软弱结构面位置对岩质顺倾边坡稳定性的影响

谭银龙，许万忠，张黎明，曹国献，贾建强

(1.昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系，云南 昆明 650093；2.昆明煤炭设计研究院有限公司，云南 昆明 650011)

0 引 言

众所周知，岩质边坡的稳定性主要由岩体结构面控制，根据结构面的胶结和充填情况，可分为硬性结构面和软弱结构面[1]。其中，软弱结构面是岩质边坡稳定性研究的重点。岩质顺倾边坡是最容易发生失稳的边坡类型之一，该类边坡稳定性主要受结构面物理力学参数、结构面产状及边坡倾角、岩层走向等因素的影响，其中软弱结构面指标是边坡稳定性的主控因素。很多学者针对结构面各种指标对岩质顺倾边坡的稳定性的影响进行了研究。冯君等[2]利用地质力学模型试验方法分析岩层倾角以及结构面抗剪强度对顺层岩质边坡稳定性的影响；林杭等[3]利用FLAC3D分析不同结构面倾角与顺倾岩质边坡稳定性之间的关系；卢敦华等[4]利用FLAC3D分析结构面的黏聚力和内摩擦角对层状岩体边坡安全系数和滑动面的变化规律的影响；魏俊奇等[5]利用MSC.Marc分析结构面间距不同时顺层岩质边坡失稳破坏位置；黄帅等[6]研究了结构面各参数对岩质顺层边坡稳定性的影响；龙建辉等[7]基于极限平衡法，分析含软弱夹层顺层岩质边坡在降雨作用下的多级滑动模式；杨金旺等[8]研究发现，顺层岩质高边坡稳定安全的控制性结构面为层间错动带及其上盘岩体内的软弱结构面。

由上可知，结构面参数对岩质顺倾边坡稳定性的影响已有较多研究，但对于岩质顺倾边坡软弱结构面的位置对边坡破坏模式影响的研究则较为少见。为此，本文以耿马县河底岗某石灰岩开采矿山为工程背景，充分考虑软弱结构面位置对边坡稳定性的影响，采用GeoStudio及MIDAS/GTS软件，对该岩质顺倾边坡的破坏失稳模式进行研究。

1 岩质边坡稳定性分析基本理论

1.1 简化Bishop法

极限平衡法是当前国内外应用最广的边坡稳定分析方法，其中Bishop法是一种适合于圆弧形破坏滑动面的边坡稳定性分析方法[9]。在GeoStudio的Slope/W模块中，选择简化Bishop法计算分析岩质顺倾边坡的稳定性系数。

1.2 有限元强度折减法理论

在采用有限元软件MIDAS/GTS分析边坡稳定性时，稳定性系数的计算采用有限单元法中的强度折减法(SRM)[10-15]。有限元强度折减法是指对岩土体的黏聚力c和内摩擦角tanφ进行同一比例折减，把计算不收敛作为边坡处于临界失稳的判据，此时边坡的稳定性系数即为强度折减系数。

2 工程背景

河底岗露天灰岩矿山边坡最终开采境界边坡高度约180 m，选取典型计算剖面Ⅱ—Ⅱ′(见图1)，对最终开采境界边坡进行稳定性分析，该剖面岩层产状与开采边坡倾向相同，发育1组优势结构面，代表性产状215°∠20°，倾角小于边坡开挖坡角，将其看作软弱结构面，从而分析结构面空间位置对岩质顺倾边坡稳定性的影响。

进行相关的岩石物理力学试验，部分试验见图2。所得到的物理力学参数包括岩石的容重、单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、抗剪强度指标等。为综合评定矿区边坡岩体的力学指标，将上述试验获得的岩石物理力学指标，通过折减系数法、工程规范法、Hoek-Brown强度准则以及计算岩体BQ值等4种方法确定后，结果见表1。

图2 部分试验

表1 岩体物理力学参数

3 有限元分析计算

为研究软弱结构面位置对顺层岩质边坡稳定性的影响，假设不考虑软弱结构面其他影响因素，软弱结构面厚度取2.0 m，按照结构面与坡脚位置的不同，将计算分析模型分为结构面穿过坡脚、结构面在坡脚之上、结构面在坡脚之下3种情况。分析计算时将岩体与软弱结构面均看成各向同性体，采用M-C屈服准则作为模型计算时的本构模型，运用MIDAS/GTS软件进行有限元稳定性计算。边坡简化模型见图3。

图3 边坡简化模型(单位：m)

3.1 软弱结构面穿过坡脚

软弱结构面穿过坡脚时边坡最大剪切应变云图见图4。从图4可知，当软弱结构面穿过坡脚时，边坡沿软弱结构面发生破坏失稳的可能性较大。

图4 软弱结构面穿过坡脚时边坡最大剪切应变云图

3.2 软弱结构面位于坡脚上部

取该状况下软弱结构面与坡脚竖向距离分别为20、30、40、50 m以及60 m计算。软弱面位于坡脚上部40 m时边坡最大剪切应变云图见图5。软弱面位于坡脚上部距离与边坡稳定性系数的关系见图6。从图5、6可知，软弱结构面位置对岩质顺倾边坡稳定性有较大影响，软弱结构面愈接近坡脚，边坡的稳定性系数愈小，随着软弱结构面逐渐远离坡脚，边坡的稳定性系数逐渐提高，此时潜在滑移面穿越软弱结构面并从坡脚剪出。

