含軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢*

張家明

(昆明理工大學建筑工程學院，昆明 650500，中國)

0 引 言

巖體中的軟弱夾層是一種薄弱結構層，其彈性模量和強度都比圍巖低，在內、外動力作用下，巖質邊坡常沿軟弱夾層滑動(朱賽楠等，2018)。21世紀以來，我國發(fā)生了數(shù)起與軟弱夾層密切相關的規(guī)模巨大的崩、滑災害，造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。如2003年7月13日0時20分，千將坪滑坡高速滑入青干河中，激起近30m的涌浪，滑體約2.4×107m3，形成近20m高的淤壩，造成14人遇難，10人失蹤，近千人受災，直接經(jīng)濟損失高達5.735×107元(廖秋林等，2005)。重慶市元陽縣寶塔滑坡群是三峽庫區(qū)特大型滑坡之一，體積約1.04×109m3(李守定等，2006)。2008年5月12日，四川汶川MS8.0級地震在綿陽市安縣高川鄉(xiāng)觸發(fā)了大光包巨型滑坡，體積為1.159×109m3(裴向軍等，2019)。2009年6月5日，重慶武隆雞尾山發(fā)生災難性崩滑流災害，厚層灰?guī)r沿軟弱夾層(碳質頁巖)整體滑動，體積約5×106m3，造成74人死亡(Xu et al.，2010)。

隨著人類工程活動的日趨頻繁及范圍的不斷擴展，在國內外的露天礦開采活動、水利水電工程、陸地交通工程和城市開發(fā)建設工程等方面都出現(xiàn)了大量含軟弱夾層的巖質邊坡。據(jù)文獻報道，已經(jīng)有一些含軟弱夾層的邊坡失穩(wěn)破壞產(chǎn)生了災難性事件。如1963年10月9日晚，意大利Vajont水庫發(fā)生滑坡，摧毀了下游的longarone市，造成2000余人喪生(Müller，1987)。20世紀90年代撫順西露天礦北幫邊坡大規(guī)模傾倒滑移變形，威脅周邊建筑的安全，政府投資數(shù)億展開大規(guī)?；轮卫?楊天鴻等，2005，2008)。2018年5月，云南省玉溪市研和鎮(zhèn)生活垃圾焚燒發(fā)電廠高邊坡失穩(wěn)，支擋結構全部失效，損失數(shù)千萬元。因此，含軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定問題已成為露天礦安全生產(chǎn)、水利水電等工程建設的關鍵技術問題。深入開展含軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性研究，對推動我國未來的邊坡治理技術發(fā)展，防治軟弱夾層引發(fā)的地質災害，保證人民群眾生命財產(chǎn)安全具有重要的理論與實際意義。

巖質邊坡失穩(wěn)不僅受控于邊坡本身的內部結構、物理力學性質和坡體形態(tài)，還與外界因素(爆破震動、工程開挖、地震、降雨入滲和庫水位變化等)密切相關(柴賀軍等，2004)。因此，本文根據(jù)外動力作用的不同，分別總結了不同工況下含軟弱夾層(包括泥化夾層)巖質邊坡穩(wěn)定性的研究進展，并討論了邊坡穩(wěn)定性分析方法，指出當前研究存在的問題。

1 國內外研究現(xiàn)狀及分析

1.1 自重工況

根據(jù)研究內容的不同，將自重狀態(tài)下含軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性的研究分為3個方面，即邊坡穩(wěn)定性分析與評價，邊坡失穩(wěn)機制研究和邊坡穩(wěn)定性評價方法研究。

邊坡穩(wěn)定性分析與評價面向工程應用，主要計算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，分析邊坡的變形和破壞過程，做出安全性評價，為邊坡支護設計、施工和監(jiān)測等提供依據(jù)。如運用剩余推力法、平面滑動法、強度折減法和極限分析能量法(Energy Method Upper Bound Limit Analysis，EMU)計算工程邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)(劉紅星等，2004；王維早等，2007；王子忠等，2011；丁立明等，2012；左巍然等，2014)。許寶田等(2009)運用FLAC2D的強度折減法計算了不考慮軟弱夾層時九頂山人工邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)(Fs=1.51)，但實際上邊坡已經(jīng)破壞，證明了軟弱夾層對該邊坡穩(wěn)定性有顯著影響。然后模擬分析了含3層軟弱夾層順層巖質邊坡的應力和變形特征，結果表明坡體沿軟弱夾層發(fā)生層間錯動，導致夾層的抗剪強度降低，夾層的應力集中致使局部首先屈服，屈服區(qū)附近巖石拉裂，破壞區(qū)逐漸擴大，邊坡最終失穩(wěn)。Xu et al. (2013)還采用極限平衡反分析法、室內和現(xiàn)場直剪試驗分析了該滑坡：石灰?guī)r塊體沿軟弱夾層—石灰?guī)r接觸面滑動，接觸面的黏聚力不為零，計算邊坡安全系數(shù)時不能忽略。趙曉等(2006)基于FLAC3D進行了含軟弱夾層切向邊坡變形破壞的數(shù)值分析：滑體沿泥化夾層產(chǎn)生滑移-拉裂變形；泥化夾層空間分布控制著邊坡深層變形破壞。Xu et al. (2014)利用改進的非連續(xù)變形分析(Discontinuous Deformation Analysis，DDA)強度折減法計算了小浪底水電站東苗家滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)，并模擬了該滑坡的變形破壞演化過程。針對軟弱基座(史文兵等，2014)型反傾巖質邊坡的變形破壞過程，任光明等(2003)、柴賀軍等(2004)分別采用離散元(UDEC)、懸臂梁理論和底摩擦試驗進行了研究。他們都認為該類邊坡的失穩(wěn)是以軟弱基座的不均勻壓縮流變?yōu)橄葘?，上部硬質巖體拉裂，但由于坡體形態(tài)各異，最終破壞模式不同：前者坡度近40°，巖層面近似垂直于坡面，硬質巖層彎曲變形，逐漸折斷并倒向臨空面，折斷面形成一連續(xù)控制性弱面，當軟基的最大剪應力超過其抗剪強度時，即發(fā)生蠕滑拉裂型滑坡；后者坡面陡峭，巖層稍緩，臨面硬巖體與母巖分離，軟基應力增大，軟基破壞引起整個邊坡倒塌。

