巖層厚度對順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)分析

劉文波

摘 要：巖層厚度對于順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響方面的研究有助于了解邊坡失穩(wěn)原因，在山區(qū)工程建設(shè)過程中是非常有必要的。巖層邊坡研究主要遵循“地質(zhì)勘察-理論研究-數(shù)值模擬”主要的技術(shù)路線，在合理劃分順層巖質(zhì)邊坡類型基礎(chǔ)上，需要分析其穩(wěn)定性。層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性與地層性質(zhì)、巖體本身特性以及地下水的分布有著直接的關(guān)系。本文主要對厚層以及薄層順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并建立一些數(shù)學(xué)研究模型，希望對同行的工作有所借鑒意義。

關(guān)鍵詞：分析；改善；措施

1 薄層巖體順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

上世紀(jì)80年代后期，對于薄層巖體順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究已經(jīng)比較深入，國外著名地質(zhì)學(xué)專家Caverse、Hoke以及Boobers三人的彈性理論得到地質(zhì)界的廣泛認(rèn)同，我國科學(xué)家孫廣忠、李樹森、劉均衡等地質(zhì)學(xué)術(shù)前輩在彈性理論基礎(chǔ)上，探索出了基于彈性理論的壓桿穩(wěn)定性理論，本理論對順層邊坡滑移變動問題進(jìn)行了非常深入的數(shù)學(xué)分析，總結(jié)出了一套完善的理論計算公式，在工程實踐中并結(jié)合了一些具體事例進(jìn)行了充分驗證。下面根據(jù)三位前輩研究成果，利用數(shù)學(xué)公式對彈性壓桿穩(wěn)定理論進(jìn)行進(jìn)一步闡述說明，在此基礎(chǔ)上對順層巖質(zhì)邊坡的潰屈破壞的穩(wěn)定性進(jìn)行全方位的介紹分析。

地質(zhì)研究中會把薄層組成的層狀巖體結(jié)構(gòu)形式命名為板裂結(jié)構(gòu)，板裂結(jié)構(gòu)相對坡長一般比較小，其巖層走向與邊坡走向基本一致，鑒于薄層巖質(zhì)邊坡巖層變形不大，數(shù)學(xué)分析可以采用小變形理論分析受力并求解；針對于那些坡面較寬的巖層，可以利用巖層的彎曲變形來作為平面應(yīng)變問題加以分析。針對于結(jié)構(gòu)面以及巖體的考慮同于潰屈破壞時的力學(xué)模型，可以認(rèn)為巖體以及各個結(jié)構(gòu)面之間的力學(xué)參數(shù)是一致的。

1.1 板裂結(jié)構(gòu)巖體地質(zhì)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型的建立

板裂結(jié)構(gòu)巖體地質(zhì)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型是在地質(zhì)模型以及力學(xué)數(shù)學(xué)作用機(jī)制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其變形與破壞一般可以分為順層傾斜邊坡潰屈破壞、直立邊坡潰屈破壞、反傾向邊坡傾倒變形三種地質(zhì)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型。下面主要以順層傾斜邊坡潰屈破壞模型進(jìn)行簡單分析。

根據(jù)前輩孫廣忠的彈性巖石結(jié)構(gòu)力學(xué)受力分析，進(jìn)行實例簡單說明。某山坡位于長江下游，此山高度達(dá)到1890m，研究段坡腳高度標(biāo)高為1020m。本坡段內(nèi)夾一層泥灰?guī)r夾層，經(jīng)過層間錯動已經(jīng)演化成軟弱夾層。Φi為17度，ci為0.4MPa。巖層段較為稀疏，E為50×103MPa，容重γ為2.7×104N/m3。軟弱夾層上部燈影灰?guī)r厚度為10m。巖層與山坡之間有一定的夾角，夾角大小為40度。經(jīng)過地質(zhì)勘察分析指導(dǎo)此邊坡主要由燈影灰?guī)r組成，結(jié)構(gòu)形式為順層薄層邊坡，不會產(chǎn)生較大的滑動為一穩(wěn)定破段。

