某含軟弱夾層花崗巖殘積土邊坡穩(wěn)定性研究

陳　瑋，簡文彬,3，董巖松，林興旺

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350108；2.福州大學(xué) 巖土工程與工程地質(zhì)研究所，福建 福州 350108；3.福建省地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，福建 福州 350002)

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某含軟弱夾層花崗巖殘積土邊坡穩(wěn)定性研究

陳瑋1,2，簡文彬1,2,3，董巖松1,2，林興旺1,2

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350108；2.福州大學(xué) 巖土工程與工程地質(zhì)研究所，福建 福州 350108；3.福建省地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室，福建 福州 350002)

摘要：福建省地處中國東南沿海地區(qū),花崗巖殘積土分布較為集中?；◢弾r殘積土邊坡存在較為發(fā)育的微裂隙結(jié)構(gòu)面和一些軟弱巖脈風(fēng)化而成的軟弱夾層，由于風(fēng)化作用、降雨和地下水滲入等外界環(huán)境影響，裂隙中的填充物泥化和膨脹，結(jié)構(gòu)面的抗剪強度迅速下降，形成軟弱夾層，造成邊坡失穩(wěn)破壞。以某含軟弱夾層花崗巖殘積土邊坡為例，建立有限元數(shù)值模型對該邊坡的變形特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)直接開挖后沿軟弱夾層將發(fā)生較大的相對滑動，最大水平位移達(dá)22 cm，同時表明軟弱夾層的存在不僅造成了邊坡總體變形的增大，還決定了邊坡失穩(wěn)破壞時滑動面的位置。研究成果可為此類含軟弱夾層的殘積土邊坡的設(shè)計、施工和治理提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：花崗巖殘積土；微裂隙；軟弱夾層；應(yīng)力集中；穩(wěn)定性

我國東南沿海地區(qū)廣泛分布著花崗巖殘積土。隨著工程建設(shè)的不斷發(fā)展，大量花崗巖殘積土邊坡在各種因素影響下出現(xiàn)失穩(wěn)問題，對社會的影響日益突出[1-3]。目前，對花崗巖殘積土邊坡的研究主要集中在邊坡破壞的形式、工程特性、土體強度以及變形性能方面[4-5]，然而大量的工程實踐和現(xiàn)場研究發(fā)現(xiàn)，花崗巖殘積土具有較多的原生裂隙、次生裂隙和殘留結(jié)構(gòu)面(土體由巖石強風(fēng)化而成，保留了原巖的結(jié)構(gòu)面特征，在雨水滲入等自然作用下形成的軟弱夾層)。這些特性對此類邊坡的穩(wěn)定性起了決定性作用。很多學(xué)者就巖土體的裂隙和軟弱夾層對邊坡的穩(wěn)定性影響開展相關(guān)的研究，如李志清[6]指出含裂隙的膨脹土邊坡發(fā)生強烈脹縮變形是由內(nèi)、外因素引起的，含有大量的蒙脫石晶體礦物及具有顯著的微裂隙結(jié)構(gòu)是災(zāi)害的內(nèi)因和本質(zhì)；同時，國內(nèi)外學(xué)者在結(jié)構(gòu)面對工程巖體的完整性、滲透性、物理力學(xué)以及應(yīng)力傳遞等影響方面的研究也做了大量工作，張曉平[7]采用含軟弱夾層的土樣模型且基于不同的邊界條件，對土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和破壞過程進(jìn)行細(xì)觀數(shù)值模擬；J.P.Bardet[8]模擬邊坡剪切帶的結(jié)構(gòu)，對剪切帶土體厚度、孔隙比、應(yīng)力應(yīng)變以及顆粒旋轉(zhuǎn)等進(jìn)行了研究；李龍起[9]利用降雨試驗?zāi)Ｐ脱芯渴苡晁饔闷麦w的物理場合變化特征，以及軟弱夾層含水率演化特征和泥化效應(yīng)。