圖 1 層狀巖質邊坡破壞規(guī)律(張社榮等，2014)Fig. 1 Destruction rules of stratified rock slopes(Zhang et al.，2014)

圖 2 多層軟弱夾層邊坡巖層傾角與安全系數(shù)的關系(張社榮等，2014)Fig. 2 Relations between strata inclination and safety factors(Zhang et al.，2014)

邊坡失穩(wěn)機制研究主要探討了軟弱夾層的含水狀態(tài)、抗剪強度、傾角、厚度、間距和邊坡坡度對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、變形和破壞模式的影響。如基于平面滑動法(龔裔芳等，2010)和FLAC3D強度折減法(劉新喜等，2015)的研究表明，軟弱夾層的含水率增大，抗剪強度降低，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低。劉新喜等(2017)用強度折減法探討了軟弱夾層的傾角、厚度、黏聚力和內摩擦角對順層邊坡水平位移和穩(wěn)定性系數(shù)的影響：抗剪強度降低和厚度增大都能導致邊坡水平位移增大，穩(wěn)定性系數(shù)降低；隨傾角增大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)先減小后增大，最低值出現(xiàn)在45°附近；邊坡穩(wěn)定性敏感度的強弱順序是傾角、內摩擦角、黏聚力、厚度。張社榮等(2014)利用PLAXIS軟件的Sarma極限平衡法和強度折減法研究了多層軟弱夾層邊坡的巖層傾角θ、邊坡坡度β和夾層間距h對邊坡安全系數(shù)和破壞模式的影響。研究表明：θ不同，破壞模式不同，即隨著θ增大(水平層狀邊坡→順層邊坡→直立層狀邊坡→反傾邊坡)，破壞模式表現(xiàn)為滑移破壞→滑劈破壞→崩塌破壞→傾倒破壞→滑移破壞(圖 1)；針對順層邊坡，θ增大，安全系數(shù)先減后增，極小值出現(xiàn)在θ=30°時，與劉新喜等(2017)的45°的觀點不同，這可能與軟弱夾層的層數(shù)有關，劉新喜等(2017)的計算模型只有一層軟弱夾層，而張社榮等(2014)的計算模型有多層軟弱夾層；針對反傾邊坡，θ增大，安全系數(shù)先減后增再減，極小值出現(xiàn)在θ=120°時(圖 2)；總體來看，邊坡安全系數(shù)的大小關系是直立層狀邊坡>水平層狀邊坡，反傾邊坡>順層邊坡，而水平層狀邊坡與反傾邊坡的關系與夾層間距有關，間距增大，反傾邊坡>水平層狀邊坡，間距減小則相反；β影響巖體的破壞特征，對于順層邊坡，β=30°時表現(xiàn)為滑移-彎折的復合破壞，當β=60°時表現(xiàn)為滑移破壞，對于反傾邊坡，都表現(xiàn)出傾倒破壞，只是傾倒破壞態(tài)勢的強弱不同；h降低，夾層數(shù)增多，安全系數(shù)降低。

在邊坡穩(wěn)定性評價方法研究方面，費先科最早提出了考慮軟弱夾層的巖質邊坡穩(wěn)定性分析方法，但該法采用了不合理的靜力學條方法，造成計算結果與實際偏差較大(Chen et al.，1999)。Goh(1983)提出用遺傳算法確定滑移面位置，并將這種方法整合到多楔體穩(wěn)定性分析方法中，諸多案例表明這種方法可用于計算含軟弱夾層邊坡的安全系數(shù)。基于塑性力學極限分析的上限定理和機動位移法，劉小麗等(2002)假設軟弱夾層是潛在滑面，且是平面，然后提出了單層和多層軟弱夾層邊坡能量系數(shù)的計算公式，用來評價邊坡的穩(wěn)定性，平面滑動法證實了這種方法針對平面滑動型邊坡是可行的。湯祖平等(2014)根據(jù)相關聯(lián)流動法則、內外能耗守恒原理和強度折減技術，對黃茂松等(2012)、Huang et al. (2013)提出的平動-轉動組合破壞機構進行適當改進(機構存在速度相容性問題)，同時提出一種新的直線型滑動破壞機構，推導出以上兩種破壞機構極限上限分析的計算公式，用于計算含單層軟弱夾層邊坡的安全系數(shù)，F(xiàn)LAC3D從安全系數(shù)和潛在滑面位置方面檢驗了這兩種方法是適用的。Yao et al. (2014)采用單純形—有限隨機追蹤法搜索含軟弱夾層邊坡的潛在滑動面，假設滑動面由光滑弧形和折線組成，并編制了邊坡穩(wěn)定分析軟件DL-SLOPE。Cheng(2003)基于模擬退火分析(Simulated Annealing Analysis)方法構建了含軟弱帶邊坡的二維穩(wěn)定性分析方法。在此基礎上，Cheng et al. (2005)使用非均勻有理B樣條面(NURBS，即Non-Uniform Rational B-Splines)和橢球面模擬滑面，提出非球形破壞面的三維極限平衡法，實現(xiàn)了含軟弱夾層巖質邊坡三維塑性極限穩(wěn)定分析的突破。王浩然等(2013)基于極限分析上限法，在三維圓錐體平動破壞機構和牛角狀螺旋圓錐體轉動破壞機構的基礎上構建了三維轉動-平動組合破壞機構，計算了含軟弱夾層邊坡的三維安全系數(shù)，彈塑性有限元強度折減法驗證了這種方法是有效的。