1.2 本坡段的滑動深度分析

根據(jù)受力模型分析，假設(shè)此坡段滑動深度為h，單寬下滑力為s，那么可以根據(jù)彈性力學(xué)模型定式為：

S=l0（γhsinα-γhcosαtanΦi）。Φi為17度，ci為0.4MPa。巖層段較為稀疏，E為50×103MPa，容重γ為2.7×104N/m3。軟弱夾層上部燈影灰?guī)r厚度為10m。巖層與山坡之間有一定的夾角，夾角大小為40度，可以算出s=（0.11h-0.4）l0。

由上式可以知道，當(dāng)h大于0.4/0.11時就會產(chǎn)生一定的深滑動，但是實際工程中，軟弱的夾層上面覆巖層厚度h為10m。所以，上覆巖層完全可以沿著軟弱夾層的方向進(jìn)行滑動，不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.3 本邊坡穩(wěn)定性深層次分析

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以知道本邊坡實際長度是1462m，邊坡的極限長度為1237m，穩(wěn)定性系數(shù)K=1237/1462=0.85<1

從上面運算數(shù)據(jù)就可以知道，本邊坡有沿著順層邊坡滑動的趨勢，有可能會發(fā)生潰屈破壞。如若在本區(qū)段有工程建設(shè)，需要額外注意，加強(qiáng)安全風(fēng)險評判工作，避免造成不必要的損傷。

2 厚層巖體順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，巖體厚層邊坡一般情況下是比較穩(wěn)定的，但是在巖層的中間層地帶受剪切力影響比較大，可出現(xiàn)一些巖層間錯動現(xiàn)象，構(gòu)成邊坡滑動帶，但是這樣的情況比較少。另外，較為常見的邊坡破壞形式是局部巖塊崩滑以及松弛，崩滑與結(jié)構(gòu)面的組合情況有關(guān)。軟硬相間的地層組合是形成崩滑的主要地層組合特征，堅硬的巖層是形成崩滑的主要巖性特征，陡峻的斜坡地形是危巖形成并造成崩滑、墜落的必要條件。大量存在的巖體結(jié)構(gòu)面是崩塌的主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，另外，重力以及地質(zhì)水都會造成崩塌現(xiàn)實。下面根據(jù)厚層順層巖質(zhì)邊坡的特性以及影響因素分析崩塌破壞的機(jī)理，在建立相應(yīng)分析模型的基礎(chǔ)上，運用極限平衡的數(shù)學(xué)研究方法解開崩塌之謎。

2.1 厚層巖質(zhì)邊坡的特性分析

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)記載，厚層巖質(zhì)邊坡破壞主要發(fā)生于坡度介于50度至90度之間的邊坡，在峽谷陡峭位置發(fā)生幾率最大。當(dāng)線路走向與區(qū)域構(gòu)造線相互平行時，在構(gòu)造線交集位置更容易發(fā)生崩塌現(xiàn)象。在斷裂或者不整合接觸地帶附近，地下水不多的位置也容易發(fā)生崩塌現(xiàn)象。堅硬巖層陡壁下，伏有風(fēng)化破碎的軟質(zhì)巖層，且標(biāo)高位于洪水變化幅度范圍內(nèi)，也是崩塌現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)地帶。人為邊坡開挖加大了邊坡角度，同時也增加了坡高，這樣做的直接結(jié)果就是改變了原坡度的力學(xué)受力平衡，使邊坡特別是坡緣部分下部支撐力有所減小，破體上部卸荷力有所增大，使坡度受力重新進(jìn)行了分布。暴雨和地震力是誘使厚層坡度產(chǎn)生崩塌主要外因，另外，風(fēng)化作用、根劈作用、開山放炮、施工操作不合規(guī)范都會加劇邊坡崩塌。

