泥岩层公路边坡稳定性评价

王鹏

摘要：指出了新疆天山是一个地震活跃的地区，且公路某些边坡会受到低强度泥岩的影响。为确保泥岩下的公路边坡安全，对边坡稳定性进行了数值评估，分析了物理力学性质和坡角对边坡安全系数的影响。通过对不同角度的斜坡的灵敏度分析，认为斜坡的稳定性对泥岩的内聚力比对材料密度和内部摩擦角更敏感。分别在静力条件和地震条件下，总结了不同坡角和内聚力作用下的安全系数（Fs），绘制了安全系数等高线图来表示稳定边界，并对静力条件和地震条件进行了比较。

关键词：边坡稳定性;数值评估;敏感性分析;拟静力分析;泥岩

中图分类号：TU411文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）14-0259-03

1引言

随着国民经济的快速发展和“一带一路”倡议的实施，基础设施建设力度逐步加大，尤其是公路建设步伐明显加快，公路建设已逐渐向西部高地震烈度、地质条件较差的地区推进，西部山区公路具有线路长、边坡数量多、边坡工点资料匮乏、施工工期紧短等特点。因此对公路边坡稳定性进行快速且准确的评价显得尤为重要。

边坡稳定性分析方法大致可分为两类：即定性分析法和定量分析法。其中定性分析法即通过实地工程地质勘察，对边坡失稳的主要因素、可能的破坏形式、易变形地质体的成因和演化史进行分析，从而给出被评价邊坡的一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性说明和解释。定性分析法具有能够快速对边坡的稳定状况及其发展趋势做出评价的优点，但也存在一定的缺陷，在对边坡稳定进行评价时人为主观因素太多。近些年来，随着计算方法和计算机技术的飞速发展，定量分析法中的数值分析方法被广泛应用于工程实例中，数值分析方法能弥补刚体极限平衡法不能求出岩土体应力一应变关系以及与实际工作状态不完全相符的不足，且计算结果较精确。

然而，众多学者在运用不同的数值分析方法分析边坡的稳定性时，对于材料特性、坡角和地震效应等因素的组合没有足够的考虑。本文对不同因素对边坡稳定性的综合影响进行阐明。

2工程实例

2.1工程简介

本文研究区域位于新疆天山地区，分析路段为WYSJ-1合同段，总体呈现东北一西南走向，该路段为连接天山南北的纵向大通道，线路位于高海拔和高地震烈度地区，且低强度泥岩分布广泛，在该地区常发生震级较大的地震，震级大于⁶0的强震动可引发大面积分布的滑坡。低强度的泥岩材料和地震都可能导致滑坡的形成。因此，评估该路段的边坡稳定性是必要的。

2.2边坡材料的岩土特性

滑坡是否会发生受许多因素的影响，其中之一是边坡材料的岩土特性，从钻孔记录中可以看出，该公路边坡为强度较低的泥岩，具体参数如表1所示，这可能是边坡发育的主要因素。所研究边坡未风化泥岩强度特征值：内摩擦角为25°～30°，粘聚力为25kPa。风化层泥岩强度特征值：内摩擦角为26°～28°，内粘聚力为10kPa。

3物理力学参数的灵敏度分析

利用极限平衡法，在GeoStudio软件中考虑10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°这8种不同坡角的简单边坡模型如图1所示。灵敏度分析可以确定边坡稳定性对哪个参数更敏感。在GeoStudio软件中的SLOPE/w可以指定材料参数的取值范围，并在使用每个参数值时自动计算安全系数。材料特性是已知的：容重为18～20kN/m³，粘聚力为10～25kPa，内摩擦角为25～30°。使用Morgenstern—Price方法进行灵敏度分析。Mor-genstern-Price方法同时考虑了力和力矩的平衡，比Bishop法等极限平衡方法更为严格。

将灵敏度分析中的所有材料物理力学参数标准化为介于0.0～1.0之间的值。0.0表示最低值，1.0表示最高值。对于本文，0.0表示粘聚力为10kPa且内摩擦角为25°。1.0表示粘聚力为25kPa且内摩擦角为30°。灵敏度图（图2）显示了不同参数值下的计算安全系数。交叉点表示使用所有参数平均值（表1）时的安全系数。8个灵敏度图的结果表明：安全系数对粘聚力最敏感，对材料容重最不敏感。因此，材料粘聚力被作为特别考虑的影响因素用于进一步的边坡稳定性分析。

4安全系数计算结果

关于地震效应，应用伪静力分析来揭示产生惯性力的地震震动加速度的影响。在Geo-Studio软件的极限平衡法中，这些力作用于每个单元质心的水平和垂直方向。本文只考虑水平惯性力，并将其作为每个单元上的水平力，地震系数取0.05。

通过建模分别研究了坡角、泥岩粘聚力和地震效应对边坡稳定性的影响。根据坡角（10°～80°）和泥岩粘聚力（10～25kPa）的变化计算边坡的安全系数（Fs）。模型所用的容重和内摩擦角参数分别为其对应的平均值：容重=19kN/m²，内摩擦角=27.5°。分别对边坡进行了静力分析和伪静力分析。

根据安全系数计算结果，绘制安全系数等值线图如图3所示。从图3中可以看出，当粘聚力小于12kPa时，泥岩边坡的安全系数小于1.0;当坡角大于75。时，泥岩边坡的安全系数也小于1.0。在工程实践中，安全系数值小于1.2被视为是不稳定的，因此，由图3可知，当泥岩粘聚力大于16kPa或坡角小于60。时可认为边坡是稳定的。

考虑地震因素的安全系数等值线图如图4所示。与静态条件相比，斜坡更容易失稳破坏。当粘聚力小于13kPa时，边坡的安全系数小于1.0。当坡角大于65。时，粘聚力小于13kPa的泥岩边坡的安全系数小于1.0。结合安全系数等值线图表明，在地震条件下，坡度变得更加不稳定。

总的来说，安全系数等值线图表明：随着粘聚力的增加和坡角的减小，边坡变得更加稳定。这些等高线图可以方便地反映实际施工情况，有助于了解边坡稳定情况。

5结语

通过对边坡材料物理力学参数的敏感性分析以及不同因素组合下的安全系数计算得到以下结论。

（1）边坡安全系数对粘聚力最敏感，对材料容重和内摩擦角较不敏感，因此在进行边坡稳定分析时，要着重考虑粘聚力对安全系数的影响。

（2）与静态条件相比，在地震条件下，坡度变得更加不稳定。随着粘聚力的减小和坡角的增加，边坡变得更加不稳定。