基于数值模拟的含软弱夹层路堑边坡稳定性分析

颜赫YAN He

（广东省路桥建设发展有限公司二广分公司，广州 510000）

0 引言

软弱夹层一般为岩体中力学性质较弱且具有一定厚度的软弱结构面或结构带，其厚度相较于邻近土层较为薄弱，遇水之后易崩解，力学强度和变形模量均较低。在内外动力作用下，坡体容易产生软弱夹层的滑动。随着人类工程活动的日益频繁，全球已发生了多起含软弱地层边坡滑坡灾害，给人民生命财产安全造成较大的损失。开展含软弱夹层的边坡稳定性分析研究已成为岩土工程界的关键技术问题[1-2]，对预防滑坡灾害的发生具有重要的理论和实际意义。

目前，国内外诸多学者围绕含软弱夹层的边坡稳定性问题进行了深入研究，并取得了积极的进展[3-5]。皮晓清等[6]基于有限元极限上限法，建立了含软弱夹层的边坡稳定性分析非线性规划模型，经优化求解后得到了不同软弱夹层条件参数下的边坡安全系数及破坏模式。李龙起等[7]通过开展大型地质力学模型试验，对降雨入渗条件下坡体内部软弱夹层泥化特征进行研究，揭示了不同岩层倾角和支护结构条件下的坡体位移发展模式。范昊天等[8]以苏州清明山滑坡为研究对象，采用颗粒流软件对含有软弱结构面的边坡开展动态模拟分析，总结出了该滑坡的演化过程及破坏机理。

本文通过数值模拟分析，以某高速公路右侧路堑边坡为例，分别建立含有软弱夹层和不含软弱夹层的路堑边坡计算模型，并依次对其展开坡体开挖、降雨条件的模拟工况，以此来研究软弱夹层对边坡稳定性的影响程度，为预防滑坡变形失稳提供一定的参考价值。

1 工程概况

某高速公路左幅一处二级路堑边坡，最大坡高约15m，分级坡高8m，坡率为1:1，一、二级边坡均采用人字形骨架+植草防护。边坡所在区域属丘陵地貌，地形起伏明显，植被较为发育，自然坡度多呈14°～25°，线路走向309°，边坡坡向219°。据有关现场地质调查结果，该边坡地层主要由坡残积粉质黏土、全～强风化泥质砂岩以及中风化泥质砂岩所组成，其中，粉质黏土与强风化泥质砂岩层间见多层软弱夹层（泥灰岩、泥岩），且岩层顺向坡。

在连续降雨期间，雨水沿孔隙向坡体内部渗入，岩土体含水量增加且逐渐趋于饱和，致使软弱夹层呈泥化流塑状，抗滑力急剧减弱，加之上部覆盖层容重增加，下滑力有所增大，因而造成了沿层间软弱结构带的顺层滑动。

2 数值计算模型

为充分考虑软弱夹层对边坡稳定性的影响程度，选取具有一定代表性的剖面作为研究对象，分别建立了含有软弱夹层与不含软弱夹层的边坡模型。其中，图1为含有软弱夹层的边坡数值计算模型。

图1 数值计算模型

基于控制精度、合理简化的原则，结合相关设计勘察资料，在原始地层条件的基础上建立了长215m，高度100m的数值计算模型。地层分布从上到下依次为粉质黏土、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩，其中，软弱夹层位于坡体内粉质黏土与强风化泥质砂岩分界处，整体厚度为0.5～2.0m，长度约30m。模型两侧采用水平零位移约束，底部采用双向零位移约束，本构模型采取了适用于岩土体的Mohr-Coulomb模型。不考虑其他岩体结构面，在岩土力学强度参数中充分考虑了地下水的影响和作用，相关岩土体力学参数如表1所示。