然而，由于花崗巖殘積土是花崗巖母巖原地受到風(fēng)化作用而成的殘留物，受母巖性質(zhì)的不均勻性以及風(fēng)化作用的影響[10]，和一般的均質(zhì)土邊坡及巖質(zhì)邊坡對比具有不同的工程特性。含軟弱夾層的邊坡的破壞形式和變形發(fā)展的過程受到邊坡系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性的影響，邊坡中軟弱夾層處土體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)和系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性密切相關(guān)。軟弱夾層是巖體中的不連續(xù)面[11]，因為其土體的力學(xué)指標(biāo)差，不論其薄厚、埋深都給工程建設(shè)帶來一系列不穩(wěn)定因素，經(jīng)常成為邊坡穩(wěn)定、基坑、堤壩抗滑穩(wěn)定等的控制性軟弱面。

因此，本文通過對花崗巖殘積土結(jié)構(gòu)面和工程特性的研究，分析軟弱夾層對邊坡穩(wěn)定性的影響和邊坡破壞的機理，同時對某含軟弱夾層邊坡的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、破壞過程以及不同條件下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，總結(jié)此類邊坡可能的破壞形式，從而對含軟弱夾層的該類邊坡的研究分析、設(shè)計、施工開挖及支護提供參考。

1　花崗巖殘積土的工程特性

1.1花崗巖殘積土的礦物成分

花崗巖殘積土的主要礦物成分是石英、高嶺石、伊利石；其粘土礦物以高嶺石為主(65%～90%)、含少量伊利石(6%～23%)和綠泥石(5%～20%)[12]。福建地區(qū)的花崗巖殘積土由于含有較多如高嶺石等親水性的礦物，使其親水性比較強，膠結(jié)物的含量略少，遇水軟化、崩解、強度急劇降低，隨水流失的特點，對花崗巖殘積土工程性質(zhì)有十分重要的影響。

1.2花崗巖殘積土的結(jié)構(gòu)特點

福建地區(qū)的花崗巖殘積土粒度分布大多呈現(xiàn)“兩頭多，中間小，粗細(xì)組成均衡”的特點。顆粒主要以粒徑>0.5 mm(粗砂以上)和粒徑<0.075 mm為主，粒徑0.5 mm～0.075 mm的顆粒(中、細(xì)、粉砂)含量少，粗、細(xì)粒組含量接近，填充粗粒骨架的中、細(xì)砂、粉砂、含量少[13]。

1.3花崗巖殘積土軟化、崩解特性

花崗巖殘積土軟化特性與水對殘積土顆粒的膠結(jié)物的影響有關(guān)，當(dāng)所含水分增多時，膠結(jié)物的溶解量增大，膠結(jié)效果減弱，土體的強度降低、壓縮性增加?；◢弾r殘積土遇水后迅速膨脹崩解，這是由于土體的非均勻性，水分子無法完全進(jìn)入土體的孔隙中，導(dǎo)致顆粒間擴散層增厚的速度不平衡，粒間斥力和吸力的發(fā)展情況也不平衡，容易形成應(yīng)力集中，最終在斥力超過吸力最大的面上，土體膨脹崩落[14]。

1.4花崗巖殘積土軟弱結(jié)構(gòu)面

1.4.1母巖結(jié)構(gòu)面形成的軟弱夾層

花崗巖的節(jié)理比較發(fā)育，其中以區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用形成的長大貫通的剪切節(jié)理為主，有時一組為優(yōu)勢節(jié)理，有時兩組共軛發(fā)育[15]。各組節(jié)理發(fā)育的長短和規(guī)模不一，將花崗巖分割成大小不等的塊體。節(jié)理多為閉合型或有填充物，填充物大多為厚1 cm～2 cm的高嶺石、伊利石和綠泥石。填充物在風(fēng)化、降雨入滲和地下水侵蝕等作用下大多已經(jīng)泥化，強度很低，成為殘積土結(jié)構(gòu)面中的軟弱夾層。

1.4.2巖脈風(fēng)化形成的軟弱夾層

花崗巖中常見不均勻分布的巖脈，有些巖脈抗風(fēng)化能力較強，形成硬化層，完整性好，強度較高，如石英巖脈；而有些巖脈的抗風(fēng)化能力比較弱，如長石巖脈，則形成以高嶺石為主的軟弱夾層，強度較低。高嶺石含量較高的花崗巖受外界風(fēng)化作用影響較大時，則極易在花崗巖殘積土中形成軟弱夾層。大多數(shù)的邊坡滑坡、崩塌都是沿著這種巖脈風(fēng)化后的軟弱夾層而形成的。

