基于數值模擬的含軟弱夾層路塹邊坡穩(wěn)定性分析

顏赫YAN He

（廣東省路橋建設發(fā)展有限公司二廣分公司，廣州 510000）

0 引言

軟弱夾層一般為巖體中力學性質較弱且具有一定厚度的軟弱結構面或結構帶，其厚度相較于鄰近土層較為薄弱，遇水之后易崩解，力學強度和變形模量均較低。在內外動力作用下，坡體容易產生軟弱夾層的滑動。隨著人類工程活動的日益頻繁，全球已發(fā)生了多起含軟弱地層邊坡滑坡災害，給人民生命財產安全造成較大的損失。開展含軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性分析研究已成為巖土工程界的關鍵技術問題[1-2]，對預防滑坡災害的發(fā)生具有重要的理論和實際意義。

目前，國內外諸多學者圍繞含軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性問題進行了深入研究，并取得了積極的進展[3-5]。皮曉清等[6]基于有限元極限上限法，建立了含軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性分析非線性規(guī)劃模型，經優(yōu)化求解后得到了不同軟弱夾層條件參數下的邊坡安全系數及破壞模式。李龍起等[7]通過開展大型地質力學模型試驗，對降雨入滲條件下坡體內部軟弱夾層泥化特征進行研究，揭示了不同巖層傾角和支護結構條件下的坡體位移發(fā)展模式。范昊天等[8]以蘇州清明山滑坡為研究對象，采用顆粒流軟件對含有軟弱結構面的邊坡開展動態(tài)模擬分析，總結出了該滑坡的演化過程及破壞機理。

本文通過數值模擬分析，以某高速公路右側路塹邊坡為例，分別建立含有軟弱夾層和不含軟弱夾層的路塹邊坡計算模型，并依次對其展開坡體開挖、降雨條件的模擬工況，以此來研究軟弱夾層對邊坡穩(wěn)定性的影響程度，為預防滑坡變形失穩(wěn)提供一定的參考價值。

1 工程概況

某高速公路左幅一處二級路塹邊坡，最大坡高約15m，分級坡高8m，坡率為1:1，一、二級邊坡均采用人字形骨架+植草防護。邊坡所在區(qū)域屬丘陵地貌，地形起伏明顯，植被較為發(fā)育，自然坡度多呈14°～25°，線路走向309°，邊坡坡向219°。據有關現場地質調查結果，該邊坡地層主要由坡殘積粉質黏土、全～強風化泥質砂巖以及中風化泥質砂巖所組成，其中，粉質黏土與強風化泥質砂巖層間見多層軟弱夾層（泥灰?guī)r、泥巖），且?guī)r層順向坡。

在連續(xù)降雨期間，雨水沿孔隙向坡體內部滲入，巖土體含水量增加且逐漸趨于飽和，致使軟弱夾層呈泥化流塑狀，抗滑力急劇減弱，加之上部覆蓋層容重增加，下滑力有所增大，因而造成了沿層間軟弱結構帶的順層滑動。

2 數值計算模型

為充分考慮軟弱夾層對邊坡穩(wěn)定性的影響程度，選取具有一定代表性的剖面作為研究對象，分別建立了含有軟弱夾層與不含軟弱夾層的邊坡模型。其中，圖1為含有軟弱夾層的邊坡數值計算模型。

圖1 數值計算模型

基于控制精度、合理簡化的原則，結合相關設計勘察資料，在原始地層條件的基礎上建立了長215m，高度100m的數值計算模型。地層分布從上到下依次為粉質黏土、強風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖，其中，軟弱夾層位于坡體內粉質黏土與強風化泥質砂巖分界處，整體厚度為0.5～2.0m，長度約30m。模型兩側采用水平零位移約束，底部采用雙向零位移約束，本構模型采取了適用于巖土體的Mohr-Coulomb模型。不考慮其他巖體結構面，在巖土力學強度參數中充分考慮了地下水的影響和作用，相關巖土體力學參數如表1所示。

表1 巖土物理力學參數

3 數值計算結果分析

該邊坡分別經歷了一級開挖、二級開挖、連續(xù)降雨等歷時發(fā)展階段，在不同階段下坡體均表現出獨特的變形特性。因此，接下來將依次開展不同歷時階段下含有軟弱夾層與不含軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性對比分析，探討軟弱夾層對邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的影響程度。

