含软弱夹层岩质边坡稳定性研究现状及发展趋势*

2020-07-07张家明

工程地质学报 2020年3期

张家明

(昆明理工大学建筑工程学院，昆明 650500，中国)

0 引言

岩体中的软弱夹层是一种薄弱结构层，其弹性模量和强度都比围岩低，在内、外动力作用下，岩质边坡常沿软弱夹层滑动(朱赛楠等，2018)。21世纪以来，我国发生了数起与软弱夹层密切相关的规模巨大的崩、滑灾害，造成重大人员伤亡和财产损失。如2003年7月13日0时20分，千将坪滑坡高速滑入青干河中，激起近30m的涌浪，滑体约2.4×107m3，形成近20m高的淤坝，造成14人遇难，10人失踪，近千人受灾，直接经济损失高达5.735×107元(廖秋林等，2005)。重庆市元阳县宝塔滑坡群是三峡库区特大型滑坡之一，体积约1.04×109m3(李守定等，2006)。2008年5月12日，四川汶川MS8.0级地震在绵阳市安县高川乡触发了大光包巨型滑坡，体积为1.159×109m3(裴向军等，2019)。2009年6月5日，重庆武隆鸡尾山发生灾难性崩滑流灾害，厚层灰岩沿软弱夹层(碳质页岩)整体滑动，体积约5×106m3，造成74人死亡(Xu et al.，2010)。

随着人类工程活动的日趋频繁及范围的不断扩展，在国内外的露天矿开采活动、水利水电工程、陆地交通工程和城市开发建设工程等方面都出现了大量含软弱夹层的岩质边坡。据文献报道，已经有一些含软弱夹层的边坡失稳破坏产生了灾难性事件。如1963年10月9日晚，意大利Vajont水库发生滑坡，摧毁了下游的longarone市，造成2000余人丧生(Müller，1987)。20世纪90年代抚顺西露天矿北帮边坡大规模倾倒滑移变形，威胁周边建筑的安全，政府投资数亿展开大规模滑坡治理(杨天鸿等，2005，2008)。2018年5月，云南省玉溪市研和镇生活垃圾焚烧发电厂高边坡失稳，支挡结构全部失效，损失数千万元。因此，含软弱夹层岩质边坡稳定问题已成为露天矿安全生产、水利水电等工程建设的关键技术问题。深入开展含软弱夹层岩质边坡稳定性研究，对推动我国未来的边坡治理技术发展，防治软弱夹层引发的地质灾害，保证人民群众生命财产安全具有重要的理论与实际意义。

岩质边坡失稳不仅受控于边坡本身的内部结构、物理力学性质和坡体形态，还与外界因素(爆破震动、工程开挖、地震、降雨入渗和库水位变化等)密切相关(柴贺军等，2004)。因此，本文根据外动力作用的不同，分别总结了不同工况下含软弱夹层(包括泥化夹层)岩质边坡稳定性的研究进展，并讨论了边坡稳定性分析方法，指出当前研究存在的问题。

1 国内外研究现状及分析

1.1 自重工况

根据研究内容的不同，将自重状态下含软弱夹层岩质边坡稳定性的研究分为3个方面，即边坡稳定性分析与评价，边坡失稳机制研究和边坡稳定性评价方法研究。

边坡稳定性分析与评价面向工程应用，主要计算边坡的稳定性系数，分析边坡的变形和破坏过程，做出安全性评价，为边坡支护设计、施工和监测等提供依据。如运用剩余推力法、平面滑动法、强度折减法和极限分析能量法(Energy Method Upper Bound Limit Analysis，EMU)计算工程边坡的稳定性系数(刘红星等，2004；王维早等，2007；王子忠等，2011；丁立明等，2012；左巍然等，2014)。许宝田等(2009)运用FLAC2D的强度折减法计算了不考虑软弱夹层时九顶山人工边坡的稳定性系数(Fs=1.51)，但实际上边坡已经破坏，证明了软弱夹层对该边坡稳定性有显著影响。然后模拟分析了含3层软弱夹层顺层岩质边坡的应力和变形特征，结果表明坡体沿软弱夹层发生层间错动，导致夹层的抗剪强度降低，夹层的应力集中致使局部首先屈服，屈服区附近岩石拉裂，破坏区逐渐扩大，边坡最终失稳。Xu et al. (2013)还采用极限平衡反分析法、室内和现场直剪试验分析了该滑坡：石灰岩块体沿软弱夹层—石灰岩接触面滑动，接触面的黏聚力不为零，计算边坡安全系数时不能忽略。赵晓等(2006)基于FLAC3D进行了含软弱夹层切向边坡变形破坏的数值分析：滑体沿泥化夹层产生滑移-拉裂变形；泥化夹层空间分布控制着边坡深层变形破坏。Xu et al. (2014)利用改进的非连续变形分析(Discontinuous Deformation Analysis，DDA)强度折减法计算了小浪底水电站东苗家滑坡的稳定性系数，并模拟了该滑坡的变形破坏演化过程。针对软弱基座(史文兵等，2014)型反倾岩质边坡的变形破坏过程，任光明等(2003)、柴贺军等(2004)分别采用离散元(UDEC)、悬臂梁理论和底摩擦试验进行了研究。他们都认为该类边坡的失稳是以软弱基座的不均匀压缩流变为先导，上部硬质岩体拉裂，但由于坡体形态各异，最终破坏模式不同：前者坡度近40°，岩层面近似垂直于坡面，硬质岩层弯曲变形，逐渐折断并倒向临空面，折断面形成一连续控制性弱面，当软基的最大剪应力超过其抗剪强度时，即发生蠕滑拉裂型滑坡；后者坡面陡峭，岩层稍缓，临面硬岩体与母岩分离，软基应力增大，软基破坏引起整个边坡倒塌。

