，，, ，

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 研究背景

單面山又稱半屏山，是由單斜巖層構(gòu)成的一邊極斜一邊極緩的山。較緩側(cè)的坡度常與巖層傾向一致，而另一側(cè)的斜坡與層面近似垂直[1]。硅質(zhì)巖在廣西廣泛分布，多呈層狀，巖石硬度大，但較脆易裂，節(jié)理發(fā)育[2]。硅質(zhì)巖單面山為坡度25°～45°的單斜山體(圖1(a))，硅質(zhì)巖表層光滑如鏡(圖1(b))，巖體堅(jiān)硬難以破碎，而在開挖后的巖體卻呈現(xiàn)一種鋸齒狀破碎現(xiàn)象，且層間的裂隙十分發(fā)育，我國中西部地區(qū)山區(qū)分布廣泛，隨著山區(qū)公路、鐵路的建設(shè)，不可避免地進(jìn)行邊坡的開挖，而層狀巖質(zhì)邊坡是在建設(shè)工程中常常遇到的類型。

(a) 單面山

(b)硅質(zhì)巖光滑平直的層面圖1 硅質(zhì)巖單面山Fig.1 Silica stone cuesta slope

以往對(duì)于硅質(zhì)巖的研究主要集中在沉積環(huán)境、化學(xué)成分及其分布[3-6]。對(duì)于硅質(zhì)巖的力學(xué)性質(zhì)的研究，黃宇[7]通過對(duì)資興高速硅質(zhì)巖的室內(nèi)試驗(yàn)，得到了硅質(zhì)巖的強(qiáng)度參數(shù)；玉華柱[8]對(duì)百色水利樞紐左岸的硅質(zhì)巖邊坡進(jìn)行調(diào)查，得到該處硅質(zhì)巖具有硬、脆、碎的特點(diǎn)，短小節(jié)理發(fā)育。順層邊坡的破壞與失穩(wěn)是巖土工程重大災(zāi)害之一，研究其破壞類型，機(jī)制及穩(wěn)定性具有現(xiàn)實(shí)意義[9]?？偨Y(jié)順層邊坡的變形破壞模式為蠕滑—拉裂、滑移—壓致拉裂、滑移—拉裂、滑移—彎曲等[10]。胡啟軍[11]認(rèn)為順層滑坡失穩(wěn)與破壞機(jī)理一般為滑移拉裂破壞與潰屈破壞，其中滑移拉裂破壞一般見于開挖的人工邊坡，而潰屈破壞一般發(fā)生在自然邊坡中；鄧榮貴等[12]結(jié)合重慶—懷化鐵路的論證設(shè)計(jì)，探討了緩傾角和中等傾角順層巖質(zhì)路塹邊坡失穩(wěn)范圍的計(jì)算；鄭立寧[13]對(duì)影響順層邊坡手段局部破壞范圍的因子進(jìn)行敏感度分析，結(jié)合國內(nèi)已破壞順層邊坡數(shù)據(jù)樣本的修正，建立了順層邊坡首段局部破壞范圍計(jì)算公式及計(jì)算步驟。

對(duì)于坡體破壞的模擬方法，強(qiáng)度折減法應(yīng)用廣泛且結(jié)果可靠，如林杭等[14]運(yùn)用FLAC3D采用強(qiáng)度折減法模擬坡體的破壞模式，在坡角不變的情況下，得到水平層狀邊坡坡頂變形破壞早于坡面和坡腳；當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角較小時(shí)，順傾向?qū)訝钸吰轮饕l(fā)生滑移破壞；當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角較大時(shí)，發(fā)生彎折—潰曲破壞。鄭志勇等[15]采用強(qiáng)度折減法研究了軟硬互層邊坡在不同巖層厚度、不同傾角下的破壞模式和穩(wěn)定性。張社榮等[16]通過使用Sarma法和強(qiáng)度折減法對(duì)層狀巖質(zhì)邊坡進(jìn)行計(jì)算，得出二者結(jié)果總體相差不大，安全系數(shù)與變化規(guī)律基本相同，表明使用強(qiáng)度折減法進(jìn)行巖質(zhì)邊坡的計(jì)算是可靠的。

