軟硬交互地層邊坡穩定性計算及防護建議

陳坤

摘 要：通過分析軟硬交互地層的研究現狀，并結合某邊坡工程實例，采用理正巖土進行穩定性計算，對比了自然與暴雨狀態下軟硬交互地層的穩定性，提出了防護建議，以期對后續類似工程的設計和施工提供參考。

關鍵詞：軟硬交互地層；穩定性計算；邊坡工程

中圖分類號：U418.52? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2024）05-0004-03

1 軟硬交互地層的工程特性

軟硬交互地層主要發育于沉積巖和變質巖中，由韻律狀沉積的泥巖、砂巖、煤層堅硬程度差異明顯的兩類或兩類以上巖組構成，且多呈互層狀分布。根據定義，對于同一土層中相間呈韻律沉積，當薄層與厚層的厚度比大于1/3時，宜定為互層；當厚度比為1/10～1/3時，宜定為“夾層”，當厚度比小于1/10的巖土層，且多次出現時，宜定為“夾薄層”；軟硬互層地層通常會出現3種結構：硬巖為主夾軟巖結構、軟巖為主夾硬巖結構、軟硬互層結構[1]。

不同的結構代表著不同的巖層力學性質，因而在開挖時會有不同的變形破壞模式，其中軟硬互層結構的變形破壞模式介于前兩者之間。軟硬互層巖體不同巖層的力學性質不同，在受拉時產生裂隙的時間、程度以及沿著臨空面發生的移動量也有所差異。軟硬互層地層的地質結構復雜，巖層的層厚、強度、傾角以及施工工況等都將影響邊坡的力學性能及破壞特征，這對軟硬交互地層邊坡的穩定性及治理技術提出了較高要求，需要考慮多種影響因素進行系統分析。

馬福榮[2]對南寧盆地軟硬水平互層泥巖的物理力學性質、強度特性進行了研究，討論了互層泥巖強度變化規律與物理力學特性的影響因素。馬福榮[3]基于單軸抗壓試驗和三軸剪切試驗，研究了軟硬互層泥質巖試樣的破壞特征，提出了與均質巖石不同的三種破壞模式：脆性-擴容破壞、擴容-刺入破壞及塑性擴容破壞。

軟硬互層巖質邊坡的開挖過程實質就是卸荷過程，由于軟巖互層的特殊存在，不同的開挖過程對應著不同的卸荷過程，也決定著邊坡的破壞特征。

孟欣采用數值試驗和數值模擬方法，研究了軟硬互層巖體在三軸壓縮及卸荷下的破壞過程，分析了開挖前后邊坡的應力應變、位移、塑性區等變化情況，計算了軟硬互層巖質邊坡實際工程在不同工況下的開挖穩定性。邊坡的應變主要發生在軟巖層內且多集中于開挖擾動區域[4]。邊坡的主要位 移為坡腳的水平位移及坡頂的豎向沉降。塑性區及應變均呈現由離新開挖面最近的軟巖層坡腳沿一定的弧面向坡頂擴展的分布規律。

2邊坡穩定性計算的方法

極限平衡法是工程實踐中工程師們常用的一種定量分析方法。首先假設邊坡存在潛在滑裂面，然后取破壞面上土體為脫離體，并進行分條和力系簡化處理，求出脫離體達到靜力平衡時土體所需的抗力與破壞面實際提供的土體抗力值，從而最終求得相應的安全系數。

隨著計算理論和精度的不斷提高和工程實踐的應用，極限平衡法也得到了一些應用。鄭穎人[5]在極限平衡解析法的基礎上導出了單階和多階斜坡的穩定安全系數，提出了各種條分法的統一迭代式公式。張均鋒[6]針對邊坡穩定分析中的二維Janbu條分法局限性，對三維簡化的Janbu法進行了擴展，提出了各條塊底滑面的幾何特性與受力分析給出其獨立的安全系數以及各條塊潛在的滑動方向的推斷。2005年張均鋒[7]基于二維法提出了一種滿足所有條塊力與力矩平衡的三維極限平衡方法，該法可以解決存在地下水和分層地質條件的土坡穩定問題。在工程實際的計算中，為了簡化計算，往往基于極限平衡法，作出如下假設：土體為剛塑性材料，設滑動面上的每個點都是同一個安全系數，不考慮土體的應力應變關系。這樣算出來的結論與實際的偏差性有限，也可以用于指導實際施工。

“理正巖土”是北京理正軟件公司出品的邊坡穩定分析系統軟件，是針對鐵路、公路路基設計而開發的專業設計軟件，目前其計算方法和精度已經得到行業內的認可。該軟件選用的計算方法有瑞典條分法、簡化Bishop法、JanBu法3種，可通過自動搜索最危險滑動面形狀來計算剩余下滑力。

3 邊坡概況

某軟硬交互地層邊坡段長約320 m，位于剝蝕丘陵地貌區，山體自然坡體坡度約10～25°，山頂呈渾圓狀，坡底為沖溝，地表高程在92.30～159.50 m，相對高差約68 m。山體表層植被發育，自然斜坡整體穩定性較好。因工程建設需要開挖邊坡，坡底標高為123.0 m，最大開挖處邊坡高約31.83 m。根據勘察，邊坡坡體的地層主要為強風化泥巖、強風化粉砂巖交互出現，下部為褐灰色夾褐黃色強風化泥巖，表層含有少量的硬塑狀粉質黏土、全風化泥巖層。區域內巖層產狀為250°∠16°。各土層的巖土參數見表1。

