红层软岩边坡稳定性影响因素分析

邱恩喜，薛元，刘洋

(1.西南交通大学，四川成都 610031;2.中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

红层软岩边坡稳定性影响因素分析

邱恩喜1 2，薛元2，刘洋2

(1.西南交通大学，四川成都 610031;2.中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

通过对西南地区四川、重庆、云南等地80多个红层软岩边坡野外调查资料的统计分析，建立了红层软岩边坡模型。选取坡高、岩体块度、弹性模量和泊松比为边坡稳定性影响因素，利用离散元程序进行数值分析，通过对比边坡坡脚位移量来分析各因素的影响程度。结果显示:各影响因素对边坡稳定性的影响程度由高到低分别为泊松比、弹性模量、坡高和岩体块度;随着坡率的增加弹性模量的影响权重接近泊松比。数值模拟结果与野外调查结果基本一致，验证了采用数值模拟计算方法分析边坡稳定性影响因素的可行性。

红层 软岩 稳定性

在边坡稳定性分析过程中，边坡设计参数分析常遵循刚体力学或小变形力学理论，研究的介质对象是不变形体或弹性体;在力学分析过程中，服从叠加原理，并与荷载特性、加载的过程无关。这些基于经验类比、刚体力学和小变形力学理论的方法可实现对硬质岩边坡稳定性的分析，但对于软岩边坡，还需对其材料强度的软化模型进行分析。在前人的研究基础之上［1－5］，本文以对80多处红层软岩边坡的野外调查资料为基本数据，建立红层软岩边坡模型，选取边坡几何参数(坡高、岩体块度)和岩体强度参数(弹性模量、泊松比)为软岩边坡稳定性的影响因素，利用离散元程序进行数值模拟，选取边坡坡脚位移为评价指标，分析不同因素的影响程度。

数值模拟计算时，首先分析坡度和坡脚之间的关系，验证模型的可行性。然后再用此模型分析其它因素和坡脚之间的关系。最后，将数值模拟结果与野外调查结果对比分析，验证数值模拟计算的合理性和正确性。

1 数值模型的建立

为了在建立模型时全面真实地反映当前红层软岩边坡的现状，笔者现场调查软岩边坡238处，其线路主要为318国道、成南高速、大双公路、绵广高速、南充公路、蓬溪公路、四川101省道、遂回高速、遂渝铁路、峨眉公路、达成铁路、元磨高速和宝成铁路等。

对调查的红层边坡几何参数、岩体结构参数、岩体强度进行了统计分析，得到红层软岩边坡岩层倾角10°、坡高20 m、坡度50°;动弹性模量7.5 GPa;结构面4组，结构面间距0.3 m，结构面粗糙度系数JRC值8;一组广泛发育的节理倾角为78°。

红层软岩边坡岩性主要为泥岩，砂岩或泥岩砂岩互层。所以在分析时，岩体参数的选择主要根据四川地区的泥岩、砂岩的参数综合确定，结构面的参数见表1。

表1 岩体物理力学参数及结构面力学参数［6］

因红层软岩边坡坡度较陡、坡高较矮，岩性单一。在数值模拟计算中，材料破坏模式采用应变软化模型，边坡岩体视为被层理及结构面切割后的单元结合体。为了简化计算模型，考虑岩层产状和坡面产状关系对边坡稳定性影响，建立了顺坡、水平层理的边坡及反坡计算模型(图1)，节理倾角取78°，结构面间距0.3 m。

图1 计算模型示意

2 各影响因素对边坡稳定性的影响分析

2.1 坡率对边坡稳定性的影响

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。坡率与坡脚位移的关系曲线见图2。可知，随着坡率的增加，坡脚位移逐渐增大，也即边坡稳定性降低，和实际情况相符。

图2 坡脚位移与坡度的关系曲线

2.2 坡高对边坡稳定性的影响

如图2所示，除水平层理边坡外，当边坡坡率大于1∶0.9后，坡脚位移迅速增大，因此计算坡率取为1∶1.0，1∶0.8，1∶0.7，1∶0.6。坡高分别取10，20，30，40，50，60，70和80 m。

软岩边坡坡高与坡脚位移的关系曲线见图3。可知，不同坡率的边坡，随着坡高的增加，坡脚位移均增大。顺坡坡脚位移最大，反坡次之，水平层理边坡最小。

2.3 岩体块度对边坡稳定性的影响

计算坡率同2.2节，考虑到软件的计算精度，岩体块度分别取5，6，7，8，9，10，11和15 m。坡高取50 m。

块度与坡脚位移的关系曲线见图4。可知，随着块度的增加，不同坡率的边坡坡脚处的位移均逐渐降低。

图3 坡高与坡脚位移的关系曲线

2.4 岩体弹性模量对边坡稳定性的影响

计算坡率同2.2节，岩体块度取5 m。弹性模量分别取1×106，1.25×106，1.5×106，1.75×106，2× 106，2.25×106，2.5×106和3×106kPa。