對(duì)于影響邊坡穩(wěn)定性的因素分析，龔文惠等[17]對(duì)順層巖體路塹邊坡在開挖過程不同階段的應(yīng)力、變形、結(jié)構(gòu)面上的摩擦力和邊坡的穩(wěn)定性等進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)它們明顯受開挖效應(yīng)的影響，邊坡的安全系數(shù)也隨著開挖階段的深入而逐漸降低；夏開宗等[18]針對(duì)滬蓉國道順層軟硬巖互層邊坡，發(fā)現(xiàn)層面傾角和軟弱層面的強(qiáng)度對(duì)穩(wěn)定性起控制作用；程?hào)|幸等[19]針對(duì)廣西龍灘水電站左岸邊坡的巖體參數(shù)對(duì)反傾巖質(zhì)邊坡的影響因素進(jìn)行了多工況分析，得到了反傾坡角的優(yōu)勢(shì)范圍。

在現(xiàn)有研究中，大多為分別對(duì)順層邊坡與反傾邊坡的破壞模式、破壞條件等方面的研究，對(duì)于含軟弱夾層的巖質(zhì)單面山的破壞模式及施工條件對(duì)于坡體穩(wěn)定性及破壞模式影響的研究少有涉及。本文以廣西資興高速硅質(zhì)巖單面山路塹邊坡為研究對(duì)象，先通過單軸壓縮變形試驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)及直接剪切試驗(yàn)得到硅質(zhì)巖的物理力學(xué)參數(shù)，為評(píng)價(jià)坡體的穩(wěn)定性及設(shè)計(jì)合理的治理措施提供依據(jù)；然后使用MIDAS GTS NX軟件采用強(qiáng)度折減法(SRM)，通過對(duì)比邊坡坡角、結(jié)構(gòu)面間距、開挖坡率及平臺(tái)寬度4個(gè)因素的影響進(jìn)行硅質(zhì)巖單面山路塹邊坡的穩(wěn)定性影響因素分析，以期將結(jié)論應(yīng)用于其他硬質(zhì)巖單面山邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

2 資興高速硅質(zhì)巖邊坡的破壞

資(源)—興(安)高速是國家高速公路網(wǎng)中安(康)—北(海)高速公路的組成部分，也是《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃修編》中新增縱2線資源(梅溪)—鐵山港的一個(gè)重要路段。路線所處區(qū)域?qū)偕綆X地貌區(qū)，區(qū)域內(nèi)主要的山脈長達(dá)40 km以上，以中山或低中山地貌為主，其中梅溪往南至資源為單面山地貌。研究區(qū)位于江南地軸南緣與湘桂褶皺帶交匯處，為揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)和南華準(zhǔn)地臺(tái)的過渡地帶，路線區(qū)域內(nèi)形成的褶皺和斷裂展布基本呈北北東向構(gòu)造，研究區(qū)附近發(fā)育資興斷裂，產(chǎn)狀為294°∠20°，為低角度正斷層，與線路走向基本一致。根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)，研究區(qū)所在區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度<0.05g，相應(yīng)地震基本烈度小于Ⅵ度。

由于硅質(zhì)巖的強(qiáng)度較高，受水后變化小，在一般無貫通的軟弱帶或軟層受壓緊密不易滑動(dòng)的條件下，不易發(fā)生大規(guī)模邊坡失穩(wěn)破壞。但是由于路塹邊坡的開挖，既形成了臨空面，又將結(jié)構(gòu)面暴露出來。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)巖單面山路塹邊坡的破壞模式主要為滑移—拉裂破壞和受控于結(jié)構(gòu)面組合形成楔形滑塊及追蹤節(jié)理形成階梯狀滑面。

(1)滑移—拉裂破壞。在路塹邊坡開挖過程中，巖體內(nèi)原有的應(yīng)力及應(yīng)變發(fā)生變化，由于開挖形成臨空面，巖體在自重應(yīng)力的作用下沿層面向臨空面方向滑移，隨著位移量的不斷增加，巖體逐漸拉裂解體，拉裂面一旦貫通就會(huì)迅速滑落。

(2)楔形或階梯狀順層破壞。坡體中發(fā)育有2組以上產(chǎn)狀相對(duì)固定的結(jié)構(gòu)面時(shí)，層面與結(jié)構(gòu)面的組合方式控制著坡體的破壞模式，一般取決于產(chǎn)狀較為不利的優(yōu)勢(shì)節(jié)理，常組合形成楔形滑塊或追蹤節(jié)理形成階梯狀滑面。