4 邊坡穩定性分析

4.1 開挖工況

當該邊坡開挖后，最大開挖高度約31.83 m，將會形成高邊坡，邊坡坡體主要由粉質黏土、全-強風化泥巖、強風化粉砂巖組成，屬土質邊坡。在此選取典型橫斷面，采用利用理正巖土計算系列軟件6.5版簡化Janbu法，對開挖后的邊坡進行穩定性計算分析。圓弧穩定分析采用自動搜索最危險滑裂面。當土條重切向分力與滑動方向反向時按當下滑力對待，條分法的土條寬度、搜索時的圓心步長及搜索時的半徑步長均設置為2 m。在邊坡開挖后，邊坡高約32.0 m，邊坡坡向為166°，坡角約35°。在自然狀態下，采用天然狀態參數按20°進行預放坡，經驗算后為邊坡處于不穩定狀態，穩定為0.861，未治理前邊坡穩定性計算簡圖如圖1。當處于暴雨工況下時，經驗算后邊坡處于不穩定狀態，穩定系數為0.673。

當參照《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）規定及地區經驗，考慮右側邊坡擬分四級開挖，自下而上坡率分別為1：1.5、1：1.5、1：1.75、1：2，坡高每隔10 m設置一道邊坡平臺，平臺寬不小于2.0 m。經計算，邊坡在自然狀態下處于穩定狀態，穩定系數為1.767，在飽和狀態下在自然狀態下處于穩定狀態，穩定系數為1.431。 放坡后邊坡穩定性計算簡圖見圖2。

按擬定坡率開挖后，在正常工況下坡體安全系數K=1.767＞1.20，滿足路基設計規范要求，邊坡處于穩定狀態；非正常工況Ⅰ下坡體安全系數K=1.431＞1.10，滿足規范要求，邊坡處于穩定狀態。但由于邊坡地層主要為粉質黏土、全～強風化泥巖，均為土狀、土柱狀，其最可能破壞形式為在圓弧滑動破壞。

4.2 穩定性對比分析

通過計算發現，按80°開挖遇見暴雨工況時，邊坡的穩定性系數降幅為21.8%。采用分級放坡開挖遇見暴雨工況時，邊坡的穩定性系數降幅為20.1%。這主要是由于降雨時雨水大量滲入土體，增加土體自重，大量雨水入滲到表層風化巖體，雨水沿巖石風化裂隙流通，進一步破壞表層巖體的破碎度，并降低其穩定性。

4.3 邊坡防護建議

綜上定性和定量分析所述，在正常工況下及非正常工況Ⅰ下，左右邊坡安全系數均能滿足規范要求。但構成邊坡地層的粉質黏土、全-強風化泥巖巖石風化強烈，構成坡體的大部分巖體結構已破壞，多呈土狀，抗風化和抗沖刷能力均較差，強降雨時，邊坡易產生掉塊、坍塌、崩塌等變形破壞，水對穩定性的影響較大。

建議左、右兩側邊坡作必要的防護工程，盡量利用地形條件適當放緩，在左側邊坡設置擋墻或其他支護結構，在右側邊坡設置錨桿格構梁等支護措施，并對邊坡進行噴播綠化防護。邊坡開挖應盡量避開雨季施工，施工過程中應嚴格采用逆作法，并做到“逐級開挖，逐級防護”的要求，要求邊坡開挖后盡快完成坡面封閉，坡頂和平臺位置處應設置截水溝和平臺排水溝。

5 結束語

通過采用理正巖土對某軟硬互層邊坡的穩定性進行了分析計算，考慮一定放坡的條件下，邊坡可處于穩定狀態下。在特大暴雨或持續降雨條件下，隨著降雨入滲、地下水位抬升，巖土體達到飽和狀態，穩定系數顯著降低，說明降雨是該類邊坡失穩的誘發因素，因此在設計和施工過程中，應特別注意截水和排水設施的配置。

軟硬交互地層大多數以泥質巖為主，且形成時間較短，甚至半固結成巖。其性質上接近于土，巖土層試驗參數低，且往往具有膨脹性。軟硬交互地層的軟硬層交界面上的界面力學與傳力機制，是影響邊坡穩定的重要因素，需作進一步研究。

參考文獻

[1] 宋玉環.西南地區軟硬互層巖質邊坡變形破壞模式及穩定性研究[D].成都：成都理工大學，2011.

[2] 馬福榮，張信貴，麻榮廣.南寧盆地軟硬水平互層泥巖強度特性分析[J].廣西大學學報自然科學版，2012，37（1）：147-151.

[3] 馬福榮，南寧盆地軟硬互層泥質巖的破壞模式及承載特性研究[D].南寧：廣西大學，2018.

[4] 孟欣，軟硬互層巖質高邊坡開挖穩定性分析及治理研究[D].重慶：重慶交通大學，2021.

[5] 鄭穎人等，邊坡穩定分析的一些進展[J].地下空間，2001，21（4）： 262-271.

[6] 張均鋒.三維簡化Janbu法分析邊坡穩定性的擴展[J].巖石力學與工程學報，2004，23（17）：2876-2881.

[7] 張均鋒，丁樺.邊坡穩定性分析的三維極限平衡法及應用[J].巖石力學與工程學報，2005，24（3）：365-370.