2　工程地質(zhì)概況

某邊坡地貌上屬殘丘坡地，山頂呈渾圓狀，原始自然坡度約30°～40°，植被發(fā)育一般，總體地形地勢呈中部高兩側(cè)低。現(xiàn)場地經(jīng)開挖呈階梯狀斜坡，坡頂已整平。開挖后形成寬約120 m,高約20 m的邊坡。邊坡的穩(wěn)定性將直接影響到坡腳住宅及坡頂擬建樓房的安全，故需要對其進(jìn)行穩(wěn)定性評價，以便采取相應(yīng)的加固措施，以策安全。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、現(xiàn)場調(diào)查和鉆孔揭露本場地地層主要為花崗巖殘積土和全風(fēng)化花崗巖，自上而下具體分為5個巖土層，① 雜填土，厚度1.20 m～2.10 m；② 殘積粉質(zhì)黏性土，厚度1.50 m～6.60 m；③ 風(fēng)化夾層，淺褐色、灰黃，泥狀晶體，濕潤，主要礦物成分為高嶺土、綠泥土，厚度在1.00 m～2.00 m；④ 全風(fēng)化花崗巖，厚度3.80 m～6.10 m。⑤ 強風(fēng)化花崗巖，厚度3.50 m～5.20 m。各巖土層的巖性特征、埋深、厚度及分布情況見工程地質(zhì)剖面圖(圖1)和表1。

圖1邊坡工程地質(zhì)剖面圖(單位：m)

表1　土體的物理力學(xué)指標(biāo)

3　計算方法和計算模型

在邊坡穩(wěn)定性計算方法中，傳統(tǒng)的極限平衡法雖然有它的優(yōu)點，但卻不能對邊坡體內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變的問題進(jìn)行分析。利用Plaxis有限元程序進(jìn)行平面應(yīng)變分析，模擬的邊坡土體范圍為：水平向為30 m，豎向為20 m；采用平面6節(jié)點單元對模型進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分，軟弱夾層處加密，如圖2所示。計算中，土體本構(gòu)模型采用基于摩爾—庫倫屈服準(zhǔn)則和非關(guān)聯(lián)流動法則的理想彈塑性模型。由于軟弱夾層的特殊工程性狀，采用軟土蠕變單元模型進(jìn)行數(shù)值模擬。土層間接觸條件為完全連續(xù)接觸，體系為小變形且只考慮自重的影響。在模型底部邊坡計算區(qū)域設(shè)置為全約束，即采用固定約束，同時約束水平方向和豎直方向變形。在模型兩側(cè)約束水平方向變形，頂部為無約束的自由邊界，不限制任何方向的變形。

圖2有限元數(shù)值計算模型

4　軟弱夾層對邊坡穩(wěn)定性影響分析

首先假設(shè)不考慮軟弱夾層的影響，只考慮其他土層的邊坡作用，即在有限元數(shù)值模擬時不將軟弱夾層激活，采用強度折減法計算得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.56，表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，并具有足夠的安全儲備，邊坡的總位移云圖如圖3所示。從圖3中可以看出，邊坡的變形主要在邊坡后沿和靠近邊坡開挖后造成的臨空面，且邊坡的潛在滑動面位置較淺，接近坡面。

圖3不含夾層邊坡總位移等值云圖

實際上，該邊坡已經(jīng)形成了局部的變形破壞，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，由此得出邊坡的穩(wěn)定性受到邊坡體內(nèi)軟弱夾層的影響較大，是控制該邊坡失穩(wěn)的主要因素。因此，需要通過對該邊坡的的整體位移和軟弱夾層處土體的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行計算和分析，從而準(zhǔn)確的評價軟弱夾層對該邊坡整體穩(wěn)定性的影響作用。

