張慶飛，馮宇凇，呂改杰，席英偉

(1.四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610017；2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756； 3.四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，四川 成都 610091)

1 概述

由砂泥巖互層組成的高邊坡在我國西南地區(qū)分布廣泛。在地表自然風(fēng)化與人類工程開挖影響下，泥巖常作為高邊坡中的軟弱夾層，對于邊坡穩(wěn)定性與演化機制起著重要控制作用[1-2]，其中軟弱夾層的物質(zhì)組分與其物理特征和工程性質(zhì)緊密關(guān)聯(lián)[3]，尤其在長期重力和工程擾動的共同作用下，對于工程建設(shè)與運營安全具有潛在的威脅。對于高陡順層邊坡失穩(wěn)機制研究前人已積累較豐富的成果，在泥巖與砂巖互層的順層巖質(zhì)邊坡這類邊坡，劉小麗、周德培[4]研究了它的彎曲失穩(wěn)機制。鄧榮貴、李安洪等[5]通過鐵路建設(shè)中的順層邊坡實例，研究了這類邊坡失穩(wěn)的臨界長度。李舜[6]提出了該類型公路路基高邊坡防護(hù)設(shè)計方法。朱晗迓、馬美玲等[7]通過推導(dǎo)出的公式求解出了邊坡潰曲破壞的破壞位置和臨界坡長。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，以西南山區(qū)某高速公路旁發(fā)育的一處含軟弱夾層高邊坡工點為研究對象，重點對邊坡所含軟弱夾層的礦物化學(xué)組分、孔隙顆粒特征與物理力學(xué)參數(shù)開展試驗研究，進(jìn)而結(jié)合該工點實際工程地質(zhì)條件建立數(shù)值模型，對比研究了天然狀態(tài)下與開挖防護(hù)措施下坡體應(yīng)力應(yīng)變特征，可為判別該類型高邊坡穩(wěn)定性提供可靠的數(shù)值依據(jù)。

2 工程地質(zhì)概況

研究區(qū)位于西南地區(qū)丘陵過渡地帶，具有山高、坡多、谷深等特點，在暴雨和特大暴雨的條件下，極易形成滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。研究區(qū)域邊坡地表水為山間沖溝，屬季節(jié)性溪流，其補給方式主要為大氣降水，排泄方式為一部分滲入地下，一部分沿沖溝排出場區(qū)外，其流量隨季節(jié)而變化，枯水期無水，富水期為附近地段地表水排泄通道。

研究區(qū)內(nèi)基巖主要為強風(fēng)化與中等風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖和砂巖，巖層綜合產(chǎn)狀40°∠47°，場區(qū)內(nèi)節(jié)理和層間裂隙發(fā)育，裂隙長1.0 m～4.0 m，寬0.01 m～0.20 m，可見深約為0.1 m～0.4 m，密度為1條/m～6條/m。其中強風(fēng)化帶表現(xiàn)為整體破碎，主要呈砂狀，局部巖芯可見餅裂現(xiàn)象，說明該區(qū)域地應(yīng)力較高[8]。邊坡巖體呈漸變狀帶(槽)狀風(fēng)化，構(gòu)造裂隙發(fā)育。此外，邊坡表層風(fēng)化作用強烈，構(gòu)造裂隙及層面的發(fā)育程度隨著巖體向深部的延伸減弱，風(fēng)化程度也按照這種規(guī)律減弱。

3 研究區(qū)礦物工程地質(zhì)特征

軟弱夾層作為控制邊坡穩(wěn)定性的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，其泥化過程存在復(fù)雜的水巖相互作用，這與軟弱夾層自身的礦物組成、微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)強度緊密聯(lián)系。大量工程實踐表明，長石、黏土礦物等物質(zhì)組分，其含量對于巖體強度有直接影響，此外軟弱夾層中具有較多的次生裂隙和結(jié)構(gòu)面，對于雨水入滲等自然作用引起的巖土體軟化效應(yīng)，對于緩傾順層高邊坡穩(wěn)定性起了決定性作用[9]。因此，對軟弱夾層工程性質(zhì)進(jìn)行分析是邊坡設(shè)計過程極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

3.1 礦物化學(xué)成分分析

本文通過X射線衍射儀和顯微結(jié)構(gòu)觀察對研究邊坡軟弱夾層礦物組分進(jìn)行綜合測試分析，主要礦物成分為石英、斜長石、鉀長石、黏土礦物、云母、方解石和少量赤鐵礦等(見圖1)。由偏光顯微鏡與掃描電鏡圖像可知，巖樣內(nèi)長石表面裂隙較發(fā)育，石英具有波狀消光特征，黏土礦物間微裂紋分布廣泛(見圖2)。

3.2 邊坡巖土體及軟弱夾層的物理力學(xué)性質(zhì)

