含软弱夹层的缓倾红层边坡切坡失稳特征数值模拟研究

武志刚，夏阳，李自

（1重庆市住房和城乡建设工程质量总站，重庆 400014；2重庆市南岸区建设工程施工安全监督站，重庆 400060；3重庆市綦江区市政管理所，重庆 401420）

0 引言

红层是经红色陆相沉积而成的白垩纪、侏罗纪地层，广泛分布于我国西南地区。其岩层以砂泥岩为主，多为软硬互层结构。由于红层岩体强度较低，风化程度高，且含有大量蒙脱石、伊利石等矿物成分，因此吸水易软化，失水易崩解。这种特殊岩性往往导致红层边坡对外界因素的敏感性较高，其稳定性易受扰动。

已有学者对红层边坡的典型岩体结构特征及扰动因素进行了研究。胡厚田等[1]基于红层岩体特征提出了4个红层边坡岩体结构划分依据，并以此推广划分了13个类型和亚类，为红层边坡的研究奠定了基础。肖尚德等[2]从影响因素层面上将红层边坡变形破坏划分为软硬岩层差异风化、顺层面与坡面不利组合与人工切坡扰动3种。邱恩喜等[3]通过对重庆、云南等红层边坡进行大量野外调查统计分析，研究了坡高、岩块强度、弹性模量和泊松比对其稳定性的影响程度。宋娅芬等[4]依托实际工程，建立了软硬互层边坡物理模型，研究了开挖状况下边坡破坏模式及滑移规律。杨旭等[5]依据物理模型试验研究了华南红层软岩边坡在各雨况下的灾变过程及发展特征。卢海峰等[6]分析了巴东组红层边坡软弱夹层的剪切流变特性，发现节理裂隙扩展、坡脚开挖、雨水入渗软化层面共同造成了红层边坡的失稳。

从以上研究中不难发现，切坡开挖导致的临空面是红层边坡发生滑移破坏的基础，而对红层的研究大多集中于层面倾角较大的边坡，对于倾角20°以下的缓倾红层边坡还研究得比较少。依据刚体极限平衡分析理论以及人们以往的勘察设计经验，此类边坡在天然情况下自稳性较高，不易发生失稳破坏。然而，由于红层岩体的特殊性，加之切坡卸荷过程中，边坡内部应力重新分布，因此剪应力集中于坡脚。同时，红层中因软硬岩差异风化常赋存有泥化夹层等软弱层面，当此类软弱夹层因切坡开挖导致其结构面外露于临空处时，边坡上部就很容易沿软弱结构面发生滑移。此外，缓倾红层边坡一般滑移带较长，破坏时兼具规模广、范围大等特点，灾害发生后易造成严重的人员伤亡及财产损失[7]。MidasGTS/NX作为一款成熟的有限元分析软件已被众多学者使用，且模拟效果与实际工程吻合度较高[8-10]。因此，本文基于此软件研究含软弱夹层的缓倾红层边坡切坡失稳特征，对于预防滑坡失稳和指导工程施工都有一定参考价值。

1 方法及建模

1.1 有限元强度折减法

所谓强度折减，就是在有限元计算中利用一个折减系数Fs将抗剪强度指标c、φ不断降低至岩土体处于极限破坏状态时，可用下式表示：式中：c、φ为未折减前岩土体的抗剪强度指标；cf、φf为折减后岩土体的抗剪强度指标；τf为折减后岩土体的抗剪强度；Fs为折减系数。有限元数值模拟计算中强度折减法的破坏依据一般以计算不收敛、塑形区贯通以及位移出现拐点三类为判断标准，当岩土体抗剪强度减少至破坏状态时所得的折减系数Fs即为岩土体的强度储备安全系数。

1.2 边坡模型的建立

拟建红层边坡模型断面如图1所示，下部为中风化砂岩，上覆中风化泥岩，砂泥岩层面倾角为15°，坡体内部含有厚度为2m的软弱泥化夹层。为了提高有限元计算精度，对于边界范围大小的取值，郑颖人等[11]建议模型边坡坡脚到右端边界的距离宜取坡高的1～1.5倍，坡顶到左端边界的距离宜取坡高的2.5～3倍。基于此原则及边坡断面，在Midas GTS/NX上建立一个轴向延伸12m的三维边坡模型，该模型共生成6140个节点、4410个单元，如图2所示。边界条件：上部边界无约束，左右两侧边界水平约束，底部边界固定。

图1 边坡断面图

图2 边坡三维模型图

1.3 岩土物理力学参数

本次计算所涉及的岩体为中风化泥岩及中风化砂岩，模型均采用摩尔库伦（Mohr-Coulomb）屈服准则，天然状态下岩体及软弱泥化夹层物理力学参数见表1。

表1 岩土物理力学参数

1.4 开挖工况方案

该模型边坡工况拟设计为两阶段开挖，第一阶段对上覆中风化泥岩层以1:0.3坡比进行开挖，如图3所示。第二阶段对软弱泥化夹层以1:0.3坡比进行开挖，如图4所示。以此分析原始坡体及两阶段开挖下边坡应力、位移场特征及稳定性变化。