根據(jù)計算結(jié)果得到該含軟弱夾層邊坡的總位移等值云圖(圖4)，位移速度矢量圖(圖5)，該邊坡的總位移值與無軟弱夾層邊坡對比有明顯增幅，變形由坡頂?shù)纳喜客翆娱_始逐漸向邊坡深部土層傳遞，在軟弱夾層處有突變，邊坡的位移顯著變大，達(dá)到最大值22 cm。當(dāng)穿過軟弱夾層時變形傳遞效應(yīng)減弱，位移又開始逐漸減小。與無軟弱夾層邊坡對比，該邊坡的潛在滑動面位置不再處于坡體淺層，而是出現(xiàn)在軟弱夾層處，且靠近殘積粘性土與夾層的交界面。由此說明，軟弱夾層的存在不僅造成了邊坡總體變形的增大，同時決定了邊坡失穩(wěn)破壞時滑動面的位置。

圖4含軟弱夾層邊坡總位移等值云圖

圖5含軟弱夾層邊坡總位移矢量圖

從圖6的應(yīng)力場分布情況可以看出，模型的最大相對剪應(yīng)力出現(xiàn)軟弱夾層和坡腳位置，主要是由于坡腳處的應(yīng)力集中，塑性變形明顯，同時軟弱夾層與周圍土體物理力學(xué)性質(zhì)差異造成的不均勻性導(dǎo)致邊坡應(yīng)力場重分布。對軟弱夾層處土體強度—位移曲線(圖7)分析可以看出，初始階段隨著位移的增加土體的抗剪強度逐漸提高，當(dāng)達(dá)到最高值(峰值強度)后剪應(yīng)力將不再繼續(xù)增大，隨剪切位移的增大，土體抗剪強度有所減小，最后達(dá)到一個穩(wěn)定的抗剪強度，即殘余強度。由于軟弱夾層處產(chǎn)生超應(yīng)力，使局部區(qū)域的土體剪應(yīng)力超過了土體的峰值強度，發(fā)生破壞，破壞時土體只保留殘余強度[16]。

圖6邊坡相對剪應(yīng)力分布云圖

圖7軟弱夾層處土體強度—位移曲線

在考慮地下水對含軟弱結(jié)構(gòu)面的邊坡穩(wěn)定性影響時應(yīng)分兩種不同情況考慮。地下水位在軟弱夾層以上，該類邊坡常處于地勢低洼地帶，地下水位埋深范圍較淺。上部土層多為沖積層或坡積層，在殘積土層上常覆蓋為粒徑較大且富水性較好的土層。由于邊坡開挖后形成臨空面，坡面形成了周圍區(qū)域的地下水集中排泄區(qū)。在降雨作用和地下水位變化下，坡面土體遇水軟化膨脹而造成滑塌，加劇邊坡的應(yīng)力場釋放。軟弱夾層處的土體由于地下水滲流作用下，其中的填充物產(chǎn)生泥化和膨脹，結(jié)構(gòu)面強度迅速降低，使得邊坡沿軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑動。同時，由于滲透水流作用下，導(dǎo)致軟弱夾層中細(xì)小的顆粒在粗顆粒形成的空隙中移動、流失。隨著土體內(nèi)部的孔隙逐漸擴大，滲透流速不斷增加，導(dǎo)致粗顆粒也相繼被水流帶走，最終土體形成完全貫通的滲流通道，產(chǎn)生流沙、管涌等滲流破壞；地下水在軟弱夾層以下，該類邊坡常處于坡地丘陵地帶，地下水穩(wěn)定水位多位于殘積土或全風(fēng)化土層中，其上覆蓋多為坡積土層，地下水位以上土層透水性和富水性差，土體含水率小，力學(xué)參數(shù)較高。當(dāng)開挖在地下水位以上時，邊坡整體穩(wěn)定性較好，當(dāng)開挖至地下水位以下時，坡體出現(xiàn)局部滑塌，隨著地下水位作用不斷增強，土體滑塌范圍逐漸變大。

計算結(jié)果表明，沿軟弱階層處的土體發(fā)生了較大的相對滑動，說明邊坡的穩(wěn)定性取決于變形是否進(jìn)一步發(fā)展和軟弱夾層處土體的力學(xué)參數(shù)。為了分析軟弱夾層的存在對邊坡整體穩(wěn)定性的影響，對土體抗剪強度指標(biāo)進(jìn)行強度折減，計算軟弱夾層在不同抗剪強度參數(shù)下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，見圖8。