3.1 最大剪應變發(fā)展

圖2、圖3分別顯示了不含軟弱夾層以及含有軟弱夾層邊坡的最大剪應變云圖。

圖2 不含軟弱夾層邊坡最大剪應變云圖

圖3 含軟弱夾層邊坡最大剪應變云圖

觀察不含軟弱夾層邊坡最大剪應變云圖，可以發(fā)現，一級開挖后，由于應力松弛作用，一級坡腳處出現局部剪切變形；二級開挖后，坡腳處變形范圍小幅增大，同時坡體內沿覆蓋層底部出現局部剪切變形；在連續(xù)降雨作用下，剪切變形區(qū)域有所擴展，但并未出現剪切貫通，邊坡尚未達到滑移破壞階段。

觀察含有軟弱夾層邊坡最大剪應變云圖，可以發(fā)現，一級開挖后，除了一級坡腳處出現變形外，坡體內部的軟弱夾層也出現部分剪切變形；二級開挖后，軟弱夾層的剪切變形程度有所增大，變形區(qū)域向坡頂處延伸；在連續(xù)降雨作用下，軟弱夾層的變形幅度進一步增大，剪切變形帶完全貫通，致使整個滑坡體從坡頂處張拉錯開，并沿其內部軟弱夾層向坡腳處剪切擠出。

由此可見，軟弱夾層的存在明顯增大了滑坡災害發(fā)生的風險程度，造成了沿層間軟弱結構帶的順層滑動。除此之外，開挖卸荷后造成坡面應力松弛，坡體下部支撐力減少，增大了滑坡發(fā)生的風險；而連續(xù)降雨作用造成坡體內巖土體含水量增加，軟弱夾層逐漸趨于飽和，巖土體力學強度降低，呈現出流塑泥化狀態(tài)，為形成坡體滑移路徑創(chuàng)造了條件。

3.2 邊坡穩(wěn)定性對比分析

運用強度折減法，分別計算在不同歷時階段下含有軟弱夾層與不含軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定系數，如表2所示。

表2 不同歷時階段下邊坡穩(wěn)定系數一覽表

圖4顯示了不同工況時步下邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)變化。觀察發(fā)現，當邊坡含有軟弱夾層時，在開挖卸荷、連續(xù)降雨工況作用下，邊坡穩(wěn)定系數一度降低到1.03，處于蠕動滑移階段，因此不得不立即施加預應力錨索進行加固處理。而不含軟弱夾層的邊坡在經過開挖后，穩(wěn)定系數降低到1.30，仍處于比較安全的狀態(tài)，即使是經歷連續(xù)降雨作用后，穩(wěn)定系數仍保持在1.16，依然符合《公路路基設計規(guī)范》中對于非正常工況穩(wěn)定系數的規(guī)定。綜合來看，當邊坡含有軟弱夾層時，各歷時階段的穩(wěn)定系數均比不含軟弱夾層邊坡的穩(wěn)定系數低0.1左右，進而極大加重了邊坡滑坡災害發(fā)生的可能性，迫使相關設計施工人員不得不采取更為耗時耗力的防護措施。

圖4 不同工況時步下邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)變化圖

4 結論

基于數值模擬方法，開展了不同歷時階段下含有軟弱夾層與不含軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性對比分析研究，探討了軟弱夾層對邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的影響，得出以下結論：

①當邊坡含有軟弱夾層時，各歷時階段的穩(wěn)定系數均比不含軟弱夾層邊坡的穩(wěn)定系數低0.1左右，顯著增大了滑坡災害發(fā)生的風險程度。

②開挖卸荷和降雨入滲是造成邊坡滑坡的外界誘因，致使坡體抗滑力降低，軟弱夾層表現為流塑泥化狀態(tài)，為形成滑坡體滑移路徑創(chuàng)造了條件。

③對于存在軟弱夾層的邊坡，可以考慮采用新型擴體錨桿作為加固防治手段，將其插入軟弱夾層以下的深層土體內部，能充分調動深部巖土體的協(xié)同受力承載能力，從而達到穩(wěn)定邊坡的目的。