根據(jù)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)巖單面山的坡角為20°～45°，層間結(jié)構(gòu)面較軟弱，且不同層厚的邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象也不同，說明硅質(zhì)巖單面山路塹邊坡的穩(wěn)定性受到多個(gè)因素的影響。

3 邊坡穩(wěn)定性影響因素的數(shù)值模擬

3.1 模型建立及邊界條件

研究區(qū)在廣西壯族自治區(qū)桂林市資源縣境內(nèi)，路線穿越鴨子頭河?xùn)|岸的斜坡地帶(110°42′33.91″E，26°06′29.23″N)，植被發(fā)育，低山地貌，路塹邊坡高程495～548 m，相對(duì)高差約53 m，地形為單面山。坡體在縱向上呈直線型，坡度總體約為30°。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，坡體上部為約0.4 m厚的坡積物，褐黃色，土質(zhì)不均，含礫石約25%，硬塑；下部為硅質(zhì)巖，青灰色，巖石堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，以張開為主，中風(fēng)化。研究區(qū)地下水類型主要有孔隙水及基巖裂隙水，其中孔隙水主要分布在坡積層中，基巖裂隙水主要分布于硅質(zhì)巖裂隙中，硅質(zhì)巖裂隙多以張開為主，有利于大氣降水的補(bǔ)給。

模型以上述邊坡為例(圖2)，按彈性平面應(yīng)變問題考慮，左右兩側(cè)邊界至兩側(cè)開挖坡腳的距離均取1.5H(H為坡底向下延伸深度，本次模擬取50 m)，坡頂部到底部邊界的距離為2H；反傾坡的坡度取為50°，計(jì)算中不考慮地應(yīng)力的影響，僅認(rèn)為受自重應(yīng)力作用，并且不考慮地下水及地表水滲流的影響。為了突出研究邊坡開挖時(shí)的變形全過程，模型中的邊界采用鉸接約束，即左右邊界無水平位移、底邊界無豎向位移。每級(jí)開挖高度為0.2H，從上至下共開挖5級(jí)，在計(jì)算不同開挖順序的過程中，均將未開挖時(shí)的邊坡位移清零，然后再進(jìn)行不同開挖工況的計(jì)算。計(jì)算模型中，a為開挖平臺(tái)寬度；β為順向坡的坡角；h為結(jié)構(gòu)面間距；L為順向坡和逆向坡坡頂之間的距離；1∶m和1∶n為左、右兩側(cè)開挖邊坡的坡率。

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Calculation model

3.2 物理力學(xué)參數(shù)

為了研究硅質(zhì)巖的物理力學(xué)性質(zhì)，在廣西資興高速K21+700—K21+800處取樣，現(xiàn)場(chǎng)選取大直徑鉆孔巖心，封裝后運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室，再分別按照各試驗(yàn)要求加工成規(guī)定尺寸。進(jìn)行了壓縮變形試驗(yàn)，得到的結(jié)果如表1所示。

表1 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Result of uniaxial compression test

以試樣Y-1為代表的硅質(zhì)巖單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線為典型的屈服后應(yīng)變硬化式(圖3)，即在非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段先出現(xiàn)“平臺(tái)”，屈服過后，應(yīng)力繼續(xù)增長，表現(xiàn)為應(yīng)變硬化，硬化后達(dá)到最大的軸向承載力，但是硬化的過程中巖塊的彈性模量明顯低于彈性破裂階段(斜率變緩)。這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是在穩(wěn)定破裂階段巖塊內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了大量的裂隙損傷，而在硬化階段巖塊內(nèi)發(fā)生豎向劈裂式破壞。在現(xiàn)場(chǎng)觀察到的巖體開挖后也產(chǎn)生脆性破壞，產(chǎn)生近于貫穿的裂隙，裂隙的方向與室內(nèi)試驗(yàn)一致。

圖3 試樣Y-1單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of specimen Y-1 under uniaxial compression

采用改進(jìn)的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則，將試驗(yàn)得到的巖塊強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為數(shù)值模擬中采用的巖體力學(xué)參數(shù)。

根據(jù)1992年Hoek對(duì)Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的改進(jìn)，得到廣義H-B巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則，其表達(dá)式為[20]

