泥質灰巖高邊坡穩定性評價及影響因素研究

朱云升 左建軒 李金鋒 楊 健 歐湘萍

(武漢理工大學交通與物流工程學院1) 武漢 430063) (四川川交路橋有限責任公司2) 廣漢 618300)

0 引 言

泥質灰巖在自然條件下，會發生巖溶和風化，從而改變巖體的巖性和結構，降低巖石的力學強度，對邊坡的穩定性產生影響.

石林[1]采用現場調查、監測分析及數值模擬等方法，從坡巖體結構、破壞模式、變形破壞機制及庫水作用機理等角度，開展了泥質灰巖邊坡的變形機制研究.顧東明[2]采用工程地質調查分析以及巖石力學試驗等方法，基于泥質灰巖邊坡巖體結構特征、巖體質量及參數特征，建立了考慮水-巖相互作用的強度時效劣化離散單元法，并分析了庫岸反傾邊坡時效變形失穩的庫水侵蝕-軟化-滲流耦合作用機理.鄒德玉[3]基于非飽和土土水特征曲線模型及非飽和強度理論,以某黃土邊坡為例,采用GeoStudio軟件建模模擬降雨入滲條件下土體水力特性參數對邊坡穩定性的影響，結果表明，α值越大，相同降雨強度下，邊坡的穩定性越低；n值越大，相同降雨強度下，降雨入滲深度變小，邊坡的穩定性變化不明顯.吳林等[4]針對強風化泥質灰巖地層的滑坡處治施工技術，在優先確保施工質量和安全的前提下，基于工程地質勘察、水系發育調查和滑坡體生產機理，優化了技術方案.張黔飛[5]依托工程實例，研究薄層泥質灰巖順向巖質邊坡，通過優選計算參數，對邊坡進行了針對性的治理設計.

文中以四川某高速公路ZK187+635泥質灰巖高邊坡為研究對象，考慮強度折減法在邊坡穩定性研究中的優越性，利用FLAC3D軟件對泥質灰巖高邊坡進行模擬研究，分析開挖過程中的邊坡穩定性不同影響因素，考慮當地降雨條件影響，從邊坡變形、剪應力、剪應變、塑性區等方面進行分析，評價邊坡的穩定性.

1 工程概況

ZK187+635泥質灰巖高邊坡巖層主要分為碎石、強風化泥質灰巖、中風化泥質灰巖及板巖.屬構造侵蝕剝蝕中山地貌，場區山嶺海拔標高1 342～1 550 m，平通河于場區西側整體由北向南蜿蜒通過，河床標高644～661 m，河床寬25～58 m，河谷呈寬緩“U”形.植被以青杠樹、雜樹林及荒草、灌木為主.泥質灰巖高邊坡巖層分布及巖層產狀見圖1.并且當地終年濕潤，雨量充沛，多年平均降水量為866.5 mm，75%的降雨量集中在6—9月.通過2021年7—8月期間對降雨的監測，降雨天數為20 d，監測期間內總降雨量為682.14 mm，降雨平均強度為34.11 mm/d，最大降雨強度為126.34 mm/d.

圖1 泥質灰巖高邊坡地質剖面

2 泥質灰巖參數確定

根據現場調查、地質勘探和相關資料，泥質灰巖見圖2.通過對現場高邊坡巖土體取樣進行體物理力學性能試驗，結合工程經驗及現場地質勘探資料[6-7]，得到現場高邊坡巖土體力學參數，見表1.

圖2 泥質灰巖

表1 泥質灰巖物理力學參數表

3 泥質灰巖高邊坡數值分析

3.1 有限元強度折減法理論

有限元強度折減法，是利用理想彈塑性有限元計算，然后降低邊坡巖土體抗剪強度參數，直到邊坡達到破壞狀態為止，根據計算結果，得到邊坡破壞滑動面和安全系數[8-9].

有限元計算時，施加外荷載，用假定的抗剪強度參數c*和φ*為

(1)

(2)

邊坡穩定安全系數在有限元的定義為

(3)

兩邊同時除以F，得：

(4)

對F進行折減后，左邊等于1，式(4)表示邊坡達到極限平衡狀態，有限元利用這種方式進行折減計算，求得邊坡的安全系數.

3.2 飽和-非飽和滲流計算原理

降雨入滲條件下邊坡內部水分的遷移過程屬于典型的飽和-非飽和滲流過程，邊坡中非飽和區的滲流與飽和區的滲流一樣，總是從水勢高處想水勢低處流動，滿足達西定律及其連續性方程[10].

v=-k(s)H

(5)

(6)

式中：v為滲流速度；k(s)土體水利滲透系數；s=(θ-θr)/(θs-θr)，為土體飽和度，θ為土體體積含水率，θr為土體殘余體積含水率，θs為土體飽和體積含水率；H=h+Y為總水頭，h=uw/γw為壓力水頭，uw為孔隙水壓力，γw為水的重度，Y為位置水頭；ω為源匯項；C(H)為容水度，C(H)=?θ/?H；t為時間.

