邱恩喜，薛元，劉洋

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

通過(guò)對(duì)西南地區(qū)四川、重慶、云南等地80多個(gè)紅層軟巖邊坡野外調(diào)查資料的統(tǒng)計(jì)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(jìn)行數(shù)值分析，通過(guò)對(duì)比邊坡坡腳位移量來(lái)分析各因素的影響程度。結(jié)果顯示:各影響因素對(duì)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(quán)重接近泊松比。數(shù)值模擬結(jié)果與野外調(diào)查結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了采用數(shù)值模擬計(jì)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(guò)程中，邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)分析常遵循剛體力學(xué)或小變形力學(xué)理論，研究的介質(zhì)對(duì)象是不變形體或彈性體;在力學(xué)分析過(guò)程中，服從疊加原理，并與荷載特性、加載的過(guò)程無(wú)關(guān)。這些基于經(jīng)驗(yàn)類比、剛體力學(xué)和小變形力學(xué)理論的方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬質(zhì)巖邊坡穩(wěn)定性的分析，但對(duì)于軟巖邊坡，還需對(duì)其材料強(qiáng)度的軟化模型進(jìn)行分析。在前人的研究基礎(chǔ)之上［1－5］，本文以對(duì)80多處紅層軟巖邊坡的野外調(diào)查資料為基本數(shù)據(jù)，建立紅層軟巖邊坡模型，選取邊坡幾何參數(shù)(坡高、巖體塊度)和巖體強(qiáng)度參數(shù)(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(jìn)行數(shù)值模擬，選取邊坡坡腳位移為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析不同因素的影響程度。

數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，首先分析坡度和坡腳之間的關(guān)系，驗(yàn)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(guān)系。最后，將數(shù)值模擬結(jié)果與野外調(diào)查結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算的合理性和正確性。

1 數(shù)值模型的建立

為了在建立模型時(shí)全面真實(shí)地反映當(dāng)前紅層軟巖邊坡的現(xiàn)狀，筆者現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查軟巖邊坡238處，其線路主要為318國(guó)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(dá)成鐵路、元磨高速和寶成鐵路等。

對(duì)調(diào)查的紅層邊坡幾何參數(shù)、巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)、巖體強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到紅層軟巖邊坡巖層傾角10°、坡高20 m、坡度50°;動(dòng)彈性模量7.5 GPa;結(jié)構(gòu)面4組，結(jié)構(gòu)面間距0.3 m，結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)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(shí)，巖體參數(shù)的選擇主要根據(jù)四川地區(qū)的泥巖、砂巖的參數(shù)綜合確定，結(jié)構(gòu)面的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)［6］

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

圖1 計(jì)算模型示意

2 各影響因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

2.1 坡率對(duì)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(guān)系曲線見(jiàn)圖2。可知，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(shí)際情況相符。

圖2 坡腳位移與坡度的關(guān)系曲線

2.2 坡高對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

如圖2所示，除水平層理邊坡外，當(dāng)邊坡坡率大于1∶0.9后，坡腳位移迅速增大，因此計(jì)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(guān)系曲線見(jiàn)圖3?？芍?，不同坡率的邊坡，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(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

計(jì)算坡率同2.2節(jié)，考慮到軟件的計(jì)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(guān)系曲線見(jiàn)圖4?？芍?，隨著塊度的增加，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(guān)系曲線

2.4 巖體彈性模量對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

計(jì)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(guān)系曲線見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)，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(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

計(jì)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(guān)系曲線見(jiàn)圖6。可見(jiàn)，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(guān)系曲線

圖6 泊松比與坡腳位移的關(guān)系曲線

3 各影響因素的綜合比較分析

根據(jù)對(duì)順坡、水平層理邊坡及反坡三種工況的模擬計(jì)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(biāo)與坡腳位移的散點(diǎn)擬合圖，研究各指標(biāo)對(duì)坡腳位移的影響權(quán)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(guān)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(biāo)與坡腳位移之間的擬合斜率。可知4種坡率下，各影響因素對(duì)坡腳位移影響權(quán)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(quán)重接近泊松比。

數(shù)值分析結(jié)果表明，對(duì)于軟巖邊坡來(lái)說(shuō)，邊坡幾何參數(shù)(坡高、塊度)對(duì)邊坡變形的影響程度小于巖體力學(xué)參數(shù)(彈性模量、泊松比)的影響程度。

表2 各指標(biāo)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(guān)系

4 野外調(diào)查分析

蔣爵光等［7－8］用灰色關(guān)聯(lián)理論分析了邊坡巖體結(jié)構(gòu)各因素的相關(guān)系數(shù)，按與坡度相關(guān)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(chǎn)狀、塊度和結(jié)構(gòu)面長(zhǎng)度。謝強(qiáng)等［9］采用統(tǒng)計(jì)方法研究了硬質(zhì)邊坡巖體結(jié)構(gòu)各因素與坡度的相關(guān)系數(shù)，結(jié)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(jié)構(gòu)面長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)、結(jié)構(gòu)面組數(shù)和坡高。

通過(guò)對(duì)紅層軟巖邊坡野外調(diào)查數(shù)據(jù)的分析，按照相關(guān)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(zhǎng)和結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)［10］。本文數(shù)值模擬得到的結(jié)果是泊松比、彈性模量、坡高和塊度，同野外調(diào)查結(jié)果基本一致。證明了利用數(shù)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(jié)論

1)坡高、彈性模量及泊松比對(duì)軟巖邊坡的穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)均是重要的影響因素，其中巖體力學(xué)參數(shù)影響權(quán)重大于幾何參數(shù)。

2)彈性模量對(duì)軟巖邊坡穩(wěn)定性的影響顯著，這一點(diǎn)有別于硬巖。硬巖彈性模量的變化對(duì)其邊坡變形影響程度較軟巖小得多。為此，在軟巖邊坡設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)考慮將軟巖的力學(xué)參數(shù)作為主要影響因素，幾何參數(shù)中的坡高對(duì)軟巖邊坡穩(wěn)定性的影響也很顯著。

［1］肖克強(qiáng)，周德培，李海波.軟巖高邊坡開(kāi)挖變形規(guī)律的物理模擬研究［J］.巖土力學(xué)，2007，28(1):111－122.

［2］胡厚田，趙曉彥.中國(guó)紅層邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型的研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(6):689－694.

［3］孫喬寶，李文龍，劉宗選，等.紅層軟巖的巖體結(jié)構(gòu)及邊坡變形特征探討［J］.公路交通科技，2005，22(5):47－51.

［4］左文貴，彭振斌，杜長(zhǎng)學(xué).“長(zhǎng)·株·潭”地區(qū)“紅層”工程性質(zhì)的研究［J］.地質(zhì)與勘探，2005，41(5):90－91.

［5］巫德斌，徐衛(wèi)亞.巖石邊坡力學(xué)參數(shù)取值的GSMR法［J］.巖土力學(xué)，2005，26(9):1421－1426.

［6］劉佑榮，唐輝明.巖體力學(xué)［M］.武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1998.

［7］蔣爵光.鐵路巖石邊坡［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1997.

［8］蔣爵光，錢(qián)惠國(guó).影響鐵路巖石邊坡穩(wěn)定性因素的關(guān)聯(lián)分析［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1991(2):23－29.

［9］謝強(qiáng).鐵路巖石邊坡研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，1998.

［10］邱恩喜，謝強(qiáng)，趙文，等.紅層軟巖邊坡巖體工程特性研究［J］.地質(zhì)與勘探，2007，43(5):96－100.

(責(zé)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(jí)工程師，博士。