图3 一级开挖

图4 二级开挖

2 数值模拟结果及分析

2.1 开挖过程应力场特征

含软弱夹层的缓倾红层边坡各开挖工况下最大主应力与最小主应力云图如图5、图6所示。

图5 开挖过程最大主应力云图

图6 开挖过程最小主应力云图

从图5及图6中可以看出，随着边坡不断开挖，坡体内应力重新调整分布，最大及最小主应力在开挖面附近发生偏转。图5 a）及图6 a）表明一级开挖未至软弱夹层时，坡脚附近出现应力集中现象，此时应采取一定防护措施对其进行支护。图5 b）及图6 b）表明二级开挖至软弱夹层以后，最大及最小主应力主要集中在开挖面软弱夹层附近。同时，由于岩体卸荷回弹效应，开挖过程中坡脚及软弱夹层面附近产生拉应力，易出现局部开裂现象，施工时需重点监测。

2.2 开挖过程位移场特征

为研究边坡在各级开挖工况下的位移特征，在坡顶及坡面布置5个位移监测点，如图7所示。同时，规定边坡水平位移向右为正方向，竖直位移向上为正方向。

图7 边坡位移监测点布置

通过有限元模拟计算后，图8为各开挖工况下监测点处水平位移与竖直位移变化曲线。

图8 开挖过程中各监测点位移变化

图8很好地反映了该含软弱夹层的缓倾红层边坡在开挖过程中各典型部位的位移变化过程，从图8a）可以看出，边坡各监测点的水平位移随着进一步开挖而不断增大，且开挖至软弱泥化夹层时，各测点水平位移速率提高。其中，监测点4即软弱夹层上表面的水平位移变化最大，夹层开挖后该点坡面水平位移接近30cm，是此类边坡在切坡过程中需要重点防护的部位。监测点5即软弱夹层以下的岩层坡面水平位移变化较小，开挖过程坡面处的水平位移变化高于坡顶处。图8b）表明该缓倾红层边坡在开挖过程中各点产生的竖直位移远小于水平位移，这是缓倾层状边坡区别于陡坡边坡的一个最本质的位移变化特征。其中，坡顶监测点1、2在开挖过程中主要发生向下的竖直位移，而坡面的监测点3、4则发生向上的竖直位移。原因在于坡体开挖卸荷过程中，坡面处应力重新分布，局部应力集中而产生卸荷回弹现象。该现象在差异岩层界面表现得更为明显，即监测点4软弱夹层与上部泥岩层坡面接触处。同时，监测点5坡底的水平位移在开挖过程中变化仍较小。图8c）也证明该缓倾红层边坡切坡过程中各监测点的总体位移变化与水平位移变化值相差较小，进一步说明缓倾红层边坡以水平位移变化为主。而监测点5坡底的水平位移与竖直位移变化均较小，表明软弱泥化夹层下部岩土位移不明显，从而说明含软弱夹层的缓倾红层边坡切坡后坡体变形主要集中于夹层及上部岩层，施工时应进行重点监控。

2.3 开挖过程边坡稳定性强度折减分析

采用Midas GTS/NX内嵌的强度折减法分别对含软弱夹层的缓倾砂泥岩互层边坡原始坡形以及两次开挖工况下的稳定性进行模拟计算，其结果见表2、图9。各工况下的最大剪切应变云图见图10，该图可表征边坡潜在滑移模式。

表2 含软弱夹层的缓倾红层边坡稳定性强度折减结果

图9 各切坡工况下边坡稳定性系数

从表2中可以看出，未开挖状态下，该缓倾边坡强度折减计算后稳定性系数高达2.51，远高于规范所规定的一级边坡安全系数值1.35，因此自稳性较好。图10a）表明坡体软弱夹层累积较大剪切应变能，为该缓倾红层边坡的主要潜在滑移面，但由于边坡下部被约束，剪切应变能得不到释放，因此不会产生明显的剪切滑移。当上部中风化泥岩层一经开挖，稳定性系数迅速降低至1.41，其原因主要在于切坡使夹层内应力释放，并导致泥岩结构面外露，加之中风化泥岩层间强度较低，前缘临空牵引后缘岩体向临空面滑动。但图10b）表明该级开挖未至软弱夹层，夹层上还覆盖有一定厚度的泥岩层作为反压，小幅度缓解了剪切位移。表2及图10c）说明二级开挖至软弱夹层后，边坡稳定性系数仅剩1.19，低于一级边坡所规定的安全系数，夹层以上的岩体易沿软弱泥化夹层发生滑移，因此需采取相关措施提前进行支护处理。

3 结论

本文通过有限元软件Midas GTS/NX模拟分析了含软弱夹层的缓倾红层边坡切坡过程中应力位移变化特征及强度折减下的稳定性系数，主要得到以下结论：

（1）边坡开挖过程中，坡体内应力重新分布，大小主应力在开挖面附近发生偏转；

（2）未开挖至软弱夹层时，坡脚处出现剪应力集中现象。开挖至软弱夹层以后，软弱夹层面会出现拉应力集中现象；

（3）含软弱夹层的缓倾红层边坡切坡过程以水平位移为主，竖直位移较小，同时软弱夹层开挖面附近位移最大，而夹层以下部分位移不明显，因此切坡后坡体变形主要集中于夹层及上部岩层，施工时应进行重点监控；

（4）边坡稳定性系数随切坡进程不断降低，当软弱夹层被开挖以后，坡体稳定性系数大幅下降，夹层以上的岩体易沿软弱泥化夹层发生滑移，工程中对于此类边坡需提前采取相关措施进行支护处理。