綜上所述，軟弱夾層對邊坡穩(wěn)定的不利影響已經(jīng)得到普遍關注和廣泛研究，含軟弱夾層巖質邊坡的穩(wěn)定性比均質邊坡和不含軟弱夾層的層狀巖質邊坡都差。含軟弱夾層巖質邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，應力和變形特征，破壞模式與軟弱夾層的含水狀態(tài)、抗剪強度、傾角、厚度、間距、層數(shù)和邊坡坡度有關。夾層的含水率增大，抗剪強度降低以及夾層厚度的增大都會導致邊坡變形增大，穩(wěn)定性系數(shù)降低。夾層的傾向、傾角與邊坡的坡向、坡度的組合關系顯著影響邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)和破壞規(guī)律：順層邊坡的安全系數(shù)最小值出現(xiàn)在夾層傾角30°～45°之間，夾層數(shù)越多，這個臨界值越小；反傾邊坡的安全系數(shù)最小值出現(xiàn)在夾層傾角120°左右；順層邊坡的穩(wěn)定性差于反傾邊坡；從近水平層狀邊坡→順層邊坡→直立層狀邊坡→反傾邊坡，破壞規(guī)律總體為滑移破壞→滑劈破壞→崩塌破壞→傾倒破壞；夾層間距減小，層數(shù)增多，邊坡安全系數(shù)降低。軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性評價的極限分析法已經(jīng)實現(xiàn)了三維穩(wěn)定分析的突破。既有研究主要針對含單層軟弱夾層的巖質邊坡，對含多層軟弱夾層巖質邊坡的研究較少。

1.2 開挖工況

開挖對巖質邊坡變形破壞和穩(wěn)定性的影響是巖土工程和工程地質領域的重要研究內容之一。在人工分級開挖方面，陳婷等(2014)和贠永峰等(2018)分別運用有限元強度折減法、ADINA軟件模擬了單層軟弱夾層順層邊坡的開挖和支護過程。結果表明，開挖但不及時支護，邊坡將沿軟弱夾層發(fā)生滑動破壞。Xue et al. (2018)針對貴州某高速公路含兩層軟弱夾層(斷層泥)的玄武巖邊坡，綜合采用現(xiàn)場調查、GEO-SLOPE軟件中的Sigma/W和Slope/W方法研究了開挖對邊坡穩(wěn)定和變形的影響。結果表明，軟弱夾層是滑坡的根本因素，開挖是邊坡失穩(wěn)的重要觸發(fā)因素。

在爆破開挖方面，肖正學等(2009)利用ANSYS/LS-DYNA模擬了含單層軟弱夾層順層巖質邊坡單孔爆破過程，揭示了爆破對邊坡穩(wěn)定性的影響。研究表明：炮孔內炸藥爆炸的爆轟氣體產(chǎn)物對軟弱夾層的沖刷、推移和壓密產(chǎn)生了層裂效應，形成空腔區(qū)、壓密區(qū)和離析區(qū)，空腔區(qū)巖體與夾層完全分離，它們之間的黏聚力和摩擦力都為0，壓密區(qū)和離析區(qū)巖體與夾層間的接觸狀態(tài)受到擾動，它們之間的黏聚力和摩擦力降低；空腔區(qū)受到爆轟氣體的膨脹作用，壓密區(qū)受到夾層擠壓增厚作用，因此上覆巖體受到向上巨大的壓應力作用(0.21～0.75GPa)，這些作用都會降低邊坡的穩(wěn)定性。剪切試驗進一步證實了上述爆破層裂效應降低邊坡穩(wěn)定性的觀點。張繼春等(2009)進行了含軟弱夾層混凝土單孔臺階爆破物理模型試驗，用高速攝像機監(jiān)測爆破過程中夾層的運動特征，證實了爆轟氣體對軟弱夾層的推移作用確實存在，且較為強烈。根據(jù)爆破相似理論，郝亞飛等(2012)進行了含軟弱夾層順層巖質邊坡模型爆破試驗和剪切試驗。結果表明在爆破作用下，自爆孔中心向四周，軟弱夾層可分為爆腔區(qū)、壓密區(qū)、影響區(qū)和無擾動區(qū)，前三者構成層裂范圍，影響區(qū)外緣直徑是夾層厚度的12.5～25倍，層裂效應顯著；爆破后邊坡安全系數(shù)降低，爆破過程中最低；軟弱夾層厚度增大，層裂范圍和邊坡安全系數(shù)先減后增。

綜上所述，在分級開挖方面，主要研究了開挖改變坡體形態(tài)和卸荷對邊坡穩(wěn)定性的影響，而在爆破開挖方面，主要分析了爆破的層裂效應。研究表明，開挖容易誘發(fā)坡體沿軟弱夾層滑坡，需要及時支護。爆破層裂效應減小了軟弱夾層與圍巖的接觸面積，改變了兩者的接觸狀態(tài)，減小了它們之間的黏聚力和摩擦力，導致邊坡穩(wěn)定性降低。