图 1 层状岩质边坡破坏规律(张社荣等，2014)Fig. 1 Destruction rules of stratified rock slopes(Zhang et al.，2014)

图 2 多层软弱夹层边坡岩层倾角与安全系数的关系(张社荣等，2014)Fig. 2 Relations between strata inclination and safety factors(Zhang et al.，2014)

边坡失稳机制研究主要探讨了软弱夹层的含水状态、抗剪强度、倾角、厚度、间距和边坡坡度对边坡稳定性系数、变形和破坏模式的影响。如基于平面滑动法(龚裔芳等，2010)和FLAC3D强度折减法(刘新喜等，2015)的研究表明，软弱夹层的含水率增大，抗剪强度降低，边坡稳定性系数降低。刘新喜等(2017)用强度折减法探讨了软弱夹层的倾角、厚度、黏聚力和内摩擦角对顺层边坡水平位移和稳定性系数的影响：抗剪强度降低和厚度增大都能导致边坡水平位移增大，稳定性系数降低；随倾角增大，边坡稳定性系数先减小后增大，最低值出现在45°附近；边坡稳定性敏感度的强弱顺序是倾角、内摩擦角、黏聚力、厚度。张社荣等(2014)利用PLAXIS软件的Sarma极限平衡法和强度折减法研究了多层软弱夹层边坡的岩层倾角θ、边坡坡度β和夹层间距h对边坡安全系数和破坏模式的影响。研究表明：θ不同，破坏模式不同，即随着θ增大(水平层状边坡→顺层边坡→直立层状边坡→反倾边坡)，破坏模式表现为滑移破坏→滑劈破坏→崩塌破坏→倾倒破坏→滑移破坏(图 1)；针对顺层边坡，θ增大，安全系数先减后增，极小值出现在θ=30°时，与刘新喜等(2017)的45°的观点不同，这可能与软弱夹层的层数有关，刘新喜等(2017)的计算模型只有一层软弱夹层，而张社荣等(2014)的计算模型有多层软弱夹层；针对反倾边坡，θ增大，安全系数先减后增再减，极小值出现在θ=120°时(图 2)；总体来看，边坡安全系数的大小关系是直立层状边坡>水平层状边坡，反倾边坡>顺层边坡，而水平层状边坡与反倾边坡的关系与夹层间距有关，间距增大，反倾边坡>水平层状边坡，间距减小则相反；β影响岩体的破坏特征，对于顺层边坡，β=30°时表现为滑移-弯折的复合破坏，当β=60°时表现为滑移破坏，对于反倾边坡，都表现出倾倒破坏，只是倾倒破坏态势的强弱不同；h降低，夹层数增多，安全系数降低。

在边坡稳定性评价方法研究方面，费先科最早提出了考虑软弱夹层的岩质边坡稳定性分析方法，但该法采用了不合理的静力学条方法，造成计算结果与实际偏差较大(Chen et al.，1999)。Goh(1983)提出用遗传算法确定滑移面位置，并将这种方法整合到多楔体稳定性分析方法中，诸多案例表明这种方法可用于计算含软弱夹层边坡的安全系数。基于塑性力学极限分析的上限定理和机动位移法，刘小丽等(2002)假设软弱夹层是潜在滑面，且是平面，然后提出了单层和多层软弱夹层边坡能量系数的计算公式，用来评价边坡的稳定性，平面滑动法证实了这种方法针对平面滑动型边坡是可行的。汤祖平等(2014)根据相关联流动法则、内外能耗守恒原理和强度折减技术，对黄茂松等(2012)、Huang et al. (2013)提出的平动-转动组合破坏机构进行适当改进(机构存在速度相容性问题)，同时提出一种新的直线型滑动破坏机构，推导出以上两种破坏机构极限上限分析的计算公式，用于计算含单层软弱夹层边坡的安全系数，FLAC3D从安全系数和潜在滑面位置方面检验了这两种方法是适用的。Yao et al. (2014)采用单纯形—有限随机追踪法搜索含软弱夹层边坡的潜在滑动面，假设滑动面由光滑弧形和折线组成，并编制了边坡稳定分析软件DL-SLOPE。Cheng(2003)基于模拟退火分析(Simulated Annealing Analysis)方法构建了含软弱带边坡的二维稳定性分析方法。在此基础上，Cheng et al. (2005)使用非均匀有理B样条面(NURBS，即Non-Uniform Rational B-Splines)和椭球面模拟滑面，提出非球形破坏面的三维极限平衡法，实现了含软弱夹层岩质边坡三维塑性极限稳定分析的突破。王浩然等(2013)基于极限分析上限法，在三维圆锥体平动破坏机构和牛角状螺旋圆锥体转动破坏机构的基础上构建了三维转动-平动组合破坏机构，计算了含软弱夹层边坡的三维安全系数，弹塑性有限元强度折减法验证了这种方法是有效的。

