軟弱結構面位置對巖質順傾邊坡穩定性的影響

譚銀龍，許萬忠，張黎明，曹國獻，賈建強

(1.昆明理工大學國土資源工程學院地球科學系，云南 昆明 650093；2.昆明煤炭設計研究院有限公司，云南 昆明 650011)

0 引 言

眾所周知，巖質邊坡的穩定性主要由巖體結構面控制，根據結構面的膠結和充填情況，可分為硬性結構面和軟弱結構面[1]。其中，軟弱結構面是巖質邊坡穩定性研究的重點。巖質順傾邊坡是最容易發生失穩的邊坡類型之一，該類邊坡穩定性主要受結構面物理力學參數、結構面產狀及邊坡傾角、巖層走向等因素的影響，其中軟弱結構面指標是邊坡穩定性的主控因素。很多學者針對結構面各種指標對巖質順傾邊坡的穩定性的影響進行了研究。馮君等[2]利用地質力學模型試驗方法分析巖層傾角以及結構面抗剪強度對順層巖質邊坡穩定性的影響；林杭等[3]利用FLAC3D分析不同結構面傾角與順傾巖質邊坡穩定性之間的關系；盧敦華等[4]利用FLAC3D分析結構面的黏聚力和內摩擦角對層狀巖體邊坡安全系數和滑動面的變化規律的影響；魏俊奇等[5]利用MSC.Marc分析結構面間距不同時順層巖質邊坡失穩破壞位置；黃帥等[6]研究了結構面各參數對巖質順層邊坡穩定性的影響；龍建輝等[7]基于極限平衡法，分析含軟弱夾層順層巖質邊坡在降雨作用下的多級滑動模式；楊金旺等[8]研究發現，順層巖質高邊坡穩定安全的控制性結構面為層間錯動帶及其上盤巖體內的軟弱結構面。

由上可知，結構面參數對巖質順傾邊坡穩定性的影響已有較多研究，但對于巖質順傾邊坡軟弱結構面的位置對邊坡破壞模式影響的研究則較為少見。為此，本文以耿馬縣河底崗某石灰巖開采礦山為工程背景，充分考慮軟弱結構面位置對邊坡穩定性的影響，采用GeoStudio及MIDAS/GTS軟件，對該巖質順傾邊坡的破壞失穩模式進行研究。

1 巖質邊坡穩定性分析基本理論

1.1 簡化Bishop法

極限平衡法是當前國內外應用最廣的邊坡穩定分析方法，其中Bishop法是一種適合于圓弧形破壞滑動面的邊坡穩定性分析方法[9]。在GeoStudio的Slope/W模塊中，選擇簡化Bishop法計算分析巖質順傾邊坡的穩定性系數。

1.2 有限元強度折減法理論

在采用有限元軟件MIDAS/GTS分析邊坡穩定性時，穩定性系數的計算采用有限單元法中的強度折減法(SRM)[10-15]。有限元強度折減法是指對巖土體的黏聚力c和內摩擦角tanφ進行同一比例折減，把計算不收斂作為邊坡處于臨界失穩的判據，此時邊坡的穩定性系數即為強度折減系數。

2 工程背景

河底崗露天灰巖礦山邊坡最終開采境界邊坡高度約180 m，選取典型計算剖面Ⅱ—Ⅱ′(見圖1)，對最終開采境界邊坡進行穩定性分析，該剖面巖層產狀與開采邊坡傾向相同，發育1組優勢結構面，代表性產狀215°∠20°，傾角小于邊坡開挖坡角，將其看作軟弱結構面，從而分析結構面空間位置對巖質順傾邊坡穩定性的影響。

進行相關的巖石物理力學試驗，部分試驗見圖2。所得到的物理力學參數包括巖石的容重、單軸抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比、抗剪強度指標等。為綜合評定礦區邊坡巖體的力學指標，將上述試驗獲得的巖石物理力學指標，通過折減系數法、工程規范法、Hoek-Brown強度準則以及計算巖體BQ值等4種方法確定后，結果見表1。

圖2 部分試驗

表1 巖體物理力學參數

3 有限元分析計算

為研究軟弱結構面位置對順層巖質邊坡穩定性的影響，假設不考慮軟弱結構面其他影響因素，軟弱結構面厚度取2.0 m，按照結構面與坡腳位置的不同，將計算分析模型分為結構面穿過坡腳、結構面在坡腳之上、結構面在坡腳之下3種情況。分析計算時將巖體與軟弱結構面均看成各向同性體，采用M-C屈服準則作為模型計算時的本構模型，運用MIDAS/GTS軟件進行有限元穩定性計算。邊坡簡化模型見圖3。

圖3 邊坡簡化模型(單位：m)

3.1 軟弱結構面穿過坡腳

軟弱結構面穿過坡腳時邊坡最大剪切應變云圖見圖4。從圖4可知，當軟弱結構面穿過坡腳時，邊坡沿軟弱結構面發生破壞失穩的可能性較大。

圖4 軟弱結構面穿過坡腳時邊坡最大剪切應變云圖

3.2 軟弱結構面位于坡腳上部

取該狀況下軟弱結構面與坡腳豎向距離分別為20、30、40、50 m以及60 m計算。軟弱面位于坡腳上部40 m時邊坡最大剪切應變云圖見圖5。軟弱面位于坡腳上部距離與邊坡穩定性系數的關系見圖6。從圖5、6可知，軟弱結構面位置對巖質順傾邊坡穩定性有較大影響，軟弱結構面愈接近坡腳，邊坡的穩定性系數愈小，隨著軟弱結構面逐漸遠離坡腳，邊坡的穩定性系數逐漸提高，此時潛在滑移面穿越軟弱結構面并從坡腳剪出。