1.3 暴雨和蓄水工況

Al-Homoud et al. (1998)對約旦的安曼-埃爾比德公路、納烏爾-死海公路的邊坡失穩(wěn)案例進行調查后發(fā)現(xiàn)，大部分邊坡失穩(wěn)都與軟弱夾層有關，所有失穩(wěn)邊坡都是順層邊坡，滑體沿軟弱夾層平動或轉動破壞，降雨形成上層滯水是邊坡失穩(wěn)的重要誘因。四川省南江縣紅層區(qū)大量順層巖質滑坡與軟弱夾層和降雨有關(王森，2017)。三峽庫區(qū)約90%以上的崩塌、滑坡災害都與軟弱夾層有關(殷躍平，2004)。我國大型水利水電工程多數(shù)建于西南高山峽谷地區(qū)，邊坡穩(wěn)定是庫壩安全的重要前提之一(周創(chuàng)兵，2013)。因此，降雨和庫水位變化對含軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性的影響是值得關注的問題。

基于相似理論和光纖光柵監(jiān)測技術，李龍起等(2013)進行了含軟弱夾層順層巖質邊坡室內物理模型降雨模擬試驗。研究表明，降雨對邊坡層間錯動的影響受巖層傾角影響較大，傾角為35°時層間錯動最顯著。魏云杰等(2016)采用GEO-SLOPE軟件的Mohgenstem-Prince法計算了降雨條件下含軟弱夾層(凝灰?guī)r)玄武巖邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。王在泉等(2004)運用Sarma極限平衡法計算了蓄水前、后含泥化夾層巖質邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)：蓄水后穩(wěn)定性系數(shù)顯著降低。唐穎棟等(2015)利用FLAC3D和ROCSCIENCE軟件的極限平衡法分析了含泥化夾層巖質邊坡在蓄水工況和暴雨工況下的安全系數(shù)和變形：與自重工況相比，以上兩種工況下邊坡安全系數(shù)降低，變形增大?；谌S有限元數(shù)值法，靳曉光等(2004)研究了水庫蓄水至高程175m對三峽庫區(qū)某順層巖質坡體應力和位移的影響。結果表明蓄水后坡體應力和位移增大，軟弱夾層是坡體變形破壞的控制性巖層。與非蓄水工況相比，上述研究在分析水庫蓄水對邊坡穩(wěn)定影響時，只對水位以下巖體參數(shù)做特殊處理，即水位以下巖體參數(shù)取飽和強度指標。

綜合以上研究，暴雨和蓄水都不利于含軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定?，F(xiàn)有研究在分析水庫蓄水對邊坡穩(wěn)定性影響時，僅考慮了蓄水弱化巖體參數(shù)對邊坡穩(wěn)定的影響。

1.4 地震工況

地震對邊坡穩(wěn)定性的影響歷來是多山、多地震國家和地區(qū)十分關心的問題之一。尤其是2008年中國汶川地震之后，掀起了地震作用下斜坡動力穩(wěn)定性研究的熱潮。目前對地震作用下含軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定的研究主要集中在邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、邊坡動力響應和變形破壞特征方面，研究主要采用極限平衡分析、數(shù)值模擬和振動臺試驗。

在極限平衡分析和數(shù)值模擬方面，Wei et al. (2009)采用極限平衡法和強度折減法計算了橫向地震荷載下含軟弱夾層邊坡的安全系數(shù)?；赟LOPE/W和PLAXIS2D，Rodríguez-Ochoa et al. (2015)研究表明軟弱夾層對海底滑坡啟動有促進作用。鄧檢良等(2014)提出改進的NS法(紐馬克法與瑞典條分法結合)，分析了地震作用下邊坡沿軟弱夾層滑動的水平位移，并與改進的NJ法(紐馬克法與簡布法結合)對比討論了兩種方法的特點。Zhang et al. (2017)運用PFC2D模擬了地震作用下甘肅天水市鄭家磨滑坡的機理和運動學特征：滑體沿軟弱夾層發(fā)生旋轉滑動破壞。劉立平等(2007)研究(ANSYS)了夾層厚度、埋深和傾角的影響：位移和加速度隨夾層厚度增大而增大，夾層以上邊坡位移和加速度相對較大，夾層以下則相對較小。杜曉麗等(2010)研究(ADINA)表明，在地震作用下含軟弱夾層邊坡與均質邊坡的破壞位置不同，前者的位移是后者的數(shù)倍，夾層傾角影響邊坡水平位移，速度隨夾層厚度增大而增大。基于FLAC3D，李果等(2011)對罐灘滑坡研究后認為，在斜坡破壞之前，軟弱基座起到隔震作用，而當斜坡整體破壞后，軟弱基座會加劇破裂面的發(fā)展，最終產(chǎn)生滑坡。馮志仁等(2014)研究了順層巖質邊坡：坡面水平向加速度放大系數(shù)(Horizontal Amplification Coefficients of Peak Ground Acceleration，簡寫為HAC)隨高程、地震波幅值A、地震波頻率f的增大而增大，地震動持時對HAC的影響可以忽略；水平正向輸入地震波時的HAC比水平負向輸入時大。陳臻林等(2015)研究了反傾邊坡：以軟弱夾層為界，下部坡面的HAC隨軟弱夾層傾角θ的增大而減小，隨A的增大而增大，上部坡面的HAC隨θ的增大呈先增后減，峰值在15°～20°之間，隨A的增大而減?。籋AC隨f增大而增大，當坡體自振頻率接近f時，HAC最大；下部坡面的HAC隨高程增加而增大，在靠近軟弱夾層下側位置達到最大值，向上經(jīng)過軟弱夾層后，HAC迅速減小，然后又隨著高程的增加而增大，表明軟弱夾層有消能減震作用；在坡頂，HAC從坡里到坡肩線性增大，坡內HAC隨高程增加而增大；軟弱夾層厚度d增大，坡頂HAC減?。卉浫鯅A層的消能減震作用與f、d、θ有關，f和d增大，減震效果越顯著。以上研究都是針對水平地震作用下含單層軟弱夾層巖質邊坡的穩(wěn)定性，輸入地震波有EI-Centro波、脈沖波和正弦波。研究主要得出以下一致性結論：(1)地震作用下軟弱夾層對巖質邊坡穩(wěn)定是不利的；(2)軟弱夾層上、下坡體的動力響應特征存在差異；(3)加速度放大系數(shù)分布有高程放大效應；(4)HAC動力響應特征表明軟弱夾層有消能減震作用；(5)軟弱夾層的厚度、埋深和傾角，地震波的輸入方向、幅值和頻率影響邊坡動力響應特征(位移、速度、加速度和應力)。但在軟弱夾層厚度對加速度影響方面有不同的觀點。