综上所述，软弱夹层对边坡稳定的不利影响已经得到普遍关注和广泛研究，含软弱夹层岩质边坡的稳定性比均质边坡和不含软弱夹层的层状岩质边坡都差。含软弱夹层岩质边坡的稳定性系数，应力和变形特征，破坏模式与软弱夹层的含水状态、抗剪强度、倾角、厚度、间距、层数和边坡坡度有关。夹层的含水率增大，抗剪强度降低以及夹层厚度的增大都会导致边坡变形增大，稳定性系数降低。夹层的倾向、倾角与边坡的坡向、坡度的组合关系显著影响边坡的稳定性系数和破坏规律：顺层边坡的安全系数最小值出现在夹层倾角30°～45°之间，夹层数越多，这个临界值越小；反倾边坡的安全系数最小值出现在夹层倾角120°左右；顺层边坡的稳定性差于反倾边坡；从近水平层状边坡→顺层边坡→直立层状边坡→反倾边坡，破坏规律总体为滑移破坏→滑劈破坏→崩塌破坏→倾倒破坏；夹层间距减小，层数增多，边坡安全系数降低。软弱夹层岩质边坡稳定性评价的极限分析法已经实现了三维稳定分析的突破。既有研究主要针对含单层软弱夹层的岩质边坡，对含多层软弱夹层岩质边坡的研究较少。

1.2 开挖工况

开挖对岩质边坡变形破坏和稳定性的影响是岩土工程和工程地质领域的重要研究内容之一。在人工分级开挖方面，陈婷等(2014)和贠永峰等(2018)分别运用有限元强度折减法、ADINA软件模拟了单层软弱夹层顺层边坡的开挖和支护过程。结果表明，开挖但不及时支护，边坡将沿软弱夹层发生滑动破坏。Xue et al. (2018)针对贵州某高速公路含两层软弱夹层(断层泥)的玄武岩边坡，综合采用现场调查、GEO-SLOPE软件中的Sigma/W和Slope/W方法研究了开挖对边坡稳定和变形的影响。结果表明，软弱夹层是滑坡的根本因素，开挖是边坡失稳的重要触发因素。

在爆破开挖方面，肖正学等(2009)利用ANSYS/LS-DYNA模拟了含单层软弱夹层顺层岩质边坡单孔爆破过程，揭示了爆破对边坡稳定性的影响。研究表明：炮孔内炸药爆炸的爆轰气体产物对软弱夹层的冲刷、推移和压密产生了层裂效应，形成空腔区、压密区和离析区，空腔区岩体与夹层完全分离，它们之间的黏聚力和摩擦力都为0，压密区和离析区岩体与夹层间的接触状态受到扰动，它们之间的黏聚力和摩擦力降低；空腔区受到爆轰气体的膨胀作用，压密区受到夹层挤压增厚作用，因此上覆岩体受到向上巨大的压应力作用(0.21～0.75GPa)，这些作用都会降低边坡的稳定性。剪切试验进一步证实了上述爆破层裂效应降低边坡稳定性的观点。张继春等(2009)进行了含软弱夹层混凝土单孔台阶爆破物理模型试验，用高速摄像机监测爆破过程中夹层的运动特征，证实了爆轰气体对软弱夹层的推移作用确实存在，且较为强烈。根据爆破相似理论，郝亚飞等(2012)进行了含软弱夹层顺层岩质边坡模型爆破试验和剪切试验。结果表明在爆破作用下，自爆孔中心向四周，软弱夹层可分为爆腔区、压密区、影响区和无扰动区，前三者构成层裂范围，影响区外缘直径是夹层厚度的12.5～25倍，层裂效应显著；爆破后边坡安全系数降低，爆破过程中最低；软弱夹层厚度增大，层裂范围和边坡安全系数先减后增。