圖5 軟弱面位于坡腳上部40 m時邊坡最大剪切應變云圖

圖6 軟弱面位于坡腳上部距離與邊坡穩定性系數的關系

3.3 軟弱結構面位于坡腳下部

取該狀況下軟弱結構面與坡腳豎向距離分別為20、30、40、50 m以及60 m計算。軟弱面位于坡腳下部40 m時邊坡最大剪切應變云圖見圖7。軟弱面位于坡腳下部距離與邊坡穩定性系數的關系見圖8。從圖7、8可知，隨軟弱結構面距離坡腳下部的位置越遠，軟弱結構面對邊坡穩定性的影響越小，此時邊坡失穩的潛在滑移面將與軟弱結構面無關。

圖7 軟弱面位于坡腳下部40 m時邊坡最大剪切應變云圖

圖8 軟弱面位于坡腳下部距離與邊坡穩定性系數的關系

4 極限平衡計算

4.1 軟弱結構面穿過坡腳

采用GeoStudio在Slope/W模塊中運用極限平衡法中的簡化Bishop法，計算軟弱結構面穿過坡腳狀況下的邊坡穩定性。軟弱面穿過坡腳邊坡潛在滑移面示意見圖9。從圖9可知，當軟弱結構面穿過坡腳時，邊坡沿軟弱結構面發生失穩破壞的可能性較大。

圖9 軟弱面穿過坡腳邊坡潛在滑移面示意

4.2 軟弱結構面位于坡腳上部

為分析軟弱結構面位于坡腳上部不同位置對邊坡穩定性的影響，取該狀況下軟弱結構面與坡腳豎向距離分別為20、30、40、50 m以及60 m計算。軟弱面位于坡腳上部40 m時邊坡潛在滑移面示意見圖10。軟弱面位于坡腳上部距離與邊坡穩定性系數的關系見圖11。從圖10、11可知，軟弱結構面的位置對巖質順傾邊坡有較大的影響，軟弱結構面愈接近坡腳，邊坡的穩定系數愈??；隨著軟弱結構面逐漸遠離坡腳，邊坡的穩定性系數逐漸提高，此時潛在滑移面將穿越軟弱結構面并從坡腳剪出。

圖10 軟弱面位于坡腳上部40 m時邊坡潛在滑移面示意

圖11 軟弱面位于坡腳上部距離與邊坡穩定性系數的關系

4.3 軟弱結構面位于坡腳下部

取該狀況下軟弱結構面與坡腳豎向距離分別為20、30、40、50 m以及60 m計算。軟弱面位于坡腳下部40 m時邊坡潛在滑移面示意見圖12。軟弱面位于坡腳下部距離與邊坡穩定性系數的關系見圖13。從圖12、13可知，隨軟弱結構面距離坡腳下部的位置越遠，軟弱結構面對邊坡穩定性的影響越小，此時邊坡失穩的潛在滑移面與軟弱結構面無關。

圖12 軟弱面位于坡腳下部40 m時邊坡潛在滑移面示意

圖13 軟弱面位于坡腳下部距離與邊坡穩定性系數的關系

不同方法得到的軟弱結構面位于坡腳不同位置與邊坡穩定性的關系見圖14。從圖14可知：

圖14 軟弱結構面位于坡腳不同位置與邊坡穩定性系數的關系

(1)基于SRM和Bishop法計算得出的巖質順傾邊坡的穩定性系數隨軟弱結構面距離坡腳位置的規律幾乎一致，隨著軟弱結構面遠離坡腳，含軟弱結構面的巖質順傾邊坡的穩定系數逐漸升高，表明軟弱結構面越接近坡腳，發生失穩破壞的可能性越大。

(2)由于計算原理和計算方法的不同，2種方法得到的穩定性系數有所不同，SRM在天然工況下得出的穩定性系數比Bishop法在天然工況下得出的穩定性系數平均高出約3.18%，與文獻[16]的結論較為接近，從而說明這2種計算方法得出的結果具有一致性。

5 結 語

本文基于GeoStudio及MIDAS/GTS軟件對軟弱結構面位置對巖質順傾邊坡穩定性的影響進行了研究，得出以下結論：

(1)軟弱結構面的位置對巖質順傾邊坡穩定性有較大的影響，當軟弱結構面穿越坡腳時，邊坡潛在滑移面一般也將穿越坡腳剪出。

(2)當軟弱結構面處于坡腳上方時，邊坡潛在滑移面一般將穿過軟弱結構面并從坡腳剪出。

(3)當軟弱結構面處于坡腳下方時，隨軟弱結構面距離坡腳的位置越遠，軟弱結構面對邊坡穩定性的影響越小，此時邊坡失穩的潛在滑移面將與軟弱結構面無關。

(4)基于SRM和Bishop法計算得出的邊坡穩定性系數的變化規律基本一致，SRM在天然工況下得出的穩定性系數比Bishop法在天然工況下得出的穩定性系數平均高出約3.18%，表明2種計算方法所反映的規律具有一致性。