基于大型振動臺試驗，楊崢等(2014)研究了地震作用下反傾邊坡的變形破壞特征：地震波類型、激振方向、振動強度和軟弱夾層厚度影響邊坡的變形破壞程度；厚層軟弱夾層具有消能減震作用，厚度增大，邊坡破壞程度和范圍減小，水平加速度發(fā)生顯著放大的坡面位置降低，水平加速度減小，破壞位置高度也隨之降低；破壞模式為“震裂-散體崩落”型；X向地震波使坡體中上部產(chǎn)生剪切變形，形成剪切裂縫，是造成邊坡變形破壞的最主要因素。周飛等(2016)分析了水平層狀邊坡的水平、豎向加速度響應特征。結果表明，高程增加，HAC增大，坡面的HAC大于坡內；坡內豎直向加速度放大系數(shù)(Vertical Amplification Coefficients of Peak Ground Acceleration，簡寫為VAC)隨高程增加而增大，坡面VAC隨高程增加的變化規(guī)律與夾層厚度有關，薄夾層VAC局部減小后增大，最大值出現(xiàn)在坡肩位置，厚夾層最大值出現(xiàn)在軟弱夾層底部，坡面VAC大于坡內；在同一高度，坡內HAC大于VAC，在軟弱夾層以下，坡面HAC小于VAC，在夾層以上，坡面HAC大于VAC；軟弱夾層對水平向動力響應有一定的放大作用，而對豎直向動力響應則是吸收減弱；邊坡加速度動力響應影響因素的強弱順序為邊坡高程、坡體位置(坡面、坡內)、軟弱夾層厚度、激勵振幅、加載波形、激勵方向。劉漢香等(2015)綜合研究了水平層狀邊坡和反傾邊坡的水平、豎向加速度響應規(guī)律和變形破壞特征：厚夾層能夠削弱坡頂?shù)腣AC，以反傾邊坡最為顯著；與均質邊坡相比，當?shù)卣鸩ǚ敌∮?.3ig時，夾層對HAC和VAC起到增強作用，當?shù)卣鸩ǚ荡笥?.3ig時，厚夾層則表現(xiàn)出隔震作用。吳尚杰等(2017)分析了含軟弱夾層錨框支護邊坡的HAC、水平土壓力震蕩系數(shù)的響應規(guī)律和破壞特征：HAC的高程效應和趨表效應明顯，但由于軟弱夾層的隔震作用，鞭梢效應不明顯；HAC隨輸入地震動幅值的增大而減??；水平土壓力震蕩系數(shù)隨埋深、地震動幅值的增大而增加；邊坡破壞主要集中在軟弱夾層上部坡體，尤其是坡頂表層。以上模型只考慮一層軟弱夾層，輸入的地震波有EI-Centro波、人工波、白噪聲、正弦波、5.12臥龍地震臺實測的汶川地震波和1995年日本kobe地震波。

針對含多層泥化夾層的順層和反傾巖質邊坡，范剛等(2015a，2015b，2015c)的振動臺試驗表明，坡面HAC隨高程和地震波頻率的增加而增大。對于順層邊坡，坡面HAC和VAC隨地震波幅值的增加呈先增后減，分界值是0.3ig；泥化夾層飽和后，邊坡下部(<0.4H，H為邊坡高度)坡面HAC減小，中上部(>0.4H)增大，VAC減??；泥化夾層飽水前，坡面HAC大于坡內，飽水后中上部則相反；破壞模式為“拉裂→滑移→崩落”式。對于反傾邊坡，坡面HAC大于坡內，泥化夾層飽和后，坡面HAC減??；坡肩位移最大，坡體沿泥化夾層滑動剪出，坡頂震碎。順層邊坡的坡面位移大于反傾邊坡，中上部坡面HAC大于反傾邊坡，前者穩(wěn)定性比后者差。這些試驗輸入地震波為汶川地震清屏波和EI-Centro波。

在動力響應的頻譜特性方面，范剛等(2016)采用Hilbert-Huang變換和邊際譜理論研究了順層邊坡的損傷演變過程：地震作用下邊坡?lián)p傷首先出現(xiàn)在坡肩位置，隨著地震波幅值的增大，震害損傷向低處發(fā)展，坡面損傷程度強于坡內；邊際譜峰值和特征頻率的變化能清晰地表征邊坡內部的震害損傷發(fā)展過程。劉漢香等(2019)分析了含單層水平軟弱夾層邊坡的水平加速度響應頻譜特征：邊際譜幅值總體增大，邊際譜形狀變化明顯；激振強度增加，邊坡上部加速度響應的卓越頻率發(fā)生顯著變化。