综上所述，在分级开挖方面，主要研究了开挖改变坡体形态和卸荷对边坡稳定性的影响，而在爆破开挖方面，主要分析了爆破的层裂效应。研究表明，开挖容易诱发坡体沿软弱夹层滑坡，需要及时支护。爆破层裂效应减小了软弱夹层与围岩的接触面积，改变了两者的接触状态，减小了它们之间的黏聚力和摩擦力，导致边坡稳定性降低。

1.3 暴雨和蓄水工况

Al-Homoud et al. (1998)对约旦的安曼-埃尔比德公路、纳乌尔-死海公路的边坡失稳案例进行调查后发现，大部分边坡失稳都与软弱夹层有关，所有失稳边坡都是顺层边坡，滑体沿软弱夹层平动或转动破坏，降雨形成上层滞水是边坡失稳的重要诱因。四川省南江县红层区大量顺层岩质滑坡与软弱夹层和降雨有关(王森，2017)。三峡库区约90%以上的崩塌、滑坡灾害都与软弱夹层有关(殷跃平，2004)。我国大型水利水电工程多数建于西南高山峡谷地区，边坡稳定是库坝安全的重要前提之一(周创兵，2013)。因此，降雨和库水位变化对含软弱夹层岩质边坡稳定性的影响是值得关注的问题。

基于相似理论和光纤光栅监测技术，李龙起等(2013)进行了含软弱夹层顺层岩质边坡室内物理模型降雨模拟试验。研究表明，降雨对边坡层间错动的影响受岩层倾角影响较大，倾角为35°时层间错动最显著。魏云杰等(2016)采用GEO-SLOPE软件的Mohgenstem-Prince法计算了降雨条件下含软弱夹层(凝灰岩)玄武岩边坡的稳定性系数。王在泉等(2004)运用Sarma极限平衡法计算了蓄水前、后含泥化夹层岩质边坡的稳定性系数：蓄水后稳定性系数显著降低。唐颖栋等(2015)利用FLAC3D和ROCSCIENCE软件的极限平衡法分析了含泥化夹层岩质边坡在蓄水工况和暴雨工况下的安全系数和变形：与自重工况相比，以上两种工况下边坡安全系数降低，变形增大。基于三维有限元数值法，靳晓光等(2004)研究了水库蓄水至高程175m对三峡库区某顺层岩质坡体应力和位移的影响。结果表明蓄水后坡体应力和位移增大，软弱夹层是坡体变形破坏的控制性岩层。与非蓄水工况相比，上述研究在分析水库蓄水对边坡稳定影响时，只对水位以下岩体参数做特殊处理，即水位以下岩体参数取饱和强度指标。

综合以上研究，暴雨和蓄水都不利于含软弱夹层岩质边坡稳定。现有研究在分析水库蓄水对边坡稳定性影响时，仅考虑了蓄水弱化岩体参数对边坡稳定的影响。

1.4 地震工况

地震对边坡稳定性的影响历来是多山、多地震国家和地区十分关心的问题之一。尤其是2008年中国汶川地震之后，掀起了地震作用下斜坡动力稳定性研究的热潮。目前对地震作用下含软弱夹层岩质边坡稳定的研究主要集中在边坡稳定性系数、边坡动力响应和变形破坏特征方面，研究主要采用极限平衡分析、数值模拟和振动台试验。