飽和-非飽和滲流定解條件.

1) 初始條件

h(X,Y,t)|t=0=h0(X,Y),(X,Y)∈Ω

(7)

2) 邊界條件

h(X,Y,t)|Γ1=h0(X,Y,t),(X,Y)∈Γ1

(8)

Rn(t)|Γ2=-k(s)Hn,(X,Y)∈Γ2

(9)

qn(t)|Γ3=-ε(t)n,(X,Y)∈Γ3

(10)

(11)

式中：h0(X,Y)為全部域Ω對應的初始壓力水頭；h0(X,Y,t)為水頭邊界Γ1對應的壓力水頭；Rn(t)為流量邊界Γ2對應的入滲能力；ε(t)為降雨強度；n為邊界外法線單位向量；qn(t)為降雨入滲邊界Γ3對應的降雨入滲強度；Rs(t)為降雨入滲邊界Γ3對應的實際降雨入滲量.

在非飽和滲流計算中，土體飽和度與基質吸力、水力滲透系數之間的關系采用van Genuchten模型進行擬合.

(12)

(13)

式中：Ψ=ua-uw為基質吸力，ua為孔隙氣壓力；m，n，α為模型擬合參數，m=1-1/n；ks為土體飽和水力滲透系數.

3.3 泥質巖高邊坡三維模型構建

根據泥質灰巖高邊坡初步設計，見圖3.構建邊坡的三維模型[11]，泥質灰巖高邊坡三維模型見圖4.自上而下分別為碎石層、強風化泥質灰巖、中風化泥質灰巖以及板巖，模型在x方向長度為264 m，y方向長度為52 m，z方向邊坡最大高度為170 m，頂部為邊坡表面，四邊形單元共計312 343個，單元節點共計56 641個，對模型側面(x=0,x=264.00,y=0,y=52.00)施加法向位移約束，底部(z=0)設為固定約束邊界，采用摩爾庫倫本構模型進行分析計算，見圖5.在考慮降雨對邊坡穩定性的影響時，取模型底面作為參考基準面，底部為板巖，透水性差，設為不透水邊界，模型兩側邊界，地下水位線以上設為零流量邊界，水位線設為定水頭邊界，模型上表面為降雨入滲邊界，設為流量邊界.

圖3 泥質灰巖高邊坡初步設計

4 泥質灰巖高邊坡穩定性研究

4.1 降雨強度對邊坡穩定性影響研究

降雨強度分別采用34.11，60.00，80.00，100.00和126.34 mm/d，降雨時間為24 h，工況設置情況見表2.

圖4 泥質灰巖自然邊坡三維模型

圖5 模型邊界條件

表2 不同降雨強度對應工況設置表

利用FLAC3D軟件研究降雨入滲對邊坡穩定性的影響，不同工況下降雨入滲引起泥質灰巖高邊坡內部孔隙水壓力變化見圖6.

圖6 不同工況孔隙水壓力變化云圖

在5種不同降雨強度下，歷經24 h后泥質灰巖高邊坡內部孔隙水壓力變化見表3.由表3可知：降雨強度對邊坡內部孔隙水壓力的分布產生可明顯的影響，隨著降雨強度的提高，坡體表面的雨水逐漸增加，其含水量也逐漸增加，表層的孔隙水壓力呈現逐漸減小的趨勢，當降雨強度增大到一定程度時，巖土體達到暫態飽和狀態，邊坡內部孔隙水壓力的變化較小，基質吸力大幅減小.

表3 不同工況孔隙水壓力變化情況匯總 單位：kPa

圖7為不同工況下塑性區云圖，不同降雨強度下坡頂水平位移變化及邊坡穩定性計算結果見圖8和表4.

圖7 不同工況下塑性區云圖

圖8 不同降雨強度下坡頂水平位移變化

表4 不同降雨強度下邊坡穩定性計算結果匯總

由表4可知：隨著降雨強度的增大，泥質灰巖高邊坡的位移變化、剪應力剪應變等都呈逐漸增大趨勢，但是安全系數呈現逐漸減小的趨勢，邊坡的穩定性逐漸降低，工況一～四下邊坡能夠保持穩定狀態，但工況五下邊坡已發生失穩.由圖8可知：工況一～四下邊坡坡頂處水平位移在計算過程中上下波動，經過一段時間后能夠保持穩定，表明邊坡處于穩定狀態，但工況五下邊坡坡頂處的水平位移無限增大，表明滑動體脫離邊坡向遠處一直運動，邊坡已發生失穩.根據工況五下泥質灰巖高邊坡塑性區云圖可知，邊坡在坡腳處發生剪切破壞，坡腳為邊坡發生失穩的剪出口.