表1 岩土物理力学参数

3 数值计算结果分析

该边坡分别经历了一级开挖、二级开挖、连续降雨等历时发展阶段，在不同阶段下坡体均表现出独特的变形特性。因此，接下来将依次开展不同历时阶段下含有软弱夹层与不含软弱夹层的边坡稳定性对比分析，探讨软弱夹层对边坡稳定性状态的影响程度。

3.1 最大剪应变发展

图2、图3分别显示了不含软弱夹层以及含有软弱夹层边坡的最大剪应变云图。

图2 不含软弱夹层边坡最大剪应变云图

图3 含软弱夹层边坡最大剪应变云图

观察不含软弱夹层边坡最大剪应变云图，可以发现，一级开挖后，由于应力松弛作用，一级坡脚处出现局部剪切变形；二级开挖后，坡脚处变形范围小幅增大，同时坡体内沿覆盖层底部出现局部剪切变形；在连续降雨作用下，剪切变形区域有所扩展，但并未出现剪切贯通，边坡尚未达到滑移破坏阶段。

观察含有软弱夹层边坡最大剪应变云图，可以发现，一级开挖后，除了一级坡脚处出现变形外，坡体内部的软弱夹层也出现部分剪切变形；二级开挖后，软弱夹层的剪切变形程度有所增大，变形区域向坡顶处延伸；在连续降雨作用下，软弱夹层的变形幅度进一步增大，剪切变形带完全贯通，致使整个滑坡体从坡顶处张拉错开，并沿其内部软弱夹层向坡脚处剪切挤出。

由此可见，软弱夹层的存在明显增大了滑坡灾害发生的风险程度，造成了沿层间软弱结构带的顺层滑动。除此之外，开挖卸荷后造成坡面应力松弛，坡体下部支撑力减少，增大了滑坡发生的风险；而连续降雨作用造成坡体内岩土体含水量增加，软弱夹层逐渐趋于饱和，岩土体力学强度降低，呈现出流塑泥化状态，为形成坡体滑移路径创造了条件。

3.2 边坡稳定性对比分析

运用强度折减法，分别计算在不同历时阶段下含有软弱夹层与不含软弱夹层的边坡稳定系数，如表2所示。

表2 不同历时阶段下边坡稳定系数一览表

图4显示了不同工况时步下边坡稳定性状态变化。观察发现，当边坡含有软弱夹层时，在开挖卸荷、连续降雨工况作用下，边坡稳定系数一度降低到1.03，处于蠕动滑移阶段，因此不得不立即施加预应力锚索进行加固处理。而不含软弱夹层的边坡在经过开挖后，稳定系数降低到1.30，仍处于比较安全的状态，即使是经历连续降雨作用后，稳定系数仍保持在1.16，依然符合《公路路基设计规范》中对于非正常工况稳定系数的规定。综合来看，当边坡含有软弱夹层时，各历时阶段的稳定系数均比不含软弱夹层边坡的稳定系数低0.1左右，进而极大加重了边坡滑坡灾害发生的可能性，迫使相关设计施工人员不得不采取更为耗时耗力的防护措施。

图4 不同工况时步下边坡稳定性状态变化图

4 结论

基于数值模拟方法，开展了不同历时阶段下含有软弱夹层与不含软弱夹层的边坡稳定性对比分析研究，探讨了软弱夹层对边坡稳定性状态的影响，得出以下结论：

①当边坡含有软弱夹层时，各历时阶段的稳定系数均比不含软弱夹层边坡的稳定系数低0.1左右，显著增大了滑坡灾害发生的风险程度。

②开挖卸荷和降雨入渗是造成边坡滑坡的外界诱因，致使坡体抗滑力降低，软弱夹层表现为流塑泥化状态，为形成滑坡体滑移路径创造了条件。

③对于存在软弱夹层的边坡，可以考虑采用新型扩体锚杆作为加固防治手段，将其插入软弱夹层以下的深层土体内部，能充分调动深部岩土体的协同受力承载能力，从而达到稳定边坡的目的。