2.2 厚層巖質(zhì)邊坡崩塌的破壞機(jī)理以及破壞過程分析

崩塌又可以細(xì)分成幾種具體形式，傾倒、滑移、鼓脹、拉裂、錯斷。發(fā)生傾倒崩塌時，崩塌體失穩(wěn)破壞，以坡腳的某一點為轉(zhuǎn)點，發(fā)生逐次的傾倒，重力作用以及地震水平作用力都會產(chǎn)生這樣的傾倒崩塌；在某些比較陡峭的邊坡，不穩(wěn)定的巖體下部有向坡下傾斜的光滑結(jié)構(gòu)面或者軟弱面。開始的滑移決定著崩塌是否會發(fā)生，當(dāng)重心滑出陡坡范圍，崩塌就會輕而易舉的發(fā)生。過量的水滲入也會產(chǎn)生這樣的滑移崩塌；當(dāng)邊坡下有軟弱下臥層時，很容易出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象。不穩(wěn)定巖體與穩(wěn)定巖體分離時，較厚下部巖體就會被軟化，上部巖體對下部巖體產(chǎn)生壓力，下部巖體被擠出變形，也會出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象；當(dāng)巖體由不同硬度的巖層組成時，風(fēng)化以及水流沖刷作用會使斷面上的懸臂梁形式突出出來，重力作用致使沒有產(chǎn)生變形的巖層產(chǎn)生裂隙，當(dāng)拉應(yīng)力大于巖層抗拉應(yīng)力時，巖層就會發(fā)生裂縫，同時迅速向下運動，產(chǎn)生嚴(yán)重的拉裂現(xiàn)象；厚層巖體結(jié)構(gòu)組成的順層巖質(zhì)邊坡，結(jié)構(gòu)面當(dāng)是垂直裂隙發(fā)育時，崩塌體形狀為厚板狀，其外力主要受到自重產(chǎn)生的剪切力，此時就會出現(xiàn)失穩(wěn)，嚴(yán)重時發(fā)生錯段式崩塌。崩塌發(fā)生之后崩塌體主要是滑移、跳躍以及滾動式運動形式。

2.3 崩塌破壞的主要形式分析

潛在的崩塌體大小以及形態(tài)主要受到長期地質(zhì)構(gòu)造作用、斜坡重力作用以及風(fēng)化作用。軟弱結(jié)構(gòu)組合容易產(chǎn)生崩塌，尤其在承受了上述外力作用下，更易發(fā)生地質(zhì)崩塌現(xiàn)象。當(dāng)崩塌體形成以后，會出現(xiàn)較長時間的結(jié)構(gòu)蠕動位移，潛在的崩塌體會突變失穩(wěn)，從而形成崩塌。在這個地質(zhì)構(gòu)造變化階段，巖體翻到、跳躍、滾動、墜落、互相撞擊時有發(fā)生，地質(zhì)巖層經(jīng)過運動后堆積了在坡腳位置。經(jīng)過相關(guān)資料記載，較嚴(yán)重的突然崩塌會激起數(shù)量巨大的碎石，速度迅速、能力巨大以及破壞力驚人是它的主要破壞特征。

2.4 崩塌體運動規(guī)律分析

崩塌體落實運動形式是變化多樣的，影響因素也是比較多，其落石計算形式一般是單一的，并且取一近似值。落實軌跡會遇到凸崖阻擋時發(fā)生變化。崩塌落實運行速度與掉落高度、碎石體積以及重量有著直接的關(guān)系，另外，還與山坡的坡度以及植被覆蓋情況也有著一定干系。地質(zhì)巖層破壞石塊運行速度可以根據(jù)不同的山坡類型進(jìn)行計算分析。折線形山坡崩塌碎石下落速度可以用下式表達(dá)出來：

V=μ=ε

μ=，ε=μ

上面式子中的H為崩塌厚度石塊向下墜落的高度，以m計算；g為重力加速度，以m/s2計算；K為石塊運動過程中受到外部影響造成的阻力系數(shù)。阻力系數(shù)又下表選取。

順序 山坡坡度較大小 K計算公式匯總

1 0度至30度 K=0.41+0.0031

2 30度至60度 K=0.51-0.0047+0.0017α2

3 60度至90度 K=1.01-0.0123+0.000021α2

落石運動軌跡一般是滾落外加跳躍的形式，軌跡確定有助于攔截建筑物的地點設(shè)置。針對于落實騰躍分析，主要分析石塊運行軌跡以及坡面的偏離程度，進(jìn)而確定阻擋建筑物的外形以及攔截位置。

本文分了薄層以及厚層巖層對邊坡穩(wěn)定性的影響，并在此基礎(chǔ)上分析了落實運動形式。各種因素對于邊坡穩(wěn)定性都有著一定的影響，板厚一致時，邊坡穩(wěn)定性坡長與坡角會有著一定的變化關(guān)系，角度變大，潰屈破壞最小長度也會相應(yīng)的有所減小。巖層彈性模量也會影響巖層邊坡的穩(wěn)定性，在文章中已經(jīng)做出了一些介紹分析，在此就不再贅述。相信隨著對巖層邊坡穩(wěn)定性研究的進(jìn)一步深入，山體坡腳工程建設(shè)的安全性將會有所改善。

參考文獻(xiàn)

[1] 李安洪，周德培，馮君.順層巖質(zhì)路塹邊坡破壞模式及設(shè)計對策[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，07.