图5 软弱面位于坡脚上部40 m时边坡最大剪切应变云图

图6 软弱面位于坡脚上部距离与边坡稳定性系数的关系

3.3 软弱结构面位于坡脚下部

取该状况下软弱结构面与坡脚竖向距离分别为20、30、40、50 m以及60 m计算。软弱面位于坡脚下部40 m时边坡最大剪切应变云图见图7。软弱面位于坡脚下部距离与边坡稳定性系数的关系见图8。从图7、8可知，随软弱结构面距离坡脚下部的位置越远，软弱结构面对边坡稳定性的影响越小，此时边坡失稳的潜在滑移面将与软弱结构面无关。

图7 软弱面位于坡脚下部40 m时边坡最大剪切应变云图

图8 软弱面位于坡脚下部距离与边坡稳定性系数的关系

4 极限平衡计算

4.1 软弱结构面穿过坡脚

采用GeoStudio在Slope/W模块中运用极限平衡法中的简化Bishop法，计算软弱结构面穿过坡脚状况下的边坡稳定性。软弱面穿过坡脚边坡潜在滑移面示意见图9。从图9可知，当软弱结构面穿过坡脚时，边坡沿软弱结构面发生失稳破坏的可能性较大。

图9 软弱面穿过坡脚边坡潜在滑移面示意

4.2 软弱结构面位于坡脚上部

为分析软弱结构面位于坡脚上部不同位置对边坡稳定性的影响，取该状况下软弱结构面与坡脚竖向距离分别为20、30、40、50 m以及60 m计算。软弱面位于坡脚上部40 m时边坡潜在滑移面示意见图10。软弱面位于坡脚上部距离与边坡稳定性系数的关系见图11。从图10、11可知，软弱结构面的位置对岩质顺倾边坡有较大的影响，软弱结构面愈接近坡脚，边坡的稳定系数愈小；随着软弱结构面逐渐远离坡脚，边坡的稳定性系数逐渐提高，此时潜在滑移面将穿越软弱结构面并从坡脚剪出。

图10 软弱面位于坡脚上部40 m时边坡潜在滑移面示意

图11 软弱面位于坡脚上部距离与边坡稳定性系数的关系

4.3 软弱结构面位于坡脚下部

取该状况下软弱结构面与坡脚竖向距离分别为20、30、40、50 m以及60 m计算。软弱面位于坡脚下部40 m时边坡潜在滑移面示意见图12。软弱面位于坡脚下部距离与边坡稳定性系数的关系见图13。从图12、13可知，随软弱结构面距离坡脚下部的位置越远，软弱结构面对边坡稳定性的影响越小，此时边坡失稳的潜在滑移面与软弱结构面无关。

图12 软弱面位于坡脚下部40 m时边坡潜在滑移面示意

图13 软弱面位于坡脚下部距离与边坡稳定性系数的关系

不同方法得到的软弱结构面位于坡脚不同位置与边坡稳定性的关系见图14。从图14可知：

图14 软弱结构面位于坡脚不同位置与边坡稳定性系数的关系

(1)基于SRM和Bishop法计算得出的岩质顺倾边坡的稳定性系数随软弱结构面距离坡脚位置的规律几乎一致，随着软弱结构面远离坡脚，含软弱结构面的岩质顺倾边坡的稳定系数逐渐升高，表明软弱结构面越接近坡脚，发生失稳破坏的可能性越大。

(2)由于计算原理和计算方法的不同，2种方法得到的稳定性系数有所不同，SRM在天然工况下得出的稳定性系数比Bishop法在天然工况下得出的稳定性系数平均高出约3.18%，与文献[16]的结论较为接近，从而说明这2种计算方法得出的结果具有一致性。

5 结 语

本文基于GeoStudio及MIDAS/GTS软件对软弱结构面位置对岩质顺倾边坡稳定性的影响进行了研究，得出以下结论：

(1)软弱结构面的位置对岩质顺倾边坡稳定性有较大的影响，当软弱结构面穿越坡脚时，边坡潜在滑移面一般也将穿越坡脚剪出。

(2)当软弱结构面处于坡脚上方时，边坡潜在滑移面一般将穿过软弱结构面并从坡脚剪出。

(3)当软弱结构面处于坡脚下方时，随软弱结构面距离坡脚的位置越远，软弱结构面对边坡稳定性的影响越小，此时边坡失稳的潜在滑移面将与软弱结构面无关。

(4)基于SRM和Bishop法计算得出的边坡稳定性系数的变化规律基本一致，SRM在天然工况下得出的稳定性系数比Bishop法在天然工况下得出的稳定性系数平均高出约3.18%，表明2种计算方法所反映的规律具有一致性。