通過沉降分析法對研究區(qū)代表性砂泥巖樣品進(jìn)行粒度分析(見表1)。結(jié)果表明，研究區(qū)泥巖中砂粒含量都在50%以上，它們主要為原生礦物，大多是石英、云母、長石等。粉粒含量在泥巖較多，占到了30%，而在中粗粒長石砂巖和中細(xì)砂巖中粉粒含量在20%以內(nèi)。粉粒一般是原生礦物與次生礦物的混合體，因為孔隙小而導(dǎo)致透水性差，有一定的毛細(xì)作用。黏粒主要由次生礦物組成，孔隙很小，透水性極弱，毛細(xì)作用明顯，膨脹性和可塑性較好，強度較低。

表1 粒度試驗成果表

通過對強度較低的粉砂質(zhì)泥巖樣本進(jìn)行單軸壓縮試驗和波速試驗測試，得到其力學(xué)指標(biāo)如表2所示。測試結(jié)果表示，樣本的單軸抗壓強度與波速值基本與標(biāo)準(zhǔn)值吻合，泊松比與彈性模量均高于標(biāo)準(zhǔn)值。

表2 巖石室內(nèi)試驗物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計表

從軟弱夾層的物理力學(xué)性質(zhì)上看，軟弱夾層的厚度與物質(zhì)組成對巖體強度有直接影響。小于1 mm的薄膜夾層，薄膜使巖體的抗剪強度降低，導(dǎo)致巖體沿軟弱夾層滑動發(fā)生破壞；對于中厚夾層，巖體因處在塑流狀態(tài)被擠出而發(fā)生破壞。夾層內(nèi)摩擦角隨其物質(zhì)粒徑增加而增大，最后趨度越大，內(nèi)摩擦角越??；夾層級配較好時，內(nèi)摩擦角較大；組成夾層的巖石碎屑的圓度增加時，內(nèi)摩擦角和黏聚力減小。

4 砂泥巖互層緩傾邊坡受力特征數(shù)值分析

4.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)現(xiàn)場的勘測結(jié)果，結(jié)合砂泥巖緩傾互層高邊坡的斷面圖和支護(hù)設(shè)計圖，綜合運用AutoCAD-Ansys-FLAC3D等多種軟件建立數(shù)值分析模型[10]。建模流程為：在AutoCAD中建立分析所需的三維模型，將模型導(dǎo)入Ansys劃分網(wǎng)格，通過插件將網(wǎng)格導(dǎo)入FLAC3D做后續(xù)計算分析。

選取研究邊坡具有代表性的斷面進(jìn)行模擬，為了避免邊界約束條件對計算結(jié)果產(chǎn)生影響，計算模型邊界范圍按照下列原則確定，在平行巖層傾向方向，從坡腳向左岸山內(nèi)延伸1 km，垂向距離上從坡腳到坡頂緩坡處最高點附近。模型基本參數(shù)、邊界條件參考表3取值，計算模型在重力作用下的初始應(yīng)力分布如圖3所示。之后，將邊坡的開挖部分巖體的本構(gòu)模型賦為null來模擬開挖；并用FLAC中自帶的結(jié)構(gòu)單元模擬土工格柵以及錨索，并賦予相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，其中錨索布置由下至上共有6層，如圖4所示。計算支護(hù)后邊坡開挖模型的應(yīng)力應(yīng)變變化。計算過程的最大不平衡力取值收斂圖與塑性區(qū)域分布圖如圖5，圖6所示。

表3 巖層參數(shù)表

邊界條件的設(shè)定應(yīng)使數(shù)值模擬的結(jié)果與實際情況更加接近，通過使模型足夠大來減小邊界效應(yīng)，但是模型也應(yīng)設(shè)定在一個合理范圍之內(nèi)，否則只會增加工作量并降低精度。

4.2 應(yīng)力應(yīng)變特征分析

4.2.1 應(yīng)力特征分析

模型計算中主要考慮受自重應(yīng)力影響。應(yīng)力分布主要以豎向應(yīng)力為主，同時考慮邊坡可能造成的滑動，需要考慮邊坡的水平向應(yīng)力。關(guān)于支護(hù)所承受的應(yīng)力可以看出邊坡滑動趨勢的大小。通過分析邊坡開挖過程中支護(hù)應(yīng)力變化及分布規(guī)律，可分析施工對于邊坡穩(wěn)定性的影響。圖7～圖9為水平應(yīng)力和坡體豎向應(yīng)力以及錨索應(yīng)力。

從圖中可以看出，豎向應(yīng)力在整體上依然按層分布；而縱向應(yīng)力云圖的規(guī)律性稍差，路塹右側(cè)坡體因存在被左側(cè)坡體擠壓的情況，而出現(xiàn)應(yīng)力明顯成層狀態(tài)，但由于所受應(yīng)力不大，并無較大危害。錨索在第五階梯處有較大拉應(yīng)力，說明該處可能存在較大的滑動趨勢，有剪切錨索的趨勢。而第二層的錨索大多數(shù)有較大的壓應(yīng)力說明邊坡在此處有擠出趨勢。而大多數(shù)錨桿所受應(yīng)力并不大，主要作為保護(hù)作用。邊坡坡體整體較為穩(wěn)定。