[2] 龔文惠，王平，陳峰.順層巖質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性的敏感性因素分析[J].巖土力學(xué)，2003，07.

[3] 李海波，肖克強(qiáng)，劉亞群.地震荷載作用下順層巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，03.

[4] 賈存興.層狀巖土質(zhì)混合高邊坡施工期破壞機(jī)制與穩(wěn)定性研究[J].中外公路，2007，07.

[5] 滕光亮，陳永明，石玉成，孫崇紹，盧育霞，強(qiáng)正陽.地震作用下節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響因素研究[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2010，03.

[6] 曾中林，劉貴應(yīng).順層滑移型邊坡參數(shù)敏感性分析[J].西部探礦工程，2011，03.

[7] 李全，金培杰，張紅利.云南元武高速公路滑坡穩(wěn)定性分析[J].鐵道建筑，2011，07.

[8] 王樹威，錢越，桂志敬，陳寧，賴見輝.基于實時監(jiān)測技術(shù)的公路邊坡穩(wěn)定性評價研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2010，21.

[9] 鄭穎人，趙尚毅，鄧衛(wèi)東.巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)制有限元數(shù)值模擬分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，07.

2.3 崩塌破壞的主要形式分析

潛在的崩塌體大小以及形態(tài)主要受到長期地質(zhì)構(gòu)造作用、斜坡重力作用以及風(fēng)化作用。軟弱結(jié)構(gòu)組合容易產(chǎn)生崩塌，尤其在承受了上述外力作用下，更易發(fā)生地質(zhì)崩塌現(xiàn)象。當(dāng)崩塌體形成以后，會出現(xiàn)較長時間的結(jié)構(gòu)蠕動位移，潛在的崩塌體會突變失穩(wěn)，從而形成崩塌。在這個地質(zhì)構(gòu)造變化階段，巖體翻到、跳躍、滾動、墜落、互相撞擊時有發(fā)生，地質(zhì)巖層經(jīng)過運動后堆積了在坡腳位置。經(jīng)過相關(guān)資料記載，較嚴(yán)重的突然崩塌會激起數(shù)量巨大的碎石，速度迅速、能力巨大以及破壞力驚人是它的主要破壞特征。

2.4 崩塌體運動規(guī)律分析

崩塌體落實運動形式是變化多樣的，影響因素也是比較多，其落石計算形式一般是單一的，并且取一近似值。落實軌跡會遇到凸崖阻擋時發(fā)生變化。崩塌落實運行速度與掉落高度、碎石體積以及重量有著直接的關(guān)系，另外，還與山坡的坡度以及植被覆蓋情況也有著一定干系。地質(zhì)巖層破壞石塊運行速度可以根據(jù)不同的山坡類型進(jìn)行計算分析。折線形山坡崩塌碎石下落速度可以用下式表達(dá)出來：

V=μ=ε

μ=，ε=μ

上面式子中的H為崩塌厚度石塊向下墜落的高度，以m計算；g為重力加速度，以m/s2計算；K為石塊運動過程中受到外部影響造成的阻力系數(shù)。阻力系數(shù)又下表選取。

順序 山坡坡度較大小 K計算公式匯總

1 0度至30度 K=0.41+0.0031

2 30度至60度 K=0.51-0.0047+0.0017α2

3 60度至90度 K=1.01-0.0123+0.000021α2

落石運動軌跡一般是滾落外加跳躍的形式，軌跡確定有助于攔截建筑物的地點設(shè)置。針對于落實騰躍分析，主要分析石塊運行軌跡以及坡面的偏離程度，進(jìn)而確定阻擋建筑物的外形以及攔截位置。

