紅層軟巖邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

邱恩喜，薛元，劉洋

(1.西南交通大學，四川成都 610031;2.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

紅層軟巖邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

邱恩喜1 2，薛元2，劉洋2

(1.西南交通大學，四川成都 610031;2.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

通過對西南地區(qū)四川、重慶、云南等地80多個紅層軟巖邊坡野外調查資料的統(tǒng)計分析，建立了紅層軟巖邊坡模型。選取坡高、巖體塊度、彈性模量和泊松比為邊坡穩(wěn)定性影響因素，利用離散元程序進行數值分析，通過對比邊坡坡腳位移量來分析各因素的影響程度。結果顯示:各影響因素對邊坡穩(wěn)定性的影響程度由高到低分別為泊松比、彈性模量、坡高和巖體塊度;隨著坡率的增加彈性模量的影響權重接近泊松比。數值模擬結果與野外調查結果基本一致，驗證了采用數值模擬計算方法分析邊坡穩(wěn)定性影響因素的可行性。

紅層 軟巖 穩(wěn)定性

在邊坡穩(wěn)定性分析過程中，邊坡設計參數分析常遵循剛體力學或小變形力學理論，研究的介質對象是不變形體或彈性體;在力學分析過程中，服從疊加原理，并與荷載特性、加載的過程無關。這些基于經驗類比、剛體力學和小變形力學理論的方法可實現對硬質巖邊坡穩(wěn)定性的分析，但對于軟巖邊坡，還需對其材料強度的軟化模型進行分析。在前人的研究基礎之上［1－5］，本文以對80多處紅層軟巖邊坡的野外調查資料為基本數據，建立紅層軟巖邊坡模型，選取邊坡幾何參數(坡高、巖體塊度)和巖體強度參數(彈性模量、泊松比)為軟巖邊坡穩(wěn)定性的影響因素，利用離散元程序進行數值模擬，選取邊坡坡腳位移為評價指標，分析不同因素的影響程度。

數值模擬計算時，首先分析坡度和坡腳之間的關系，驗證模型的可行性。然后再用此模型分析其它因素和坡腳之間的關系。最后，將數值模擬結果與野外調查結果對比分析，驗證數值模擬計算的合理性和正確性。

1 數值模型的建立

為了在建立模型時全面真實地反映當前紅層軟巖邊坡的現狀，筆者現場調查軟巖邊坡238處，其線路主要為318國道、成南高速、大雙公路、綿廣高速、南充公路、蓬溪公路、四川101省道、遂回高速、遂渝鐵路、峨眉公路、達成鐵路、元磨高速和寶成鐵路等。

對調查的紅層邊坡幾何參數、巖體結構參數、巖體強度進行了統(tǒng)計分析，得到紅層軟巖邊坡巖層傾角10°、坡高20 m、坡度50°;動彈性模量7.5 GPa;結構面4組，結構面間距0.3 m，結構面粗糙度系數JRC值8;一組廣泛發(fā)育的節(jié)理傾角為78°。

紅層軟巖邊坡巖性主要為泥巖，砂巖或泥巖砂巖互層。所以在分析時，巖體參數的選擇主要根據四川地區(qū)的泥巖、砂巖的參數綜合確定，結構面的參數見表1。

表1 巖體物理力學參數及結構面力學參數［6］

因紅層軟巖邊坡坡度較陡、坡高較矮，巖性單一。在數值模擬計算中，材料破壞模式采用應變軟化模型，邊坡巖體視為被層理及結構面切割后的單元結合體。為了簡化計算模型，考慮巖層產狀和坡面產狀關系對邊坡穩(wěn)定性影響，建立了順坡、水平層理的邊坡及反坡計算模型(圖1)，節(jié)理傾角取78°，結構面間距0.3 m。

圖1 計算模型示意

2 各影響因素對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

2.1 坡率對邊坡穩(wěn)定性的影響

坡率取1∶1.1，1∶1.0，1∶0.9，1∶0.8，1∶0.7，1∶0.6，1∶0.5和1∶0.4，坡高50 m。坡率與坡腳位移的關系曲線見圖2?？芍?，隨著坡率的增加，坡腳位移逐漸增大，也即邊坡穩(wěn)定性降低，和實際情況相符。

圖2 坡腳位移與坡度的關系曲線

2.2 坡高對邊坡穩(wěn)定性的影響

如圖2所示，除水平層理邊坡外，當邊坡坡率大于1∶0.9后，坡腳位移迅速增大，因此計算坡率取為1∶1.0，1∶0.8，1∶0.7，1∶0.6。坡高分別取10，20，30，40，50，60，70和80 m。

