软硬互层顺层岩质边坡稳定性影响因素及失稳机理分析

软硬互层顺层岩质边坡稳定性影响因素及失稳机理分析

杨光海

瓮福（集团）有限责任公司 贵州省福泉市 550500

摘要：在自然界中，岩石在形成过程中因沉积物源性质差异形成软硬分层结构，因构造活动，导致岩层呈现不同成度的岩层结构斜率,这种倾斜岩层结构在工程实践中影响较大，笔者对中国西部地区工程实践中的岩石结构展开研究分析,发现软硬叠加的岩质边坡，在自身重力、自然条件、人类活动等因素下可能诱发失稳。

关键词：软硬互层；顺层岩质；边坡稳定性；影响因素；失稳机理

引言

随着我国西部大开发战略的逐渐实施,诸多基建工程不断加快落实,且在西南地区工程建设过程中需进行大量工程开挖，形成有大量软硬互层顺层岩质边坡,特别在重庆、云南、贵州等地大量分布层状碳酸盐岩，且碳酸盐岩层间发育富含红泥岩层、泥质砂岩层，形成软硬互层的岩质边坡。在高速公路、铁路等建设过程中开挖形成的软硬互层顺层岩质边坡也十分常见,该类型的边坡常易失稳产生滑塌、崩落等灾害，对工程施工的正常进行及人员生命财产安全造成了极大威胁。然而，软硬互层顺层岩质边坡的变形破坏受到诸多因素影响,尤其是边坡坡体结构和岩体结构的特殊组合,导致软硬互层顺层岩质边坡的失稳机理和变形破坏特征变的十分复杂。本文通过边坡失稳因素及数值模拟方式，分析不同岩层岩层厚度比和软硬互层顺层岩质边坡的位移变化规律,揭示软硬互层顺层岩质边坡的失稳机理,为该类型边坡事故的防治提供了理论依据。

1软硬互层顺层岩质边坡稳定性影响因素分析

1.1地下水对软硬互层顺层岩质边坡的影响

软硬互层顺层岩质边坡由于岩层性质存在差异性，软质岩层常富含年粘土矿物(如蒙脱石、高岭石、伊利石、绿泥石等)，粘土矿物因其特殊的遇水膨胀性在地下水的作用下，软质岩层部分力学性质极易发生变化，导致岩层软化、崩解，岩层间的凝聚力降低，在上层岩层重力作用下，下层软质岩层抗滑力低于上层岩层岩层面的下滑力，岩层将发生失稳滑动。在地下水的参与下，软岩中的粘土矿物（如蒙脱石、高岭石、伊利石、绿泥石等）发生化学反应，产生物质交换，从岩石中交换的物质被水流代谢或者地下水作用力对岩石软弱部分机械冲击，导致岩石形成孔洞或空洞,从而加速地下水在岩石中的运动速率，提高岩石的渗透率和孔隙率滤，降低岩石中矿物间的凝聚力。同时，岩石在水反应的过程中，置换部分阴阳离子改变地下水的pH值，间接化学反应速度，一般水的参与下导致岩石结构更加松散，加速风化。

从边坡稳定性的角度来看，力学性质的变化控制岩石软、硬构造面的强度对固体构造面的影响不大； 但它对弱结构面的剪切强度有很大影响，特别是当原地面含水量较少时，当雨水增多时，软结构上的土体会进一步软化，而剪切强度会显着降低岩石层强或弱的地方会发生灾难性的滑动。

1.2岩层厚度对岩质边坡的影响

通过观察大量软硬互层顺层边坡岩体发现，软硬互层顺层边坡组合结构通常有3种:一是以硬岩为主夹软岩,硬岩层厚度大;二是以软岩为主夹硬岩,软岩层厚度大;三是软硬岩层厚度相同。软硬互层结构类型主要通过以岩层的厚度或者软硬岩层的厚度比来划分,软硬岩层不同的岩层厚度影响了边坡整体的岩体性质,在不考虑边坡坡度及岩层倾角的情况下或对于低角度岩质边坡,硬岩层越厚,边坡越稳定。

1.3人类活动对岩质边坡的影响

在工程建设过程中，常进行开挖、换填、堆载等人类活动会打破边坡整体的应力场,使得之前稳定的应力状态发生改变,从而影响到边坡的稳定状态。相对于软硬岩质边坡而言，工程建设开挖常对边坡稳定性具有重要影响，尤其是对软硬互层型顺层边坡，坡脚开挖常导致边坡上方整体失稳，威胁下方施工，导致人员财产损失。一般而言，该类工程边坡，常受边坡开挖坡度角限制，开挖边坡越大，则更易发生失稳、滑动。