4.2.2 應(yīng)變特征分析

由塑性力學(xué)理論可以得知，一點的應(yīng)變張量可以分為與體積變化有關(guān)的球形應(yīng)變張量和與物體形狀變化有關(guān)的應(yīng)變偏量。對于巖土材料來說，靜水壓力不僅產(chǎn)生彈性和塑性的體應(yīng)變，而且還會引起剪變形剛度的增大而使切應(yīng)變變化；而切應(yīng)力不僅會產(chǎn)生彈性或塑性的切應(yīng)變，而且會引起剪脹或剪縮。因此與單純的彈性和理想彈塑性材料比，巖土的本構(gòu)關(guān)系會表現(xiàn)得更加復(fù)雜。

從支護(hù)受力特性分析可以發(fā)現(xiàn)：在邊坡的重力作用下，第三層和第五層階梯的錨索受力較大，且第五層階梯錨索為拉應(yīng)力，第三層為壓應(yīng)力。錨索不同位置的受力方向大小不同，說明了邊坡在這兩層之間有下滑和擠壓的趨勢，當(dāng)下滑力超過其強度或支護(hù)結(jié)構(gòu)強度不足以抵抗下滑力時，邊坡可能會失去其穩(wěn)定性。

在邊坡開挖支護(hù)前，邊坡整體較為穩(wěn)定，而在開挖支護(hù)過后，邊坡表層出現(xiàn)大量的拉伸破壞。說明在這一過程中，坡體受到破壞但由于支護(hù)及時，遏制了坡體下滑趨勢，從而提高了坡體穩(wěn)定性。

5 砂泥巖互層緩傾順層高邊坡關(guān)鍵防治技術(shù)

高邊坡災(zāi)害防治工程其本質(zhì)都是改變高邊坡自身的力學(xué)平衡狀態(tài)來實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定。在實際中，防護(hù)措施主要有抗滑支擋結(jié)構(gòu)物直接加固或放緩邊坡、減重反壓、截排水等間接加固兩種思路，但是，考慮到高邊坡問題的復(fù)雜性和不確定性，一般采用多種措施相結(jié)合的方法來加固處理。

對于本研究區(qū)域砂泥巖互層緩傾順層高邊坡擬采取以下防治技術(shù)：

1)抗滑支擋工程：使用支擋工程對不穩(wěn)定的邊坡進(jìn)行加固，是一種較為有效的整治手段。其優(yōu)點是可以從根本上解決該問題。

2)植物防護(hù)：植物防護(hù)是在坡面上栽種植物，通過植物根系發(fā)育，起到固土，防止水土流失的一種防護(hù)措施。這種方法通常在坡度不大、邊坡不高的穩(wěn)定邊坡使用。

3)坡面工程防護(hù)：在治理坡度較陡、坡面土體松散的邊坡時，可以通過圬工砌體防護(hù)措施對邊坡進(jìn)行加固。對于穩(wěn)定性好的邊坡，可在其表面噴射一層素混凝土，減緩巖石風(fēng)化、剝落的速度，以此來達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的。

4)排水工程：地表排水是為了把坡體以外的水截排，防止其流入坡體增加坡體自重，減少其對邊坡穩(wěn)定性的影響。地下排水工程是治理滑坡的重要方法，尤其是地下水發(fā)育的大型滑坡，它可以降低坡體內(nèi)的地下水位，減小滑帶土的孔隙水壓力，以此提高滑帶土的抗剪強度，從而增大了邊坡的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

本文通過砂泥巖互層緩傾順層高邊坡破壞機制及關(guān)鍵防治技術(shù)研究為研究對象，深入分析該邊坡的工程地質(zhì)條件，得到了研究成果如下：

1)通過對邊坡巖體的化學(xué)成分、物理力學(xué)性質(zhì)以及軟弱夾層力學(xué)特性的研究，得出了影響砂泥巖互層緩傾順層高邊坡穩(wěn)定性的根本原因，在于不利的巖體力學(xué)性質(zhì)和具有特殊的巖體結(jié)構(gòu)特征。

2)通過數(shù)值模擬分析，根據(jù)所得巖體各項參數(shù)指標(biāo)，建立砂泥巖互層穩(wěn)定性數(shù)值模型，分析探討泥巖互層緩傾順層高邊坡的潛在破壞機理，研究不同潛在破壞模式下的順層邊坡穩(wěn)定性，得出該類邊坡失穩(wěn)破壞機理和演化機制。

3)針對砂泥巖互層緩傾順層高邊坡的工程特性，軟弱夾層對該類邊坡的影響作用機制，結(jié)合數(shù)值模擬分析，提出該類順層高邊坡防治處理技術(shù)措施，以確保工程質(zhì)量和安全。