軟巖邊坡坡高與坡腳位移的關系曲線見圖3?？芍煌侣实倪吰?，隨著坡高的增加，坡腳位移均增大。順坡坡腳位移最大，反坡次之，水平層理邊坡最小。

2.3 巖體塊度對邊坡穩(wěn)定性的影響

計算坡率同2.2節(jié)，考慮到軟件的計算精度，巖體塊度分別取5，6，7，8，9，10，11和15 m。坡高取50 m。

塊度與坡腳位移的關系曲線見圖4?？芍S著塊度的增加，不同坡率的邊坡坡腳處的位移均逐漸降低。

圖3 坡高與坡腳位移的關系曲線

2.4 巖體彈性模量對邊坡穩(wěn)定性的影響

計算坡率同2.2節(jié)，巖體塊度取5 m。彈性模量分別取1×106，1.25×106，1.5×106，1.75×106，2× 106，2.25×106，2.5×106和3×106kPa。

邊坡巖體彈性模量與坡腳位移的關系曲線見圖5?？梢?，隨著彈性模量的增加，不同坡率的邊坡坡腳處的位移逐漸降低;相同條件下，順坡坡腳位移最大，反坡次之，水平層理邊坡最小。

2.5 巖體泊松比對邊坡穩(wěn)定性的影響

計算坡率同2.2節(jié)，巖體塊度取5 m，坡高50 m，泊松比分別為0.34，0.35，0.36，0.37，0.38，0.39，0.40，0.41和0.42。

泊松比與坡腳位移的關系曲線見圖6?？梢?，隨著泊松比的增加，不同坡率的邊坡坡腳位移逐漸降低;相同條件下，順坡坡腳位移最大，水平層理邊坡次之，反坡最小。

圖5 彈性模量與坡腳位移的關系曲線

圖6 泊松比與坡腳位移的關系曲線

3 各影響因素的綜合比較分析

根據對順坡、水平層理邊坡及反坡三種工況的模擬計算，將坡高、塊度、彈性模量及泊松比歸一化處理后，繪制各指標與坡腳位移的散點擬合圖，研究各指標對坡腳位移的影響權重。圖7為1∶1.0，1∶0.8，1∶0.7 和1∶0.6共4種坡率下的擬合關系圖。

由圖7可知:隨著坡高增加坡腳位移增大，隨著塊度增加坡腳位移逐漸減小，隨著彈性模量的增加坡腳位移減小，隨著泊松比增加坡腳位移降低。

表2為不同坡率下各指標與坡腳位移之間的擬合斜率?？芍?種坡率下，各影響因素對坡腳位移影響權重由高到低依次是泊松比、彈性模量、坡高和塊度;隨著坡度的增加彈性模量影響權重接近泊松比。

數值分析結果表明，對于軟巖邊坡來說，邊坡幾何參數(坡高、塊度)對邊坡變形的影響程度小于巖體力學參數(彈性模量、泊松比)的影響程度。

表2 各指標與坡腳位移之間的擬合斜率

圖7 不同坡率下各影響因素與坡腳位移的擬合關系

4 野外調查分析

蔣爵光等［7－8］用灰色關聯(lián)理論分析了邊坡巖體結構各因素的相關系數，按與坡度相關的重要性由大到小排列，各因素的順序依次為回彈值、粗糙度、產狀、塊度和結構面長度。謝強等［9］采用統(tǒng)計方法研究了硬質邊坡巖體結構各因素與坡度的相關系數，結果表明各因素的重要性由大到小排序依次是塊度、回彈值、結構面長度、結構面粗糙度系數、結構面組數和坡高。

通過對紅層軟巖邊坡野外調查數據的分析，按照相關性由大到小排列，影響軟巖邊坡坡度各因素的順序是彈性模量、坡高、回彈值、塊度、邊坡長和結構面粗糙度系數［10］。本文數值模擬得到的結果是泊松比、彈性模量、坡高和塊度，同野外調查結果基本一致。證明了利用數值模擬方法分析軟巖邊坡穩(wěn)定性影響因素的合理性和正確性。

5 結論

1)坡高、彈性模量及泊松比對軟巖邊坡的穩(wěn)定性來說均是重要的影響因素，其中巖體力學參數影響權重大于幾何參數。

2)彈性模量對軟巖邊坡穩(wěn)定性的影響顯著，這一點有別于硬巖。硬巖彈性模量的變化對其邊坡變形影響程度較軟巖小得多。為此，在軟巖邊坡設計過程中，應考慮將軟巖的力學參數作為主要影響因素，幾何參數中的坡高對軟巖邊坡穩(wěn)定性的影響也很顯著。

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(責任審編 葛全紅)

U213.1+3

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.26

1003－1995(2015)10－0122－04

2015－08－20;

2015－09－05

邱恩喜(1981—)，男，高級工程師，博士。