(1)

式中：σc為巖塊單軸抗壓強(qiáng)度；mb，s，a為反映巖體特征的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，其中，mb和a為針對(duì)不同巖體的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，s反映巖體破碎程度，取值范圍0～1。

Hoek和Brown結(jié)合地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)(GSI)提出了巖體參數(shù)mb，s，a的取值方法,即

(2)

因此，當(dāng)σ3=0時(shí)，可導(dǎo)出弱化后的巖體單軸抗壓強(qiáng)度σmc為

(3)

當(dāng)σ1=0時(shí)，可導(dǎo)出弱化后的巖體單軸抗拉強(qiáng)度σmt為

(4)

根據(jù)巖塊強(qiáng)度的直線型包絡(luò)線(圖4)，可求得巖塊各參數(shù)間的關(guān)系為

(5)

式中c和φ為巖塊的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

圖4 直線型莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線Fig.4 Linear Mohr strength envelope

簡(jiǎn)化后可得

σ3tan2(45°+φ/2)+2ctan(45°+φ/2)。

(6)

因此，可進(jìn)一步推導(dǎo)，得出：

(7)

σt=σctan2(45°-φ/2) 。

(8)

根據(jù)式(3)—式(8)得到弱化后的巖體單軸抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度，巖體黏聚力cm和摩擦角φm分別為：

根據(jù)上述改進(jìn)的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則并結(jié)合文獻(xiàn)[21-22]得到的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)結(jié)果見表2。

表2 物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters

3.3 計(jì)算工況

根據(jù)對(duì)資興高速單面山邊坡的調(diào)查，巖層的傾角均處于20°～45°，考慮不同結(jié)構(gòu)面間距、平臺(tái)寬度等因素對(duì)路塹邊坡穩(wěn)定性的影響，采用計(jì)算工況如表3所示。

表3 計(jì)算工況統(tǒng)計(jì)Table 3 Calculation conditions

4 結(jié)果分析

4.1 邊坡坡角影響分析

由圖5可看出，在施工過程的每一階段坡角與坡體穩(wěn)定性均呈反相關(guān)。對(duì)于坡體的破壞模式，工況1和工況2在開挖第一級(jí)時(shí)坡體的位移集中在反向坡處，在開挖第二階段后才過渡為坡體沿軟弱夾層的順層滑動(dòng)。這是因?yàn)殚_挖第一級(jí)平臺(tái)時(shí)還未完全揭露軟弱夾層，坡體的安全系數(shù)并未有明顯的減小，且工況1在五級(jí)都開挖后坡體的安全系數(shù)為1.175，坡體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；工況2坡體的位移分布與工況1類似，但在開挖第三級(jí)平臺(tái)后坡體就處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于工況6，在第四級(jí)平臺(tái)開挖之前邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)，開挖第四級(jí)平臺(tái)后，坡體沿著軟弱夾層發(fā)生了滑動(dòng)，說明控制坡體穩(wěn)定性的因素還有揭露軟弱夾層的情況，導(dǎo)致坡體發(fā)生破壞的原因不在于巖體的強(qiáng)度，而是在于軟弱夾層是否被揭露。

圖5 不同坡角的邊坡穩(wěn)定性與開挖步驟的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between slope stability and slope angle in different excavation stages

4.2 結(jié)構(gòu)面間距影響分析

根據(jù)圖6可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)面間距比較小，即巖層比較薄時(shí)，層間錯(cuò)動(dòng)更容易造成巖層本身出現(xiàn)開裂或剪斷，因此薄層的順層邊坡更易于失穩(wěn)。由圖6(a)可看出:坡角較大、結(jié)構(gòu)面間距也大時(shí)，穩(wěn)定性反而小，但是二者的安全系數(shù)的差異很小；由圖6(b)可看出:坡角較小、結(jié)構(gòu)面間距較大時(shí)，安全系數(shù)較大。因此，雖然結(jié)構(gòu)面的間距對(duì)于坡體穩(wěn)定性有一定的影響，但是坡體的安全系數(shù)差別不大，說明結(jié)構(gòu)面間距對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響并非起控制作用。

圖6 不同結(jié)構(gòu)面間距的邊坡穩(wěn)定性與開挖步驟的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between slope stability and discontinuities spacing in different excavation stages