在极限平衡分析和数值模拟方面，Wei et al. (2009)采用极限平衡法和强度折减法计算了横向地震荷载下含软弱夹层边坡的安全系数。基于SLOPE/W和PLAXIS2D，Rodríguez-Ochoa et al. (2015)研究表明软弱夹层对海底滑坡启动有促进作用。邓检良等(2014)提出改进的NS法(纽马克法与瑞典条分法结合)，分析了地震作用下边坡沿软弱夹层滑动的水平位移，并与改进的NJ法(纽马克法与简布法结合)对比讨论了两种方法的特点。Zhang et al. (2017)运用PFC2D模拟了地震作用下甘肃天水市郑家磨滑坡的机理和运动学特征：滑体沿软弱夹层发生旋转滑动破坏。刘立平等(2007)研究(ANSYS)了夹层厚度、埋深和倾角的影响：位移和加速度随夹层厚度增大而增大，夹层以上边坡位移和加速度相对较大，夹层以下则相对较小。杜晓丽等(2010)研究(ADINA)表明，在地震作用下含软弱夹层边坡与均质边坡的破坏位置不同，前者的位移是后者的数倍，夹层倾角影响边坡水平位移，速度随夹层厚度增大而增大。基于FLAC3D，李果等(2011)对罐滩滑坡研究后认为，在斜坡破坏之前，软弱基座起到隔震作用，而当斜坡整体破坏后，软弱基座会加剧破裂面的发展，最终产生滑坡。冯志仁等(2014)研究了顺层岩质边坡：坡面水平向加速度放大系数(Horizontal Amplification Coefficients of Peak Ground Acceleration，简写为HAC)随高程、地震波幅值A、地震波频率f的增大而增大，地震动持时对HAC的影响可以忽略；水平正向输入地震波时的HAC比水平负向输入时大。陈臻林等(2015)研究了反倾边坡：以软弱夹层为界，下部坡面的HAC随软弱夹层倾角θ的增大而减小，随A的增大而增大，上部坡面的HAC随θ的增大呈先增后减，峰值在15°～20°之间，随A的增大而减小；HAC随f增大而增大，当坡体自振频率接近f时，HAC最大；下部坡面的HAC随高程增加而增大，在靠近软弱夹层下侧位置达到最大值，向上经过软弱夹层后，HAC迅速减小，然后又随着高程的增加而增大，表明软弱夹层有消能减震作用；在坡顶，HAC从坡里到坡肩线性增大，坡内HAC随高程增加而增大；软弱夹层厚度d增大，坡顶HAC减小；软弱夹层的消能减震作用与f、d、θ有关，f和d增大，减震效果越显著。以上研究都是针对水平地震作用下含单层软弱夹层岩质边坡的稳定性，输入地震波有EI-Centro波、脉冲波和正弦波。研究主要得出以下一致性结论：(1)地震作用下软弱夹层对岩质边坡稳定是不利的；(2)软弱夹层上、下坡体的动力响应特征存在差异；(3)加速度放大系数分布有高程放大效应；(4)HAC动力响应特征表明软弱夹层有消能减震作用；(5)软弱夹层的厚度、埋深和倾角，地震波的输入方向、幅值和频率影响边坡动力响应特征(位移、速度、加速度和应力)。但在软弱夹层厚度对加速度影响方面有不同的观点。

基于大型振动台试验，杨峥等(2014)研究了地震作用下反倾边坡的变形破坏特征：地震波类型、激振方向、振动强度和软弱夹层厚度影响边坡的变形破坏程度；厚层软弱夹层具有消能减震作用，厚度增大，边坡破坏程度和范围减小，水平加速度发生显著放大的坡面位置降低，水平加速度减小，破坏位置高度也随之降低；破坏模式为“震裂-散体崩落”型；X向地震波使坡体中上部产生剪切变形，形成剪切裂缝，是造成边坡变形破坏的最主要因素。周飞等(2016)分析了水平层状边坡的水平、竖向加速度响应特征。结果表明，高程增加，HAC增大，坡面的HAC大于坡内；坡内竖直向加速度放大系数(Vertical Amplification Coefficients of Peak Ground Acceleration，简写为VAC)随高程增加而增大，坡面VAC随高程增加的变化规律与夹层厚度有关，薄夹层VAC局部减小后增大，最大值出现在坡肩位置，厚夹层最大值出现在软弱夹层底部，坡面VAC大于坡内；在同一高度，坡内HAC大于VAC，在软弱夹层以下，坡面HAC小于VAC，在夹层以上，坡面HAC大于VAC；软弱夹层对水平向动力响应有一定的放大作用，而对竖直向动力响应则是吸收减弱；边坡加速度动力响应影响因素的强弱顺序为边坡高程、坡体位置(坡面、坡内)、软弱夹层厚度、激励振幅、加载波形、激励方向。刘汉香等(2015)综合研究了水平层状边坡和反倾边坡的水平、竖向加速度响应规律和变形破坏特征：厚夹层能够削弱坡顶的VAC，以反倾边坡最为显著；与均质边坡相比，当地震波幅值小于0.3ig时，夹层对HAC和VAC起到增强作用，当地震波幅值大于0.3ig时，厚夹层则表现出隔震作用。吴尚杰等(2017)分析了含软弱夹层锚框支护边坡的HAC、水平土压力震荡系数的响应规律和破坏特征：HAC的高程效应和趋表效应明显，但由于软弱夹层的隔震作用，鞭梢效应不明显；HAC随输入地震动幅值的增大而减小；水平土压力震荡系数随埋深、地震动幅值的增大而增加；边坡破坏主要集中在软弱夹层上部坡体，尤其是坡顶表层。以上模型只考虑一层软弱夹层，输入的地震波有EI-Centro波、人工波、白噪声、正弦波、5.12卧龙地震台实测的汶川地震波和1995年日本kobe地震波。