本文分了薄層以及厚層巖層對邊坡穩(wěn)定性的影響，并在此基礎(chǔ)上分析了落實運動形式。各種因素對于邊坡穩(wěn)定性都有著一定的影響，板厚一致時，邊坡穩(wěn)定性坡長與坡角會有著一定的變化關(guān)系，角度變大，潰屈破壞最小長度也會相應(yīng)的有所減小。巖層彈性模量也會影響巖層邊坡的穩(wěn)定性，在文章中已經(jīng)做出了一些介紹分析，在此就不再贅述。相信隨著對巖層邊坡穩(wěn)定性研究的進(jìn)一步深入，山體坡腳工程建設(shè)的安全性將會有所改善。

參考文獻(xiàn)

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[4] 賈存興.層狀巖土質(zhì)混合高邊坡施工期破壞機(jī)制與穩(wěn)定性研究[J].中外公路，2007，07.

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[6] 曾中林，劉貴應(yīng).順層滑移型邊坡參數(shù)敏感性分析[J].西部探礦工程，2011，03.

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2.3 崩塌破壞的主要形式分析

潛在的崩塌體大小以及形態(tài)主要受到長期地質(zhì)構(gòu)造作用、斜坡重力作用以及風(fēng)化作用。軟弱結(jié)構(gòu)組合容易產(chǎn)生崩塌，尤其在承受了上述外力作用下，更易發(fā)生地質(zhì)崩塌現(xiàn)象。當(dāng)崩塌體形成以后，會出現(xiàn)較長時間的結(jié)構(gòu)蠕動位移，潛在的崩塌體會突變失穩(wěn)，從而形成崩塌。在這個地質(zhì)構(gòu)造變化階段，巖體翻到、跳躍、滾動、墜落、互相撞擊時有發(fā)生，地質(zhì)巖層經(jīng)過運動后堆積了在坡腳位置。經(jīng)過相關(guān)資料記載，較嚴(yán)重的突然崩塌會激起數(shù)量巨大的碎石，速度迅速、能力巨大以及破壞力驚人是它的主要破壞特征。

2.4 崩塌體運動規(guī)律分析

崩塌體落實運動形式是變化多樣的，影響因素也是比較多，其落石計算形式一般是單一的，并且取一近似值。落實軌跡會遇到凸崖阻擋時發(fā)生變化。崩塌落實運行速度與掉落高度、碎石體積以及重量有著直接的關(guān)系，另外，還與山坡的坡度以及植被覆蓋情況也有著一定干系。地質(zhì)巖層破壞石塊運行速度可以根據(jù)不同的山坡類型進(jìn)行計算分析。折線形山坡崩塌碎石下落速度可以用下式表達(dá)出來：

V=μ=ε

μ=，ε=μ

上面式子中的H為崩塌厚度石塊向下墜落的高度，以m計算；g為重力加速度，以m/s2計算；K為石塊運動過程中受到外部影響造成的阻力系數(shù)。阻力系數(shù)又下表選取。

順序 山坡坡度較大小 K計算公式匯總

1 0度至30度 K=0.41+0.0031

2 30度至60度 K=0.51-0.0047+0.0017α2

3 60度至90度 K=1.01-0.0123+0.000021α2

落石運動軌跡一般是滾落外加跳躍的形式，軌跡確定有助于攔截建筑物的地點設(shè)置。針對于落實騰躍分析，主要分析石塊運行軌跡以及坡面的偏離程度，進(jìn)而確定阻擋建筑物的外形以及攔截位置。

本文分了薄層以及厚層巖層對邊坡穩(wěn)定性的影響，并在此基礎(chǔ)上分析了落實運動形式。各種因素對于邊坡穩(wěn)定性都有著一定的影響，板厚一致時，邊坡穩(wěn)定性坡長與坡角會有著一定的變化關(guān)系，角度變大，潰屈破壞最小長度也會相應(yīng)的有所減小。巖層彈性模量也會影響巖層邊坡的穩(wěn)定性，在文章中已經(jīng)做出了一些介紹分析，在此就不再贅述。相信隨著對巖層邊坡穩(wěn)定性研究的進(jìn)一步深入，山體坡腳工程建設(shè)的安全性將會有所改善。

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