4.3 開挖坡率影響分析

由圖7可看出，雖然在開挖第一級(jí)和開挖第五級(jí)階段不同開挖坡率的坡體的安全系數(shù)是相近的，且在位移云圖中每一階段二者位移集中位置也是相近的，但在中間的幾個(gè)階段中開挖坡率越緩，坡體的穩(wěn)定性越好，且較緩的坡率可以延遲坡體安全系數(shù)快速下降。說明開挖坡率越緩，對(duì)于坡體的穩(wěn)定性越有利。

圖7 不同開挖坡率的邊坡穩(wěn)定性與開挖步驟的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between slope stability and cutting slope ratio in different excavation stages

4.4 平臺(tái)寬度影響分析

由圖8可知，平臺(tái)寬度越大，相應(yīng)階段坡體的穩(wěn)定性越好，且在坡角較大時(shí)，如圖8(b)所示，不同平臺(tái)寬度的坡體的安全系數(shù)差異較大，表現(xiàn)得更加明顯。說明坡度越陡，越能體現(xiàn)寬平臺(tái)的作用。寬平臺(tái)的存在將邊坡整體失穩(wěn)轉(zhuǎn)化為被寬平臺(tái)分割塊體的局部失穩(wěn)，體現(xiàn)了寬平臺(tái)的分解效應(yīng)。

圖8 不同平臺(tái)寬度的邊坡穩(wěn)定性與開挖步驟的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between slope stability and platform width in different excavation stages

5 結(jié) 論

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,結(jié)合室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)、單軸拉伸試驗(yàn)及直接剪切試驗(yàn)，對(duì)硅質(zhì)巖路塹邊坡的變形破壞特征進(jìn)行探討，并通過數(shù)值模擬，分析了影響單面山路塹邊坡穩(wěn)定性的因素，主要得出如下結(jié)論：

(1)由于硅質(zhì)巖的強(qiáng)度較高，受水后變化小，在一般無貫通的軟弱帶或軟層受壓緊密不易滑動(dòng)的條件下，不易發(fā)生大規(guī)模邊坡失穩(wěn)破壞。但是由于路塹邊坡的開挖，硅質(zhì)巖單面山路塹邊坡的破壞模式主要為滑移-拉裂破壞和受控于結(jié)構(gòu)面組合形成滑塊及追蹤節(jié)理形成階梯狀滑面。

(2)坡角的大小對(duì)于坡體的穩(wěn)定性起到控制作用。坡度越緩，安全系數(shù)越高，在每一階段均如此。結(jié)構(gòu)面間距對(duì)于坡體穩(wěn)定性有一定的影響，但是坡體的安全系數(shù)差別不大。開挖坡率越緩，坡體的穩(wěn)定性越大，且較緩的坡率可以延遲坡體安全系數(shù)快速下降。寬平臺(tái)的存在將邊坡整體失穩(wěn)轉(zhuǎn)化為被寬平臺(tái)分割塊體的局部失穩(wěn)，體現(xiàn)了寬平臺(tái)的分解效應(yīng)，并且坡角越大這一作用越明顯，可是會(huì)增大坡頂后退的距離，從而導(dǎo)致征地面積的增加。

(3)硅質(zhì)巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為屈服后應(yīng)變硬化式，穩(wěn)定破裂階段巖塊內(nèi)出現(xiàn)了大量的裂隙損傷，而在硬化階段巖塊內(nèi)發(fā)生豎向劈裂式破壞；雖然巖層的厚度對(duì)坡體的安全系數(shù)影響不大，但不同的結(jié)構(gòu)面組合可能導(dǎo)致路塹邊坡不同的破壞模式。這兩點(diǎn)可能導(dǎo)致實(shí)際工程中的路塹邊坡破壞形式的差異。

綜上所述，邊坡坡角對(duì)于坡體的穩(wěn)定性影響最大，其次為開挖坡率，結(jié)構(gòu)面間距及平臺(tái)寬度都有一定的作用。但由于硅質(zhì)巖的特殊破壞形式及單面山路塹邊坡不同的破壞模式，硅質(zhì)巖單面山路塹邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是一個(gè)非常復(fù)雜的問題,受到多個(gè)因素的影響，因此評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性需要綜合考慮各個(gè)因素的作用。