圖8軟弱夾層在不同抗剪強度指標(biāo)下邊坡穩(wěn)定系數(shù)

根據(jù)穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果，隨著軟弱夾層的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的增加，邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸變大，當(dāng)黏聚力大于21 kPa，內(nèi)摩擦角大于25°時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)接近1.30，該邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。由以上分析可知，軟弱夾層處土體的力學(xué)參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響作用較大。軟弱夾層具有特殊的物理力學(xué)特征，如果密封條件好，降雨入滲、地下水變化對土體的軟化作用小，夾層的抗剪強度指標(biāo)(c、φ)保持在相對較優(yōu)的水平，這樣對邊坡的穩(wěn)定性就影響不大。反之，如果夾層受外界影響嚴(yán)重，抗剪強度指標(biāo)下降較大，將對邊坡的穩(wěn)定帶來不利的影響。

5　結(jié)　論

經(jīng)過上述分析，得出如下結(jié)論：

(1)花崗巖殘積土具有較多的原生裂隙、次生裂隙和一些殘留結(jié)構(gòu)面(軟弱夾層)，結(jié)構(gòu)面中充填物強度較低、水穩(wěn)定性差，在邊坡開挖過程中容易引起滑坡或崩塌破壞。

(2)軟弱夾層上剪應(yīng)力分布較集中，變形從坡頂?shù)纳喜客翆娱_始逐步向深部土層傳遞，在軟弱夾層處有突變達(dá)到最大值，當(dāng)穿過軟弱夾層時變形傳遞效應(yīng)減弱，位移又開始逐漸減小。

(3)在降雨和地下水作用下，軟弱夾層處的土體由于地下水滲流作用下，其中的填充物產(chǎn)生泥化和膨脹，結(jié)構(gòu)面強度迅速降低，使得邊坡沿軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑動。

(4)軟弱夾層處土體的力學(xué)參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響作用較大，是決定邊坡是否發(fā)生破壞的關(guān)鍵因素。

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StabilityStudyofaGraniteResidualSoilSlopewithWeakInterlayers

CHEN Wei1,2,JIAN Wen-bin1,2,3,DONG Yan-song1,2,LIN Xing-wang1,2

(1.CollegeofEnvironmentandResources,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350108,China；2.InstituteofGeotechnicsandEngineeringGeology,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350108,China;3.FujianKeyLaboratoryofGeohazardPrevention,Fuzhou,Fujian350108,China)

Abstract：Fujian province is located in the southeast coastal area of China,the granite residual soil is widely distributed.Granite residual soil slopes contain rock structure with relatively developed microcracks on its surface and weak interlayers.Due to weathering,rainfalls and the infiltration of underground water,the fillers in the cracks decompose and expand which leads to a fast descend of shear strength of the structure surface and the formation of weak interlayers,and eventually results in the instability and failure of the slope.Taking a granite residual soil slope with weak interlayers as an example,the finite element numerical model was established to study the deformation characteristics of the slope.The research found that there was a large relative sliding movement of soil along the weak interlayers after the excavation,with the maximum horizontal displacement of 22 cm.This indicates that the existence of weak interlayers not only causes the increase of the overall deformation of the slope,but also determines the position of the sliding surface when the stability failure occurs.The research results can provide reference for the design,construction and management of such residual soil slopes with weak interlayers.

Keywords：granite residual soil;microcracks;weak interlayers;stress concentration;stability

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.021

中圖分類號：TU457

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672—1144(2014)06—0107—05

作者簡介：陳瑋(1989—)，男，福建寧德人，碩士研究生，研究方向為邊坡工程。通信作者：簡文彬(1965—)，男，福建永定人，教授，主要從事巖土工程與工程地質(zhì)專業(yè)的教學(xué)與科研工作。

基金項目：福建省地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室開放基金(FJKLGP2012K001)資助

收稿日期：2014-07-20修稿日期：2014-08-21