针对含多层泥化夹层的顺层和反倾岩质边坡，范刚等(2015a，2015b，2015c)的振动台试验表明，坡面HAC随高程和地震波频率的增加而增大。对于顺层边坡，坡面HAC和VAC随地震波幅值的增加呈先增后减，分界值是0.3ig；泥化夹层饱和后，边坡下部(<0.4H，H为边坡高度)坡面HAC减小，中上部(>0.4H)增大，VAC减小；泥化夹层饱水前，坡面HAC大于坡内，饱水后中上部则相反；破坏模式为“拉裂→滑移→崩落”式。对于反倾边坡，坡面HAC大于坡内，泥化夹层饱和后，坡面HAC减小；坡肩位移最大，坡体沿泥化夹层滑动剪出，坡顶震碎。顺层边坡的坡面位移大于反倾边坡，中上部坡面HAC大于反倾边坡，前者稳定性比后者差。这些试验输入地震波为汶川地震清屏波和EI-Centro波。

在动力响应的频谱特性方面，范刚等(2016)采用Hilbert-Huang变换和边际谱理论研究了顺层边坡的损伤演变过程：地震作用下边坡损伤首先出现在坡肩位置，随着地震波幅值的增大，震害损伤向低处发展，坡面损伤程度强于坡内；边际谱峰值和特征频率的变化能清晰地表征边坡内部的震害损伤发展过程。刘汉香等(2019)分析了含单层水平软弱夹层边坡的水平加速度响应频谱特征：边际谱幅值总体增大，边际谱形状变化明显；激振强度增加，边坡上部加速度响应的卓越频率发生显著变化。

振动台试验除了得出与1.4节的第2段相同的结论外，还可以得出以下统一结论：(1)边坡加速度放大系数分布存在坡面趋表效应；(2)顺层边坡的动力稳定性比反倾边坡差；(3)边坡动力响应和变形破坏特征受到软弱夹层参数(厚度、倾角、含水状态)、地震波特性(地震波的类型、幅值、频率、激振方向)和边坡结构(高程、位置、顺层或反倾等)共同影响。但在软弱夹层对水平向动力响应的放大或减弱作用及厚层软弱夹层的消能减震作用方面仍然有不同观点。我们认为，软弱夹层的放大或减弱作用受诸多因素共同影响，不能一概论之，要具体情况具体分析。

2 边坡稳定性分析方法

2.1 极限平衡法

极限平衡法假设边坡出现任意形状的潜在滑面，其位置已经确定，而且边坡处于极限平衡状态，然后将潜在滑体离散成若干刚体竖条或斜条，假设潜在滑体沿潜在滑面发生刚性滑动或转动，构建条块之间的静力平衡方程，求解方程可获得边坡安全系数。如剩余推力法(王维早等，2007)、平面滑动法(丁立明等，2012)、Sarma极限平衡法(张社荣等，2014)和多楔状极限平衡法(Goh，1983)。极限平衡法分析地震作用对边坡稳定性影响时是使用拟静力方法，即将地震惯性力视为大小不变，水平向或竖向的静力荷载施加在坡体上，建立和求解平衡方程可得边坡安全系数(Wei et al.，2009；Rodríguez et al.，2015)。

极限平衡法的力学模型简单，通用性和适用性强，已纳入了相关规范，广泛应用于工程实践中。但该方法不考虑坡体的应力-应变关系，人为假定条块之间作用力的方向和位置，所得解并不是严格意义上的一个上限解或下限解(Huang et al.，2017)。当岩质边坡中存在多层软弱夹层时，该法忽略了夹层间的作用力，而且不能考虑软弱夹层厚度和多层滑移的影响。软弱夹层经常是潜在滑移面，极限平衡法对于简单的含单层软弱夹层的岩质边坡应该是可行的，但对于含多层软弱夹层的复杂岩质边坡，该法可能存在很多不足而必须简化计算模型。比如张社荣等(2014)采用Sarma法计算含多层软弱夹层岩质边坡的安全系数时是将其按加权平均法简化为均质边坡。极限平衡法在分析地震对边坡稳定影响时存在更多不足，例如不能充分考虑地震波特性和岩体动力学特性的影响，不能分析边坡的动力响应特征和模拟软弱夹层的放大或减震效应等。

2.2 塑性极限分析法

塑性极限分析法将滑体视为服从流动法则的理想塑性材料，以极限状态时自重和外荷载所做的功等于滑移面上阻力所消耗的功为条件，结合塑性极限分析的上、下限定理，求解边坡极限荷载和安全系数(杨天鸿等，2011)。该法获得的安全系数是一个范围，即上限解和下限解。目前，针对含软弱夹层岩质边坡，主要采用极限分析上限法(刘小丽等，2002；王浩然等，2013；汤祖平等，2014)分析自重状态下的静力稳定问题，极限分析上限法的关键是构建破坏机构。塑性极限分析法具有严谨的理论基础，而且在流动法则和能量平衡方面有严格的假设条件，但这些假设使得塑性极限分析法在分析含软弱夹层岩质边坡稳定性时面临诸多困难，例如如何考虑复杂荷载、渗流、软弱夹层厚度和多层滑移的影响(汤祖平等，2014)。