1.4地震作用对岩质边坡的影响

自然地震过程中释放一种巨大的动态应力，在受力体(岩石)中具有很强的传播性。且地震释放应力常以地震波的形式传播，在不同大小的震中距应力能量在时间和空间上是不均匀的，传播至地表时常对地形起伏较大的边坡、陡坡失稳，地震波常造成边坡表面的拉应力，降低岩石安全系数，不利于岩石块体的稳定。

1.5地质构造对岩质边坡影响                                                                                                    

在地质环境中，岩体由于构造活动受力的作用，导致岩体发育节理、裂隙等结构面，导致岩体结构的不连续，岩体整体抗应力能力降低。因此，由于构造活动形成的结构面降低岩石总强度，并且岩石实体的机械特性发生了变化，这是影响边坡稳定的重要要素。

2岩质边坡破坏主要形式

众观诸多岩质边坡破坏类型，岩质边坡破坏形式主要有垮塌、滑移（顺层滑动、楔形滑动)，而对于软硬互层顺层岩质边坡以顺层滑移破坏形式为主。

对于自然状态下，岩质边坡常以垮塌、崩塌的形式破坏，常见于喀斯特地貌区，河流发育侵蚀形成的中、高山等碳酸盐岩，因差异性风化形成陡坡，在重力作用下发生自然垮塌、崩塌的边坡破坏。这类型岩石边坡破坏往往发生在陡坡或陡峭的悬崖上，在这种情况下，岩石类型、地形、地质构造等各种原因造成塌陷，边坡裂缝越大，越接近边坡扩展平行方向的对接构造面倒塌的可能性就越大。对于因工程建设开挖边坡破坏，常见整体垮塌、滑移、局部震落，主要原因是坡脚工程开挖形成临空，上部岩体在自身重力下滑力作用发生整体破坏，常见的滑动模式平面滑动、弧型滑动，常见工程开挖的软硬互层顺层岩质边坡主要沿软弱层进行平面滑动。

3软硬互层顺层岩质边坡数值分析

3.1数值模型的建立

以岩层倾角为30°的斜向边坡为例,所建立的数值模型长度为180m(x方向)、宽度为50m(y方向)、高度为70m(z方向)。模型共有2550个单元,3971个节点,边界条件为模型的x方向,y方向采用位移约束,屈服准则采用Mohr-Coulomb屈服准则。此外,软岩层和硬岩层的层厚相同,均为10m,软硬接触面强度参数依据以下公式进行赋值,软硬岩的物理力学参数见表1。

表1软硬岩物理力学参数

c=0.8cmin

φ=0.8φmin

式中,kn、ks分别为接触面的法向刚度和切向刚度;K、G分别为硬岩的体积模量和剪切模量;Δzmin为接触面法向方向上连接区域上的最小尺寸;c、φ分别为接触面的黏聚力和内摩擦角,cmin、φmin分别为软岩体的黏聚力和内摩擦角。

图1软硬互层顺层岩质边坡数值计算模型

2.2层厚比对边坡稳定性的影响

将层厚比定义为软硬互层顺层岩质边坡中软岩层厚和硬岩层厚的比值,为了探究软硬岩层厚度对软硬互层顺层岩质边坡稳定性的影响,共设置层厚比为1∶1,1∶2,1∶3,2∶1和3∶1五种类型,如图2所示。

图2不同层厚比软硬互层顺层岩质边坡示意图

不同层厚比下软硬互层顺层岩质边坡的x方向位移云图如图3所示。无论是以硬岩为主(硬岩层厚度大)还是以软岩为主(软岩层厚度大),软硬互层顺层岩质边坡的稳定性均在降低,并且随着层厚比的增大边坡位移不断降低。从图3边坡的整体位移可以看出,随着硬岩层厚度的增大,软硬互层向软岩夹层转变,边坡的大位移区域向坡顶延伸,滑坡范围更长,滑移面集中在软岩层,此时边坡沿最左侧的软岩层呈推移式滑坡;而随着软岩层厚度的增大,软硬互层向软岩边坡转变,边坡的大位移区域向左延伸,滑坡范围更宽更广,但是硬岩夹层不像软岩夹层那样为影响边坡稳定性的主要因素,边坡的失稳不是主要沿着硬岩夹层发生滑动,而是整体的向下推移。

图3不同层厚比软硬互层顺层岩质边坡x方向位移云图

4 结论

1、软硬互层顺层岩质边坡稳定性影响因素主要有地下水、岩层厚度、工程活、构造活动、地震活动等

2、软硬互层顺层岩质边坡破坏模式主要沿软弱层产生平面滑移。

3、软硬互层顺层岩质边坡，随着硬岩层厚度或软岩层厚度的增加,边坡稳定性都在降低，且硬岩层厚度大时,软硬互层转化成软岩夹层,边坡沿软岩层滑动；当软岩层厚度大,边坡则呈现整体滑动,滑动面并不在硬岩层上。

4、随着黏聚力和内摩擦角的降低,边坡的稳定性大幅降低,不过黏聚力影响要比内摩擦角大。

参考文献

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