振動臺試驗除了得出與1.4節(jié)的第2段相同的結論外，還可以得出以下統(tǒng)一結論：(1)邊坡加速度放大系數(shù)分布存在坡面趨表效應；(2)順層邊坡的動力穩(wěn)定性比反傾邊坡差；(3)邊坡動力響應和變形破壞特征受到軟弱夾層參數(shù)(厚度、傾角、含水狀態(tài))、地震波特性(地震波的類型、幅值、頻率、激振方向)和邊坡結構(高程、位置、順層或反傾等)共同影響。但在軟弱夾層對水平向動力響應的放大或減弱作用及厚層軟弱夾層的消能減震作用方面仍然有不同觀點。我們認為，軟弱夾層的放大或減弱作用受諸多因素共同影響，不能一概論之，要具體情況具體分析。

2 邊坡穩(wěn)定性分析方法

2.1 極限平衡法

極限平衡法假設邊坡出現(xiàn)任意形狀的潛在滑面，其位置已經(jīng)確定，而且邊坡處于極限平衡狀態(tài)，然后將潛在滑體離散成若干剛體豎條或斜條，假設潛在滑體沿潛在滑面發(fā)生剛性滑動或轉動，構建條塊之間的靜力平衡方程，求解方程可獲得邊坡安全系數(shù)。如剩余推力法(王維早等，2007)、平面滑動法(丁立明等，2012)、Sarma極限平衡法(張社榮等，2014)和多楔狀極限平衡法(Goh，1983)。極限平衡法分析地震作用對邊坡穩(wěn)定性影響時是使用擬靜力方法，即將地震慣性力視為大小不變，水平向或豎向的靜力荷載施加在坡體上，建立和求解平衡方程可得邊坡安全系數(shù)(Wei et al.，2009；Rodríguez et al.，2015)。

極限平衡法的力學模型簡單，通用性和適用性強，已納入了相關規(guī)范，廣泛應用于工程實踐中。但該方法不考慮坡體的應力-應變關系，人為假定條塊之間作用力的方向和位置，所得解并不是嚴格意義上的一個上限解或下限解(Huang et al.，2017)。當巖質邊坡中存在多層軟弱夾層時，該法忽略了夾層間的作用力，而且不能考慮軟弱夾層厚度和多層滑移的影響。軟弱夾層經(jīng)常是潛在滑移面，極限平衡法對于簡單的含單層軟弱夾層的巖質邊坡應該是可行的，但對于含多層軟弱夾層的復雜巖質邊坡，該法可能存在很多不足而必須簡化計算模型。比如張社榮等(2014)采用Sarma法計算含多層軟弱夾層巖質邊坡的安全系數(shù)時是將其按加權平均法簡化為均質邊坡。極限平衡法在分析地震對邊坡穩(wěn)定影響時存在更多不足，例如不能充分考慮地震波特性和巖體動力學特性的影響，不能分析邊坡的動力響應特征和模擬軟弱夾層的放大或減震效應等。

2.2 塑性極限分析法

塑性極限分析法將滑體視為服從流動法則的理想塑性材料，以極限狀態(tài)時自重和外荷載所做的功等于滑移面上阻力所消耗的功為條件，結合塑性極限分析的上、下限定理，求解邊坡極限荷載和安全系數(shù)(楊天鴻等，2011)。該法獲得的安全系數(shù)是一個范圍，即上限解和下限解。目前，針對含軟弱夾層巖質邊坡，主要采用極限分析上限法(劉小麗等，2002；王浩然等，2013；湯祖平等，2014)分析自重狀態(tài)下的靜力穩(wěn)定問題，極限分析上限法的關鍵是構建破壞機構。塑性極限分析法具有嚴謹?shù)睦碚摶A，而且在流動法則和能量平衡方面有嚴格的假設條件，但這些假設使得塑性極限分析法在分析含軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性時面臨諸多困難，例如如何考慮復雜荷載、滲流、軟弱夾層厚度和多層滑移的影響(湯祖平等，2014)。

2.3 數(shù)值分析法

數(shù)值分析法已成為邊坡穩(wěn)定性分析的重要方法，尤其是針對大型復雜高陡邊坡。目前，含軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析法主要有有限單元法(Finite Element Method，F(xiàn)EM)、有限差分法(Finite Difference Method，F(xiàn)DM)和離散單元法(Discrete Element Method，DEM)。有限單元法主要采用ANSYS、PLAXIS和ADINA，有限差分法主要是FLAC，離散單元法主要有UDEC、PFC和DDA。

有限單元法和有限差分法都是在連續(xù)介質力學理論的基礎上發(fā)展起來的，在處理復雜幾何邊界條件和巖體非線性問題方面有強大能力。這兩種數(shù)值方法在分析邊坡穩(wěn)定性時無需考慮太多假設條件，可以模擬復雜的地質條件和荷載工況，可獲得計算模型任意時步，任意位置的應力、應變和位移等信息，分析邊坡的變形特征和漸進性破壞過程(高玉峰等，2015)。此外，有限元單元法和有限差分法還可以聯(lián)合極限平衡法和強度折減法計算邊坡安全系數(shù)和分析失穩(wěn)模式(許寶田等，2009；張社榮等，2014；劉新喜等，2015；唐穎棟等，2015)。但是強度折減法對收斂判別準則、邊界條件和網(wǎng)格尺寸非常敏感，尤其是針對邊坡三維穩(wěn)定分析，使用這種方法要非常小心(Wei et al.，2009)。有限單元法在解決離散的、非連續(xù)和大變形問題方面不及有限差分法。巖質坡體常沿軟弱夾層發(fā)生層間滑移破壞，因此有限差分法在分析含軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性方面更勝一籌。當軟弱夾層很薄時，如云南省玉溪市研和鎮(zhèn)生活垃圾焚燒發(fā)電廠高邊坡中的泥化夾層最厚僅有3cm左右，這兩種方法對極薄夾層的模擬可能存在困難，出現(xiàn)難以計算的問題。

