顏赫YAN He

（廣東省路橋建設(shè)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(xué)性質(zhì)較弱且具有一定厚度的軟弱結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)帶，其厚度相較于鄰近土層較為薄弱，遇水之后易崩解，力學(xué)強度和變形模量均較低。在內(nèi)外動力作用下，坡體容易產(chǎn)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(zāi)害，給人民生命財產(chǎn)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(guān)鍵技術(shù)問題[1-2]，對預(yù)防滑坡災(zāi)害的發(fā)生具有重要的理論和實際意義。

目前，國內(nèi)外諸多學(xué)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(jīng)優(yōu)化求解后得到了不同軟弱夾層條件參數(shù)下的邊坡安全系數(shù)及破壞模式。李龍起等[7]通過開展大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗，對降雨入滲條件下坡體內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面的邊坡開展動態(tài)模擬分析，總結(jié)出了該滑坡的演化過程及破壞機理。

本文通過數(shù)值模擬分析，以某高速公路右側(cè)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(yù)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?qū)偾鹆甑孛?，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(jù)有關(guān)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，該邊坡地層主要由坡殘積粉質(zhì)黏土、全～強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖以及中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖所組成，其中，粉質(zhì)黏土與強風(fēng)化泥質(zhì)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(nèi)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(jié)構(gòu)帶的順層滑動。

2 數(shù)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(shù)值計算模型。

圖1 數(shù)值計算模型

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

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

該邊坡分別經(jīng)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(xiàn)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(yīng)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(yīng)變云圖。

圖2 不含軟弱夾層邊坡最大剪應(yīng)變云圖

圖3 含軟弱夾層邊坡最大剪應(yīng)變云圖

觀察不含軟弱夾層邊坡最大剪應(yīng)變云圖，可以發(fā)現(xiàn)，一級開挖后，由于應(yīng)力松弛作用，一級坡腳處出現(xiàn)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(nèi)沿覆蓋層底部出現(xiàn)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(xiàn)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(yīng)變云圖，可以發(fā)現(xiàn)，一級開挖后，除了一級坡腳處出現(xiàn)變形外，坡體內(nèi)部的軟弱夾層也出現(xiàn)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(nèi)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(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險程度，造成了沿層間軟弱結(jié)構(gòu)帶的順層滑動。除此之外，開挖卸荷后造成坡面應(yīng)力松弛，坡體下部支撐力減少，增大了滑坡發(fā)生的風(fēng)險；而連續(xù)降雨作用造成坡體內(nèi)巖土體含水量增加，軟弱夾層逐漸趨于飽和，巖土體力學(xué)強度降低，呈現(xiàn)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(shù)，如表2所示。

表2 不同歷時階段下邊坡穩(wěn)定系數(shù)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(xiàn)，當(dāng)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(shù)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(yù)應(yīng)力錨索進行加固處理。而不含軟弱夾層的邊坡在經(jīng)過開挖后，穩(wěn)定系數(shù)降低到1.30，仍處于比較安全的狀態(tài)，即使是經(jīng)歷連續(xù)降雨作用后，穩(wěn)定系數(shù)仍保持在1.16，依然符合《公路路基設(shè)計規(guī)范》中對于非正常工況穩(wěn)定系數(shù)的規(guī)定。綜合來看，當(dāng)邊坡含有軟弱夾層時，各歷時階段的穩(wěn)定系數(shù)均比不含軟弱夾層邊坡的穩(wěn)定系數(shù)低0.1左右，進而極大加重了邊坡滑坡災(zāi)害發(fā)生的可能性，迫使相關(guān)設(shè)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(jié)論

基于數(shù)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(jié)論：

①當(dāng)邊坡含有軟弱夾層時，各歷時階段的穩(wěn)定系數(shù)均比不含軟弱夾層邊坡的穩(wěn)定系數(shù)低0.1左右，顯著增大了滑坡災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)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(xiàn)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(nèi)部，能充分調(diào)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。