边坡岩体弹性模量与坡脚位移的关系曲线见图5。可见，随着弹性模量的增加，不同坡率的边坡坡脚处的位移逐渐降低;相同条件下，顺坡坡脚位移最大，反坡次之，水平层理边坡最小。

2.5 岩体泊松比对边坡稳定性的影响

计算坡率同2.2节，岩体块度取5 m，坡高50 m，泊松比分别为0.34，0.35，0.36，0.37，0.38，0.39，0.40，0.41和0.42。

泊松比与坡脚位移的关系曲线见图6。可见，随着泊松比的增加，不同坡率的边坡坡脚位移逐渐降低;相同条件下，顺坡坡脚位移最大，水平层理边坡次之，反坡最小。

图5 弹性模量与坡脚位移的关系曲线

图6 泊松比与坡脚位移的关系曲线

3 各影响因素的综合比较分析

根据对顺坡、水平层理边坡及反坡三种工况的模拟计算，将坡高、块度、弹性模量及泊松比归一化处理后，绘制各指标与坡脚位移的散点拟合图，研究各指标对坡脚位移的影响权重。图7为1∶1.0，1∶0.8，1∶0.7 和1∶0.6共4种坡率下的拟合关系图。

由图7可知:随着坡高增加坡脚位移增大，随着块度增加坡脚位移逐渐减小，随着弹性模量的增加坡脚位移减小，随着泊松比增加坡脚位移降低。

表2为不同坡率下各指标与坡脚位移之间的拟合斜率。可知4种坡率下，各影响因素对坡脚位移影响权重由高到低依次是泊松比、弹性模量、坡高和块度;随着坡度的增加弹性模量影响权重接近泊松比。

数值分析结果表明，对于软岩边坡来说，边坡几何参数(坡高、块度)对边坡变形的影响程度小于岩体力学参数(弹性模量、泊松比)的影响程度。

表2 各指标与坡脚位移之间的拟合斜率

图7 不同坡率下各影响因素与坡脚位移的拟合关系

4 野外调查分析

蒋爵光等［7－8］用灰色关联理论分析了边坡岩体结构各因素的相关系数，按与坡度相关的重要性由大到小排列，各因素的顺序依次为回弹值、粗糙度、产状、块度和结构面长度。谢强等［9］采用统计方法研究了硬质边坡岩体结构各因素与坡度的相关系数，结果表明各因素的重要性由大到小排序依次是块度、回弹值、结构面长度、结构面粗糙度系数、结构面组数和坡高。

通过对红层软岩边坡野外调查数据的分析，按照相关性由大到小排列，影响软岩边坡坡度各因素的顺序是弹性模量、坡高、回弹值、块度、边坡长和结构面粗糙度系数［10］。本文数值模拟得到的结果是泊松比、弹性模量、坡高和块度，同野外调查结果基本一致。证明了利用数值模拟方法分析软岩边坡稳定性影响因素的合理性和正确性。

5 结论

1)坡高、弹性模量及泊松比对软岩边坡的稳定性来说均是重要的影响因素，其中岩体力学参数影响权重大于几何参数。

2)弹性模量对软岩边坡稳定性的影响显著，这一点有别于硬岩。硬岩弹性模量的变化对其边坡变形影响程度较软岩小得多。为此，在软岩边坡设计过程中，应考虑将软岩的力学参数作为主要影响因素，几何参数中的坡高对软岩边坡稳定性的影响也很显著。

［1］肖克强，周德培，李海波.软岩高边坡开挖变形规律的物理模拟研究［J］.岩土力学，2007，28(1):111－122.

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［6］刘佑荣，唐辉明.岩体力学［M］.武汉:中国地质大学出版社，1998.

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［8］蒋爵光，钱惠国.影响铁路岩石边坡稳定性因素的关联分析［J］.西南交通大学学报，1991(2):23－29.

［9］谢强.铁路岩石边坡研究［D］.成都:西南交通大学，1998.

［10］邱恩喜，谢强，赵文，等.红层软岩边坡岩体工程特性研究［J］.地质与勘探，2007，43(5):96－100.

(责任审编 葛全红)

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，高级工程师，博士。