含软弱地层矿体稳定性的影响因素分析

余 浩

（广东省地质局第三地质大队，广东 韶关 512026）

软弱夹层是具有强度低和弹性模量低的一种软弱结构层，岩质边坡在内力和外力的作用下通常沿着软弱夹层出现滑动[1]。

近年来，由软弱夹层引起的滑坡，给社会造成了重大的财产损失和人员伤亡，比如2003 年发生的千将坪滑坡，滑体巨大，约2.4×107m3滑体高速滑入青干河中，造成了大量的人员伤亡，直接经济损失近6000 万[2]。目前在露天矿生产、公路交通工程、铁路交通工程和水利水电工程建设中，含软弱夹层岩质边坡的边坡稳定性问题已经成为这些行业领域的关键技术问题。研究含软弱夹层引发的地质灾害问题，对保证人民生命安全生产有着重要的意义。因此，本文采用phase 有限元数值模拟方法对含软弱夹层边坡稳定性影响因素进行了研究。

1 含软弱夹层边坡影响因素分析

1.1 软弱夹层边坡有限元分析

常见的软弱夹层边坡可分为水平软弱夹层边坡、顺倾软弱夹层边坡及反倾软弱夹层边坡。本文边坡模型如图1 所示，为经典边坡模型，为国内外众多学者采用进行稳定性研究。

边坡底部的边界条件采用固定边界，左右两侧边界采用水平向固定，竖向自由的类似滑动支座的约束边界，材料参数如下表1 所示。

图1 不同类似边坡模型及网格划分

表1 含软弱夹层边坡的材料参数

1.2 软弱夹层厚度对边坡稳定性的影响

模型中软弱夹层位于边坡中部，软弱夹层厚度分别为1.0m，2.0m，3.0m，4.0m，6.0m，8.0m，10.0m，共计7 个模型。

作出不同软弱夹层厚度变化下三种边坡安全系数变化趋势，如图2（a）所示，发现随着软弱夹层厚度的增大，三种软弱夹层岩质边坡安全性均逐渐降低，且水平软弱夹层边坡安全性略高于另两种边坡。

1.3 软弱夹层位置对边坡稳定性的影响

模型中软弱夹层厚度2.0m，软弱夹层位置发生变化，分别距离边坡坡脚水平线0.0m，5.0m，10.0m，15.0m，20.0m，共计5 个模型。需要注意的是，由于边坡尺寸的限制，顺倾软弱夹层距离坡脚20m 时已延伸出坡顶，因此忽略此种工况。作出不同软弱夹层位置变化下三种边坡安全系数变化趋势，如图2（b）所示，发现随着软弱夹层位置逐渐向上抬升，三种软弱夹层岩质边坡安全性均逐渐升高，表明软弱夹层越接近坡脚，发生破坏的可能性越大。同时，由于边坡结构上的差异，随着软弱夹层位置变化，三种软弱夹层岩质边坡安全性大小基本排序为反倾软弱夹层边坡＞水平软弱夹层边坡＞顺倾软弱夹层边坡，表明顺倾软弱夹层边坡对边坡位置的改变更为敏感，沿顺倾软弱夹层边坡失稳的可能性较大。

图2 边坡安全系数与不同抗剪强度之间关系曲线图

1.4 软弱夹层倾角对边坡稳定性的影响

模型中软弱夹层厚度为2.0m，软弱夹层位于边坡中间位置固定不变，软弱夹层倾角分别为5°，15°，25°，35°，45°，共计5 个模型。需要注意的是，水平软弱夹层没有倾角，且由于边坡尺寸的限制，顺倾软弱夹层倾角为45°已延伸出坡顶，因此忽略此种工况。作出不同软弱夹层倾角变化下二种边坡安全系数变化趋势，如图2（c）所示，发现随着顺倾软弱夹层倾角的变化，顺倾软弱夹层边坡安全性在倾角变化时基本保持平稳，反倾层状岩质边坡边坡安全性呈现出逐渐减小，后突然增大的趋势，在倾角为25°时安全系数最低。顺倾软弱夹层边坡安全性始终大于反倾软弱夹层边坡，表明反倾软弱夹层边坡对软弱夹层倾角变化更为敏感。

1.5 软弱夹层抗剪强度参数对边坡稳定性的影响

为研究坡体材料抗剪强度对水平软弱夹层边坡稳定性影响，对具有不同抗剪强度的边坡进行稳定性分析。在此设置14 个工况，前7 个工况用于研究粘聚力变化对边坡稳定的影响，粘聚力分别为1kPa，5kPa，15kPa，25kPa，35kPa，45kPa，55kPa，保证内摩擦角为30°不变；后7 个工况用于研究内摩擦角变化对边坡稳定的影响，内摩擦角分别为10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，保证粘聚力为10kPa 不变。

图3 边坡安全系数与不同抗剪强度之间关系曲线图

各模型中软弱夹层厚度2.0m，软弱夹层位于边坡中间位置固定不变，除水平软弱夹层没有倾角外，其余两种软弱夹层倾角为25°。为便于客观寻找边坡安全系数与不同抗剪强度之间的关系，根据表所得结果作内摩擦角-安全系数折线图以及粘聚力-安全系数折线图，如图3 所示。由图3 可知，随着内摩擦角或者粘聚力的增加，边坡安全系数呈现逐步上升的趋势，但超过一定数值后略有下降。

2 结论

本文分别对常见的水平软弱夹层边坡，顺倾软弱夹层边坡，反倾软弱夹层边坡进行了稳定性分析及影响因素研究。发现三种软弱夹层岩质边坡安全性随着软弱夹层厚度增大而降低；随着软弱夹层位置逐渐向上抬升，三种软弱夹层岩质边坡安全性均逐渐升高，表明软弱夹层越接近坡脚，发生破坏的可能性越大；随着顺倾软弱夹层倾角的变化，顺倾层状岩质边坡边坡安全性随倾角基本平稳，而反倾层状岩质边坡边坡安全性呈现出逐渐减小，后突然增大的趋势，在倾角为25°时安全系数最低；随着内摩擦角或者粘聚力的增加，边坡安全系数呈现逐步上升的趋势，但超过一定数值后略有下降。