2.3 数值分析法

数值分析法已成为边坡稳定性分析的重要方法，尤其是针对大型复杂高陡边坡。目前，含软弱夹层岩质边坡稳定性数值分析法主要有有限单元法(Finite Element Method，FEM)、有限差分法(Finite Difference Method，FDM)和离散单元法(Discrete Element Method，DEM)。有限单元法主要采用ANSYS、PLAXIS和ADINA，有限差分法主要是FLAC，离散单元法主要有UDEC、PFC和DDA。

有限单元法和有限差分法都是在连续介质力学理论的基础上发展起来的，在处理复杂几何边界条件和岩体非线性问题方面有强大能力。这两种数值方法在分析边坡稳定性时无需考虑太多假设条件，可以模拟复杂的地质条件和荷载工况，可获得计算模型任意时步，任意位置的应力、应变和位移等信息，分析边坡的变形特征和渐进性破坏过程(高玉峰等，2015)。此外，有限元单元法和有限差分法还可以联合极限平衡法和强度折减法计算边坡安全系数和分析失稳模式(许宝田等，2009；张社荣等，2014；刘新喜等，2015；唐颖栋等，2015)。但是强度折减法对收敛判别准则、边界条件和网格尺寸非常敏感，尤其是针对边坡三维稳定分析，使用这种方法要非常小心(Wei et al.，2009)。有限单元法在解决离散的、非连续和大变形问题方面不及有限差分法。岩质坡体常沿软弱夹层发生层间滑移破坏，因此有限差分法在分析含软弱夹层岩质边坡稳定性方面更胜一筹。当软弱夹层很薄时，如云南省玉溪市研和镇生活垃圾焚烧发电厂高边坡中的泥化夹层最厚仅有3cm左右，这两种方法对极薄夹层的模拟可能存在困难，出现难以计算的问题。

离散单元法是基于不连续介质力学理论发展起来的，在模拟岩石边坡渐进破坏过程和滑体运动学方面有突出优势。PFC能够解决含薄夹层等非均质各向异性难于计算的问题。运用PFC进行模拟时，需要输入颗粒的微观特征参数，但这些微观参数与岩体宏观参数没有对应关系，必须通过真实试验和数值试验对比和反演微观参数，这已成为采用PFC模拟分析的主要障碍。著名学者石根华于1985年提出的非连续变形分析法(DDA)是一种崭新的离散数值模拟方法，已经广泛用于解决各种实际工程问题(Zhang et al.，2016)。DDA在大变形和非连续接触等方面有明显优势，不仅能够计算边坡的稳定性系数，而且能够模拟滑坡的孕育、发生、发展至再稳定的变形破坏和运动全过程(Xu et al.，2014；Fu et al.，2017)，是含多层软弱夹层岩质边坡失稳破坏数值模拟研究的重要手段之一。边坡失稳破坏是从连续变形到非连续变形的过程，将连续介质方法与非连续介质方法耦合起来是数值分析法的发展趋势(杨天鸿等，2011)，如FLAC与PFC的耦合(刘蕾等，2014)。

2.4 物理模型试验

研究含软弱夹层岩质边坡稳定性的物理模型试验主要有室内降雨模拟试验(李龙起等，2013)、模型爆破层裂试验(郝亚飞等，2012)和大型振动台试验(刘汉香等，2019)。物理模型试验是根据相似理论制作物理模型，然后进行物理试验。严格来讲，物理模型要实现完全相似是不可能的，只能控制某些重要指标相似来设计模型。例如在振动台试验中，由于软弱夹层很薄，弹性模量等力学参数比围岩低很多，软弱夹层很难满足相似理论(周飞等，2016)。由于动力问题的复杂性，振动台试验在边界效应和尺寸效应方面仍然存在局限性。虽然物理模型试验还存在某些不足之处，但仍然是含软弱夹层岩质边坡稳定性研究的重要手段之一。物理模型试验不能得出适用于原型边坡的定量结论，但能给出定性的规律性认识，能够直观显示边坡的变形破坏特征和失稳方式，对边坡失稳机制研究有重要意义。

3 存在问题及研究发展趋势

3.1 存在问题

(1)没有考虑软弱夹层的流变力学特性对岩质边坡变形破坏过程的影响，分析模型主要集中于含单层软弱夹层岩质边坡，软弱夹层的多层滑移现象尚有待今后深入研究。

边坡失稳要经历滑移面的孕育、演化、发展和贯通过程。含软弱夹层岩质边坡的复杂性和特殊性在于软弱夹层，不同于节理面，软弱夹层是一种弹-黏性结构分散体系，具有强度低、易变形和显著的流变特性(王幼麟等，1982；孙钧，2007)。岩质边坡在瞬间整体失稳前已沿着软弱夹层经历了长期剪切滑移变形，滑坡体的应力场、应变场和稳定状态表现出时效性，破坏过程显示渐进性(冯振等，2013)。不考虑软弱夹层的流变力学特征，难以阐明含软弱夹层岩质边坡的渐进性破坏和稳定状态演化过程。含多层软弱夹层的岩质边坡可能产生多层层间剪切滑移，边坡变形量更大，稳定性更差，但既有分析模型主要集中在单层软弱夹层岩质边坡，没有研究多层滑移变形破坏过程。