離散單元法是基于不連續(xù)介質力學理論發(fā)展起來的，在模擬巖石邊坡漸進破壞過程和滑體運動學方面有突出優(yōu)勢。PFC能夠解決含薄夾層等非均質各向異性難于計算的問題。運用PFC進行模擬時，需要輸入顆粒的微觀特征參數(shù)，但這些微觀參數(shù)與巖體宏觀參數(shù)沒有對應關系，必須通過真實試驗和數(shù)值試驗對比和反演微觀參數(shù)，這已成為采用PFC模擬分析的主要障礙。著名學者石根華于1985年提出的非連續(xù)變形分析法(DDA)是一種嶄新的離散數(shù)值模擬方法，已經(jīng)廣泛用于解決各種實際工程問題(Zhang et al.，2016)。DDA在大變形和非連續(xù)接觸等方面有明顯優(yōu)勢，不僅能夠計算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，而且能夠模擬滑坡的孕育、發(fā)生、發(fā)展至再穩(wěn)定的變形破壞和運動全過程(Xu et al.，2014；Fu et al.，2017)，是含多層軟弱夾層巖質邊坡失穩(wěn)破壞數(shù)值模擬研究的重要手段之一。邊坡失穩(wěn)破壞是從連續(xù)變形到非連續(xù)變形的過程，將連續(xù)介質方法與非連續(xù)介質方法耦合起來是數(shù)值分析法的發(fā)展趨勢(楊天鴻等，2011)，如FLAC與PFC的耦合(劉蕾等，2014)。

2.4 物理模型試驗

研究含軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性的物理模型試驗主要有室內降雨模擬試驗(李龍起等，2013)、模型爆破層裂試驗(郝亞飛等，2012)和大型振動臺試驗(劉漢香等，2019)。物理模型試驗是根據(jù)相似理論制作物理模型，然后進行物理試驗。嚴格來講，物理模型要實現(xiàn)完全相似是不可能的，只能控制某些重要指標相似來設計模型。例如在振動臺試驗中，由于軟弱夾層很薄，彈性模量等力學參數(shù)比圍巖低很多，軟弱夾層很難滿足相似理論(周飛等，2016)。由于動力問題的復雜性，振動臺試驗在邊界效應和尺寸效應方面仍然存在局限性。雖然物理模型試驗還存在某些不足之處，但仍然是含軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性研究的重要手段之一。物理模型試驗不能得出適用于原型邊坡的定量結論，但能給出定性的規(guī)律性認識，能夠直觀顯示邊坡的變形破壞特征和失穩(wěn)方式，對邊坡失穩(wěn)機制研究有重要意義。

3 存在問題及研究發(fā)展趨勢

3.1 存在問題

(1)沒有考慮軟弱夾層的流變力學特性對巖質邊坡變形破壞過程的影響，分析模型主要集中于含單層軟弱夾層巖質邊坡，軟弱夾層的多層滑移現(xiàn)象尚有待今后深入研究。

邊坡失穩(wěn)要經(jīng)歷滑移面的孕育、演化、發(fā)展和貫通過程。含軟弱夾層巖質邊坡的復雜性和特殊性在于軟弱夾層，不同于節(jié)理面，軟弱夾層是一種彈-黏性結構分散體系，具有強度低、易變形和顯著的流變特性(王幼麟等，1982；孫鈞，2007)。巖質邊坡在瞬間整體失穩(wěn)前已沿著軟弱夾層經(jīng)歷了長期剪切滑移變形，滑坡體的應力場、應變場和穩(wěn)定狀態(tài)表現(xiàn)出時效性，破壞過程顯示漸進性(馮振等，2013)。不考慮軟弱夾層的流變力學特征，難以闡明含軟弱夾層巖質邊坡的漸進性破壞和穩(wěn)定狀態(tài)演化過程。含多層軟弱夾層的巖質邊坡可能產(chǎn)生多層層間剪切滑移，邊坡變形量更大，穩(wěn)定性更差，但既有分析模型主要集中在單層軟弱夾層巖質邊坡，沒有研究多層滑移變形破壞過程。

(2)單因素作用(開挖卸荷、爆破震動、地震作用、降雨入滲、庫水位變化、地下水等)對含軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性影響的研究不全面，多因素耦合作用下巖質邊坡穩(wěn)定性是需進一步研究的問題。

巖體開挖不僅改變坡體形態(tài)，而且開挖卸荷使得開挖面附近巖體的應力重新分布，形成開挖擾動區(qū)，引起巖體的力學特性和質量迅速劣化(王瑞紅等，2007)。因此，需從坡體形態(tài)改變、卸荷和巖體力學參數(shù)劣化方面分析開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響。爆破也是巖質邊坡常用的開挖方式，在分析爆破開挖對巖質邊坡穩(wěn)定性影響時，除考慮上述開挖效應外，還應考慮爆破過程中爆轟氣體產(chǎn)生的層裂效應和爆炸應力波的影響(陳明等，2015)。但目前含軟弱夾層巖質邊坡開挖穩(wěn)定性研究只考慮坡體形態(tài)改變、卸荷和爆破層裂效應。

