含断续软层顺层边坡稳定性分析

赵琪亮

（惠东县稔平原水有限公司，广东 惠东516300）

1 引言

边坡是一个复杂的系统，其稳定性受到多个因素的影响。目前，许多的专家学者对边坡稳定性问题进行了研究。研究主要可分为两个方面，理论计算和数值模拟研究。王骑虎[1]使用CEO-slope对甘肃地区红层边坡稳定性进行分析，研究不同工况下边坡的稳定性情况，数值模拟结果与实际工程较为吻合。韩光[2]研究含有断续节理的顺层岩质边坡的稳定情况，分析了边坡的边坡破坏模式，推导出高程放大效应的质点公式。李朋丽[3]结合计算算法，编辑程序完成对陕西公路边坡的稳定性快速评价，取得了较好的使用效果。褚铅波[4]使用FLAC软件采用强度折减的方法对边坡稳定性进行分析，通过对比，FLAC软件在进行边坡稳定性计算方面具有较好的适用性。唐栋[5]考虑了前期降雨对边坡稳定性的影响机制。蒋水华等[6]研究施工期高边坡的稳定性情况，徐奴文等[7]考虑了微震工况下边坡的稳定性情况，张磊等[8]考虑潜蚀作用对边坡稳定性的影响。大量的学者对边坡不同工况下的稳定性情况进行了研究，取得了较好的情况。本文在前人研究的基础上，结合惠东县稔平半岛供水工程局部边坡实际情况，对含有断续软弱夹层的边坡稳定性进行研究。

2 断续软弱夹层力学特性研究

软弱夹层是指强度较高岩体中间，强度较低的那一部分岩体，这部分岩体往往对边坡的稳定性起着控制性作用。强度低，易软化是软弱夹层的一个重要工程特性。断续软弱夹层即软弱夹层不连续，在强度较高的岩体中间断续出现且厚度也是变化的。软弱夹层的力学性质主要可以分为3个方面：空间效应、形态效应、含水量效应。

（1）空间效应

空间效应可以分为两个部分：位置和连续性。边坡的破坏多沿着强度较低的面产生滑动，这在层状岩体边坡中最为常见，这些软弱夹层一般是不完整的，在边坡破坏时，不仅是沿着弱层滑动，也会将完整岩体剪断破坏。软弱夹层的空间位置和连续性将对边坡的整体稳定性及其破坏后的危害性起着决定性的控制作用。

（2）形态效应

软弱夹层的形态效应主要是指其厚度。软弱夹层的厚度在岩层中间不是均匀分布的，是有一定的起伏度的。一些软弱夹层厚度较厚但一些则较薄。当软弱夹层较薄时，抗剪强度参数主要受到结构面的控制，此时具有较高的摩擦系数和强度。当软弱夹层较厚时，边坡的稳定性则受到软弱夹层自身强度参数的控制。结构面充填物质越多，强度也会随之减小就是这个原因。

（3）含水量效应

含水量是影响岩土体强度的一个重要因素。含水量的变化直接引起内摩擦角和粘聚力的变化。已经有大量的学者对这个问题进行了研究，结果表明：随着含水量的增大，岩土体强度参数将会减小。

同时，软弱夹层自身的矿物组成和结构面形态也是控制其强度的重要因素。

3 边坡稳定性研究

3.1 软弱夹层连续性研究

软弱夹层连续性可以考虑其面连续性和线连续性。在进行边坡稳定性计算时间，需要确定软弱夹层的强度参数。软弱夹层强度参数的确定需要综合考虑，结构面内部软弱夹层的面连续度km和线连续度kl。面、线连续度的确定需要通过现场仔细的工程地质调查来确定，见图1、图2。

图1 面连续度

图2 线连续度

面连续度km和线连续度kl可以用下式计算：

式中:n为软弱夹层总个数；ai为第i个软弱夹层面积；b为统计面总面积。

式中:m为软弱夹层总个数；lj为第j个软弱夹层延伸长度；L为统计总线长。

3.2 坡体形态研究

边坡形态和软弱夹层位置对边坡稳定性具有较强的影响作用。当坡体形态与软弱夹层空间分布位置已经确定时，则可以确定不同位置软弱夹层的摩擦力和下滑剪切力的差异性。这种差异性将对边坡稳定性产生极大的影响。假设边坡形态见图3。

