可以降低坡體內的地下水位，減小滑帶土的孔隙水壓力，以此提高滑帶土的抗剪強度，從而增大了邊坡的穩定性。

6 結論

本文通過砂泥巖互層緩傾順層高邊坡破壞機制及關鍵防治技術研究為研究對象，深入分析該邊坡的工程地質條件，得到了研究成果如下：

1)通過對邊坡巖體的化學成分、物理力學性質以及軟弱夾層力學特性的研究，得出了影響砂泥巖互層緩傾順層高邊坡穩定性的根本原因，在于不利的巖體力學性質和具有特殊的巖體結構特征。

2)通過數值模擬分析，根據所得巖體各項參數指標，建立砂泥巖互層穩定性數值模型，分析探討泥巖互層緩傾順層高邊坡的潛在破壞機理，研究不同潛在破壞模式下的順層邊坡穩定性，得出該類邊坡失穩破壞機理和演化機制。

3)針對砂泥巖互層緩傾順層高邊坡的工程特性，軟弱夾層對該類邊坡的影響作用機制，結合數值模擬分析，提出該類順層高邊坡防治處理技術措施，以確保工程質量和安全。