(2)单因素作用(开挖卸荷、爆破震动、地震作用、降雨入渗、库水位变化、地下水等)对含软弱夹层岩质边坡稳定性影响的研究不全面，多因素耦合作用下岩质边坡稳定性是需进一步研究的问题。

岩体开挖不仅改变坡体形态，而且开挖卸荷使得开挖面附近岩体的应力重新分布，形成开挖扰动区，引起岩体的力学特性和质量迅速劣化(王瑞红等，2007)。因此，需从坡体形态改变、卸荷和岩体力学参数劣化方面分析开挖对边坡稳定性的影响。爆破也是岩质边坡常用的开挖方式，在分析爆破开挖对岩质边坡稳定性影响时，除考虑上述开挖效应外，还应考虑爆破过程中爆轰气体产生的层裂效应和爆炸应力波的影响(陈明等，2015)。但目前含软弱夹层岩质边坡开挖稳定性研究只考虑坡体形态改变、卸荷和爆破层裂效应。

目前含软弱夹层岩质边坡的地震动力稳定性研究主要以简化三维模型和二维模型为研究对象，在时间域研究边坡位移、速度、加速度和峰值加速度放大系数的二维分布特征和变形破坏规律。这些研究是相当重要的，但对于实际边坡抗震设计应用还有一定距离，应该继续深入开展相关工作。此外，数值模拟研究尚未考虑软弱夹层的动力学特性对岩质边坡动力稳定的影响。

降雨入渗和水库蓄水增加坡体重力，弱化岩体力学参数，改变边坡水文地质条件，形成或改变渗流场，产生动、静水压力，这些都将影响边坡稳定性。目前开展降雨对含软弱夹层岩质边坡稳定性影响的研究很少(李龙起等，2013)，分析水库蓄水影响时仅考虑了岩体参数弱化。

3.2 研究发展趋势

综合以上分析，今后该领域的研究可从以下几个方面开展工作：

(1)以含软弱夹层的大型岩质边坡为对象，综合运用钻探技术、钻孔全孔壁光学成像技术和三维激光扫描技术查明软弱夹层的三维空间分布，构建科学合理的工程地质模型，采用室内外试验分析软弱夹层及组合岩体(软弱夹层+围岩)的流变力学特性，以工程地质分析原理为基础，研究含多层软弱夹层岩质边坡渐进性变形破坏和稳定性的演化机制。

(2)深入开展单因素作用下含软弱夹层岩质边坡稳定性的机理研究。

包括：含软弱夹层岩质边坡开挖扰动区的形成和演化与软弱夹层的关系，开挖过程中扰动区软弱夹层的力学参数演变规律，开挖扰动区与岩质边坡稳定性的关系；软弱夹层对爆破应力波传播特性的影响，爆破应力波、爆破层裂效应和开挖卸荷的耦合作用对岩质边坡动力稳定性的影响；含软弱夹层岩质边坡开挖过程的动态仿真分析；分析软弱夹层的动力学特性，从时频域的角度研究软弱夹层对岩质边坡动力响应和破坏特征的影响；耦合连续介质和非连续介质方法，数值模拟分析含软弱夹层的实际工程边坡在地震作用下的三维动力稳定性；综合软弱夹层力学参数弱化、渗流场和动、静水压力方面，分析降雨对岩质边坡稳定性的影响；研究水库蓄水、库水位骤变和周期性涨落、大坝泄洪雾化雨作用对岩质边坡稳定性的影响。

(3)多因素耦合作用下含软弱夹层岩质边坡稳定性研究。

如地震荷载与地下水耦合作用下软弱夹层液化对岩质边坡稳定性的影响；地震扰动区地震作用与降雨耦合，围岩震裂，软弱夹层与围岩的接触状态受到扰动，加快降雨入渗，入渗水沿软弱夹层顶面流动等作用对边坡稳定性的影响；库区含软弱夹层岩质边坡在降雨和库水位耦合作用下的稳定性。

(4)支挡结构体系加固含多层软弱夹层高陡岩质边坡的机理研究。

支挡结构(抗滑桩、锚杆和锚索等)与含软弱夹层岩质边坡的相互作用，支挡结构的受力特征；地震作用下支挡结构的动力学行为、稳定性和抗震效果评价；支挡结构体系的协同作用机制等。