4.2 降雨時間對邊坡穩定性影響研究

為了研究降雨時間對泥質灰巖高邊坡穩定性的影響，保持降雨強度34.11 mm/d，設置不同降雨時間12，24，36，48和60 h，研究降雨時間對泥質灰巖高邊坡穩定性的作用.不同降雨時間對應工況見表5.

表5 不同降雨時間對應工況設置表

通過FLAC3D進行計算，不同工況孔隙水壓力變化情況匯總見表6.

表6 不同工況孔隙水壓力變化情況匯總 單位：kPa

由表6可知：隨著降雨時間的延長，滲入邊坡內部的雨水增多，使邊坡含水率增大，由于孔隙水壓力隨著含水率的增大而減小，所以邊坡內部負孔隙水壓力隨著降雨時間的延長呈現逐漸減小的趨勢，并且負孔隙水壓力區域逐漸向邊坡內部發展，基質吸力逐漸降低，邊坡內部巖土體逐漸達到飽和狀態，增大了巖土體的容重，從而對泥質灰巖高邊坡的穩定性產生影響.

不同工況下坡頂水平位移變化和不同降雨強度下邊坡穩定性計算結果匯總見圖9和表7.

圖9 不同工況下坡頂水平位移變化

由表7可知：隨著降雨時間的延長，泥質灰巖高邊坡的位移以及剪應力剪應變等都呈逐漸增大的趨勢，安全系數逐漸變小，邊坡的穩定性逐漸降低.結合圖9可知：從工況一～四，邊坡坡頂水平位移上下波動后保持水平，表示邊坡模型能夠保持穩定狀態，但工況五下邊坡坡頂的水平位移無限增大，滑動體向遠處無限運動，邊坡模型已經發生破壞，邊坡已經處于失穩狀態.

表7 不同降雨強度下邊坡穩定性計算結果匯總

根據塑性區云圖變化，在邊坡坡腳處，剪切屈服單元較為集中，可能會發生破壞，影響邊坡穩定性，因此需要采取措施進行防護.通過模擬研究降雨時間對邊坡穩定性的影響可以得出，在降雨入滲過程中，非飽和區逐漸變成暫態飽和區，并且不斷擴大并延伸，水壓力不斷擴大，基質吸力不斷減小，在滲透力影響下，平衡狀態被打破，最終導致邊坡失穩.

4.3 邊坡開挖對邊坡穩定性影響研究

由于泥質灰巖邊坡開挖會導致邊坡臨空面變化和增大，從而增加高邊坡開挖施工階段失穩風險，因此需要研究邊坡開挖對其穩定性的影響，為邊坡支護設計提供依據.泥質灰巖高邊坡分級開挖見圖10.考慮邊坡開挖過程的最不利狀態，本節數值模擬計算取取降雨強度126.34 mm/d，降雨時間為60 h，開挖過程中不進行支護.

圖10 泥質灰巖高邊坡分級開挖示意圖

不同開挖階段下塑性區以及坡頂水平位移變化見圖11.表8為泥質灰巖高邊坡無支護開挖不同階段計算結果匯總.

由表8可知：第五次開挖后，塑性區已基本貫通，邊坡已發生失穩.通過計算結果可以判斷，泥質灰巖在無支護狀態下進行開挖，在巖土體的回彈作用下，邊坡內部應力、應變發生變化，在達到重新平衡的過程中，邊坡發生變形，降低了邊坡的穩定性，并且根據邊坡開挖過程中塑性區云圖變化，可以確定邊坡坡腳是危險點，屈服單元較為集中，需要進行支護加固，增強泥質灰巖高邊坡的穩定性，防止邊坡失穩.

圖11 不同開挖階段坡頂水平位移變化

表8 泥質灰巖高邊坡無支護開挖不同階段計算結果匯總

5 結 論

1) 降雨強度對泥質灰巖高邊坡影響較大，不同工況下邊坡的安全系數分別為1.138、1.124、1.109、1.083和0.961，當降雨強度為126.34 mm/d時，安全系數小于1，在邊坡坡腳處發生剪切破壞.

2) 不同降雨時間對泥質灰巖高邊坡的影響程度不同，不同工況下邊坡的安全系數分別為1.109、1.097、1.067、1.034和0.917，當降雨時間為60 h時，邊坡的穩定性不足，根據計算結果可以判斷在邊坡坡腳發生剪切破壞，因此不僅需要做好邊坡排水，還應采取支護措施進行加固，防止邊坡在暴雨天氣下發生失穩.

3) 對泥質灰巖高邊坡在開挖過程中的穩定性進行分析，不同開挖階段安全系數分別為1.173、1.148、1.126、1.064和0.962，邊坡開挖對邊坡穩定性的影響較大.并且分析邊坡開挖過程中塑性區云圖可以發現，在邊坡坡腳處，屈服單元較為集中，是邊坡的危險點，因此需要對其進行支護，從而增強邊坡穩定性.