图3 坡体形态

在坡顶位置，软弱夹层以上岩体厚度为h1，在坡脚位置，软弱夹层以上岩体厚度为h2。

不同位置的正应力σ可以通过下式确定：

式中:γ为上部岩土体重度；h为上部岩土体厚度；θ为岩土体倾角。

3.3 软弱夹层抗剪强度研究

含软弱夹层的边坡失稳滑面通常是沿着软弱夹层内部剪切滑移，或以软弱夹层与岩层面的接触部位剪切滑移。

通过室内对软弱夹层的剪切试验，获取抗剪切参数值，并进行现场大型剪切试验，获取软弱夹层与岩层面接触部位抗剪切参数值。当软弱夹层的内摩擦角φn小于岩层面与软弱夹层之间的接触摩擦角φj时，软弱夹层的抗剪强度才代表结构面的抗剪强度；反之，剪切面产生于软弱夹层和岩层面之间的接触部位，见图4。

图4 剪切面位置图（A.内部剪切面；B.上部剪切面）

满足上式（1），剪切面位于软弱夹层内部；当夹层和岩层层面之间不满足上式（1），其滑面为上部岩体下层面与夹层接触部位。通过对软弱夹层现场取样进行软弱夹层室内剪切试验，获取剪切面通过软弱夹层内部的抗剪参数；同时，进行现在大型剪切试验，获取软弱夹层表面与岩层面接触部位的抗剪参数。由式（2）证明，滑面位置为软弱夹层的上表面与岩层面接触部位，而并非软弱夹层内部剪切形成。试验结论与探槽揭示的滑面位置一致。

3.4 边坡稳定性分析

顺层岩质边坡的破坏主要为沿着岩层层面产生滑动变形破坏，可以使用极限平衡法对边坡稳定性进行计算。

边坡下滑力可以根据坡体形态采用分条计算：

式中:g为重力加速度；h为上部岩土体厚度；θ为岩土体倾角；l为滑动面长度；γ为上部岩土体重度。

当坡体内部软弱夹层的起伏度较大时或局部软弱夹层充填厚度较薄时可以采用下式计算滑动面的抗滑力：

式中:g为重力加速度；h为上部岩土体厚度；θ为岩土体倾角；li为夹层段长度；γ为上部岩土体重度；lj为夹层段长度，n、m分别为夹层段总数和未充填段总数。

当坡体内部软弱夹层整体较为平整，则可将连续度带入其中，计算抗滑力：

边坡的稳定性系数为抗滑力除以下滑力：

4 工程实例研究

惠东县稔平半岛供水工程局部存在部分岩质边坡，边坡上覆0.5 m～1.0 m第四系残坡积层(Q4el+dl)，下伏强～中风化三叠系关岭组(T2g3)泥质白云岩夹薄层状泥岩。岩层产状为5°∠20°，岩层厚度0.25 m～0.35 m不等，软弱夹层厚度为0.02 m～0.03 m，含有 3组优势节理：27°∠76°，193°∠81°，319°∠86°，为顺层岩质边坡。

通过现场工程地质调查和现场剪切试验，获取软层的连续度系数kl=0.503,km=0.511,k==0.507，获得软层边坡的上部岩体重度γ=25.3 kN/m3，可以使用近似直线算法对边坡稳定性进行计算。

天然工况下，边坡的稳定性系数η=1.19＞1.00，边坡处于稳定状态与实际工程情况较为符合。

5 结论

（1）对含有断续软层的边坡稳定性进行分析，软弱夹层影响边坡稳定性的力学效应主要包括三个方面：空间效应、形态效应和含水量效应。

（2）研究了断续软弱夹层连续度的计算方法，主要包括线连续度和面连续度，以及综合连续度的确定方法。

（3）以惠东县供水工程实例为研究对象，使用本文介绍的研究方法对坡体稳定性进行研究，计算结果与实际工程结果对比较为一致，说明本文介绍的方法具有一定的实际意义。