不同材料属性下顺层边坡稳定性分析*

董洪芹，余红兵

(1.广州市城市建设工程监理公司，广东 广州 510060;2.贵州新联爆破工程集团有限公司，贵州 贵阳 550002)

0 引 言

岩质边坡是一种不连续的介质，顺层岩体高边坡属于岩质边坡的一种，指以层状结构的沉积岩岩体为主体特征的一类岩质边坡，在开挖过程中，层状基岩倾向与开挖边坡倾斜方向成小角度相交。顺层岩质边坡的变形与破坏，主要体现在层面与破裂不同组合的边坡滑移，如图1所示。翟明洋、周佳荣等[1-2]提出了多因素共同作用下对边坡稳定性的影响，并运用相对作用理论指出因素之间的相关作用和对边坡稳定性影响的内在规律，吴科亮、崔耀璞等[3-6]通过正交试验原理考虑边坡稳定因素的相互影响关系,模拟分析了各因素对边坡稳定性影响的敏感程度。相关学者[7-8]也使用数值仿真计算、现场工程试验计算了不同工况下的边坡稳定性系数。但相关内在参数的影响多停留在理论研究，与现场实际有一定的区别，基于现场工程实践和数值模拟得出的结果，对于类似工程实践有指导意义。

1 计算模型的选取

岩质边坡的状态会受到本身岩性及地质构造的影响，同时边坡会受到各种内外应力的作用，这些作用对边坡的形成改造起到一定作用，并有可能导致其破坏。同时由于岩质边坡本身岩性及地质构造的差异，使得各因素的影响程度不一样，考虑层面岩体强度特性，主要表现在以下5个因素：弹性模量；泊松比；内聚力；摩擦角；容重。

选取相关工程实例，在顺层岩体基础上选取砂岩、页岩、泥岩3种沉积岩为研究对象；灰岩材料参数进行对比，经过相似折减对室内试验岩石材料参数进行分析处理，得到岩体模型参数(见表1)。

图1 岩层面与潜在破裂面失稳滑坡

表1 几种顺层岩体相关参数

根据岩体取值范围，对岩体材料内在因素对边坡稳定性的影响进行分析。由于弹性模量的变化对边坡的影响结果较小，因此，在分析材料属性对边坡稳定性影响时，排除弹性模量对边坡的稳定性影响，泊松比分别取0.1，0.2，0.3，0.4，内聚力分别取100，300，600，900 kPa，摩擦角分别取15°，25°，35°，45°，容重分别取17，22，27，32 kN/m3，为了减少实验模型，提高数值模拟效率，对4种因子选取正交实验组合。

采用Flac3d数值分析软件，运用有限元强度折减法，层面考虑为理想弹塑性体，屈服条件采用Mohr Coulomb准则，直接将层理和完整岩石分开，用接触面单元模拟层理，用各向同性的实体单元模拟完整岩石。这种方法可以很好的模拟围岩变形，以及岩体沿接触面的滑动、张开，并对不同尺度因子条件下的层理边坡进行稳定性分析。旨在通过这种方法，从安全系数方面总结归纳出不同尺度因子条件下的层理边坡失稳模式。选取的模型单元相关参数分别为：层面间距15 m，层面倾角50°，边坡角45°，开挖高度200 m。如图2所示。

图2 Flac3d边坡模型

2 稳定性影响因素分析

利用以上数据分别建立相关模型，得到如表2所示的相关模拟数据。

表1中各列计算得到的Ⅰ/k、Ⅱ/k、Ⅲ/k、Ⅳ/k数据，反应的是该列对应的模型材料因素选取不同水平时对模拟结果的影响，算出各列模型材料因素的Ⅰ/k、Ⅱ/k、Ⅲ/k、Ⅳ/k值后，计算每列Ⅰ/k、Ⅱ/k、Ⅲ/k、Ⅳ/k 4个值中最大值与最小值之间的差距，并除以各列水平出现的次数kj，就可以得到相应列影响因素的极差Rj。极差Rj反映的是该列不同模型参数选取下对边坡稳定性的影响。通过分析各参数对边坡稳定性影响程度的大小，就可得到不同参数下的边坡稳定性。

根据正交试验所得的数据，以安全系数为因变量做显著性分析，以每个因素各水平参数为横坐标，实验值表为纵坐标，得到因素单变量对边坡模型的安全系数影响，如图3所示。

表2 正交实验方差分析

注：因素主次：CBDA；安全系数最大：A2B3C4D1；安全系数最小：A2B2C1D4

图3 不同影响因子对安全系数的影响

从图3中可以看出：

(1) 当泊松比的取值范围为0.1～0.4时，边坡安全系数变化范围为1.19～1.38，随泊松比的增大，边坡安全系数呈线性增大趋势，平均增长率为63%；

(2) 当边坡内聚力的变化范围为0.1～0.9 MPa时，边坡安全系数变化范围为1.05～1.33，随内聚力的增大，边坡安全系数呈线性增加趋势，平均增长率为35%；

(3) 当边坡内摩擦角的变化范围为15°～45°时，边坡安全系数变化范围为0.69～1.64 ，随内摩擦角的增大，安全系数呈线性增加趋势，平均增长率为3.26%；

(4) 当边坡内容重的变化范围为17～32 kN/m3，边坡安全系数变化范围为1.44～1.22，随着容重的增大，安全系数呈线性减小趋势，平均减小率为1.46%。

利用IBM SPSS软件对影响因子(摩擦角，泊松比，内聚力，容重)和因变量(安全系数)进行重要性分析，结果见如图4和表4。

图4 标准化的重要性

表4 自变量的重要性

通过自变量重要性分析可以看出，在相同开采工况下，边坡不同材料属性对边坡稳定性的影响从小到大的顺序分别为泊松比，容重，内聚力，摩擦角，自变量的重要性依次为0.066，0.075，0.250，0.609，标准化的重要性分别为10.8%，12.3%，41.1%，100%。与正交实验中极差计算比较各影响因素的的权重关系一致，对比结果给出了不同材料属性对顺层岩质边坡稳定性的影响关系。

3 结 论

(1) 不同影响因素对边坡稳定性影响权重从小到大依次为泊松比，容重，内聚力，摩擦角，其中摩擦角和泊松比影响占到整体的85.9%；

(2) 安全系数随泊松比增大而呈线性增大趋势，平均增长率为63%；随内聚力增大而呈线性增大趋势，平均增长率为35%；随摩擦角增大而呈线性增大趋势，平均增长率为3.26%；随容重增大而呈线性减小趋势，平均减小率为1.46%。