目前含軟弱夾層巖質邊坡的地震動力穩(wěn)定性研究主要以簡化三維模型和二維模型為研究對象，在時間域研究邊坡位移、速度、加速度和峰值加速度放大系數(shù)的二維分布特征和變形破壞規(guī)律。這些研究是相當重要的，但對于實際邊坡抗震設計應用還有一定距離，應該繼續(xù)深入開展相關工作。此外，數(shù)值模擬研究尚未考慮軟弱夾層的動力學特性對巖質邊坡動力穩(wěn)定的影響。

降雨入滲和水庫蓄水增加坡體重力，弱化巖體力學參數(shù)，改變邊坡水文地質條件，形成或改變滲流場，產(chǎn)生動、靜水壓力，這些都將影響邊坡穩(wěn)定性。目前開展降雨對含軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性影響的研究很少(李龍起等，2013)，分析水庫蓄水影響時僅考慮了巖體參數(shù)弱化。

3.2 研究發(fā)展趨勢

綜合以上分析，今后該領域的研究可從以下幾個方面開展工作：

(1)以含軟弱夾層的大型巖質邊坡為對象，綜合運用鉆探技術、鉆孔全孔壁光學成像技術和三維激光掃描技術查明軟弱夾層的三維空間分布，構建科學合理的工程地質模型，采用室內外試驗分析軟弱夾層及組合巖體(軟弱夾層+圍巖)的流變力學特性，以工程地質分析原理為基礎，研究含多層軟弱夾層巖質邊坡漸進性變形破壞和穩(wěn)定性的演化機制。

(2)深入開展單因素作用下含軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性的機理研究。

包括：含軟弱夾層巖質邊坡開挖擾動區(qū)的形成和演化與軟弱夾層的關系，開挖過程中擾動區(qū)軟弱夾層的力學參數(shù)演變規(guī)律，開挖擾動區(qū)與巖質邊坡穩(wěn)定性的關系；軟弱夾層對爆破應力波傳播特性的影響，爆破應力波、爆破層裂效應和開挖卸荷的耦合作用對巖質邊坡動力穩(wěn)定性的影響；含軟弱夾層巖質邊坡開挖過程的動態(tài)仿真分析；分析軟弱夾層的動力學特性，從時頻域的角度研究軟弱夾層對巖質邊坡動力響應和破壞特征的影響；耦合連續(xù)介質和非連續(xù)介質方法，數(shù)值模擬分析含軟弱夾層的實際工程邊坡在地震作用下的三維動力穩(wěn)定性；綜合軟弱夾層力學參數(shù)弱化、滲流場和動、靜水壓力方面，分析降雨對巖質邊坡穩(wěn)定性的影響；研究水庫蓄水、庫水位驟變和周期性漲落、大壩泄洪霧化雨作用對巖質邊坡穩(wěn)定性的影響。

(3)多因素耦合作用下含軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性研究。

如地震荷載與地下水耦合作用下軟弱夾層液化對巖質邊坡穩(wěn)定性的影響；地震擾動區(qū)地震作用與降雨耦合，圍巖震裂，軟弱夾層與圍巖的接觸狀態(tài)受到擾動，加快降雨入滲，入滲水沿軟弱夾層頂面流動等作用對邊坡穩(wěn)定性的影響；庫區(qū)含軟弱夾層巖質邊坡在降雨和庫水位耦合作用下的穩(wěn)定性。

(4)支擋結構體系加固含多層軟弱夾層高陡巖質邊坡的機理研究。

支擋結構(抗滑樁、錨桿和錨索等)與含軟弱夾層巖質邊坡的相互作用，支擋結構的受力特征；地震作用下支擋結構的動力學行為、穩(wěn)定性和抗震效果評價；支擋結構體系的協(xié)同作用機制等。

4 結 論

(1)含軟弱夾層巖質邊坡在工程實踐中普遍存在，其穩(wěn)定性比均質邊坡、不含軟弱夾層的層狀巖質邊坡都差。在自重工況下，含軟弱夾層巖質邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)和變形破壞失穩(wěn)模式主要與軟弱夾層的含水狀態(tài)、抗剪強度、傾角、厚度、間距、層數(shù)和邊坡坡度有關。

(2)含軟弱夾層巖質邊坡的地震動力響應和變形破壞特征受軟弱夾層參數(shù)、地震波特性和邊坡結構的協(xié)同控制。軟弱夾層的放大或減弱作用也受諸多因素協(xié)同耦合影響，不能一概論之，要具體情況具體分析。

(3)既有含軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性研究主要以簡化三維模型和二維模型為對象，聚焦于含單層軟弱夾層巖質邊坡，沒有考慮軟弱夾層的流變力學和動力學特性，含多層軟弱夾層巖質邊坡的漸進性變形破壞過程和穩(wěn)定狀態(tài)演化機制是該領域需要重點研究的內容之一。

(4)單因素作用(開挖卸荷、爆破震動、地震作用、降雨入滲、庫水位變化、地下水等)對含軟弱夾層巖質邊坡穩(wěn)定性影響的研究不健全，仍需進一步研究。多因素耦合作用下含軟弱夾層巖質邊坡變形破壞過程和穩(wěn)定性將成為未來的研究重點。支擋結構體系加固含多層軟弱夾層高陡巖質邊坡的機理也應是該領域應重點關注的研究方向。