软硬交互地层边坡稳定性计算及防护建议

陈坤

摘 要：通过分析软硬交互地层的研究现状，并结合某边坡工程实例，采用理正岩土进行稳定性计算，对比了自然与暴雨状态下软硬交互地层的稳定性，提出了防护建议，以期对后续类似工程的设计和施工提供参考。

关键词：软硬交互地层；稳定性计算；边坡工程

中图分类号：U418.52                             文献标识码：A                                 文章编号：2096-6903（2024）05-0004-03

1 软硬交互地层的工程特性

软硬交互地层主要发育于沉积岩和变质岩中，由韵律状沉积的泥岩、砂岩、煤层坚硬程度差异明显的两类或两类以上岩组构成，且多呈互层状分布。根据定义，对于同一土层中相间呈韵律沉积，当薄层与厚层的厚度比大于1/3时，宜定为互层；当厚度比为1/10～1/3时，宜定为“夹层”，当厚度比小于1/10的岩土层，且多次出现时，宜定为“夹薄层”；软硬互层地层通常会出现3种结构：硬岩为主夹软岩结构、软岩为主夹硬岩结构、软硬互层结构[1]。

不同的结构代表着不同的岩层力学性质，因而在开挖时会有不同的变形破坏模式，其中软硬互层结构的变形破坏模式介于前两者之间。软硬互层岩体不同岩层的力学性质不同，在受拉时产生裂隙的时间、程度以及沿着临空面发生的移动量也有所差异。软硬互层地层的地质结构复杂，岩层的层厚、强度、倾角以及施工工况等都将影响边坡的力学性能及破坏特征，这对软硬交互地层边坡的稳定性及治理技术提出了较高要求，需要考虑多种影响因素进行系统分析。

马福荣[2]对南宁盆地软硬水平互层泥岩的物理力学性质、强度特性进行了研究，讨论了互层泥岩强度变化规律与物理力学特性的影响因素。马福荣[3]基于单轴抗压试验和三轴剪切试验，研究了软硬互层泥质岩试样的破坏特征，提出了与均质岩石不同的三种破坏模式：脆性-扩容破坏、扩容-刺入破坏及塑性扩容破坏。

软硬互层岩质边坡的开挖过程实质就是卸荷过程，由于软岩互层的特殊存在，不同的开挖过程对应着不同的卸荷过程，也决定着边坡的破坏特征。

孟欣采用数值试验和数值模拟方法，研究了软硬互层岩体在三轴压缩及卸荷下的破坏过程，分析了开挖前后边坡的应力应变、位移、塑性区等变化情况，计算了软硬互层岩质边坡实际工程在不同工况下的开挖稳定性。边坡的应变主要发生在软岩层内且多集中于开挖扰动区域[4]。边坡的主要位 移为坡脚的水平位移及坡顶的竖向沉降。塑性区及应变均呈现由离新开挖面最近的软岩层坡脚沿一定的弧面向坡顶扩展的分布规律。

2边坡稳定性计算的方法

极限平衡法是工程实践中工程师们常用的一种定量分析方法。首先假设边坡存在潜在滑裂面，然后取破坏面上土体为脱离体，并进行分条和力系简化处理，求出脱离体达到静力平衡时土体所需的抗力与破坏面实际提供的土体抗力值，从而最终求得相应的安全系数。

随着计算理论和精度的不断提高和工程实践的应用，极限平衡法也得到了一些应用。郑颖人[5]在极限平衡解析法的基础上导出了单阶和多阶斜坡的稳定安全系数，提出了各种条分法的统一迭代式公式。张均锋[6]针对边坡稳定分析中的二维Janbu条分法局限性，对三维简化的Janbu法进行了扩展，提出了各条块底滑面的几何特性与受力分析给出其独立的安全系数以及各条块潜在的滑动方向的推断。2005年张均锋[7]基于二维法提出了一种满足所有条块力与力矩平衡的三维极限平衡方法，该法可以解决存在地下水和分层地质条件的土坡稳定问题。在工程实际的计算中，为了简化计算，往往基于极限平衡法，作出如下假设：土体为刚塑性材料，设滑动面上的每个点都是同一个安全系数，不考虑土体的应力应变关系。这样算出来的结论与实际的偏差性有限，也可以用于指导实际施工。

“理正岩土”是北京理正软件公司出品的边坡稳定分析系统软件，是针对铁路、公路路基设计而开发的专业设计软件，目前其计算方法和精度已经得到行业内的认可。该软件选用的计算方法有瑞典条分法、简化Bishop法、JanBu法3种，可通过自动搜索最危险滑动面形状来计算剩余下滑力。

3 边坡概况

某软硬交互地层边坡段长约320 m，位于剥蚀丘陵地貌区，山体自然坡体坡度约10～25°，山顶呈浑圆状，坡底为冲沟，地表高程在92.30～159.50 m，相对高差约68 m。山体表层植被发育，自然斜坡整体稳定性较好。因工程建设需要开挖边坡，坡底标高为123.0 m，最大开挖处边坡高约31.83 m。根据勘察，边坡坡体的地层主要为强风化泥岩、强风化粉砂岩交互出现，下部为褐灰色夹褐黄色强风化泥岩，表层含有少量的硬塑状粉质黏土、全风化泥岩层。区域内岩层产状为250°∠16°。各土层的岩土参数见表1。

4 边坡稳定性分析

4.1 开挖工况

当该边坡开挖后，最大开挖高度约31.83 m，将会形成高边坡，边坡坡体主要由粉质黏土、全-强风化泥岩、强风化粉砂岩组成，属土质边坡。在此选取典型横断面，采用利用理正岩土计算系列软件6.5版简化Janbu法，对开挖后的边坡进行稳定性计算分析。圆弧稳定分析采用自动搜索最危险滑裂面。当土条重切向分力与滑动方向反向时按当下滑力对待，条分法的土条宽度、搜索时的圆心步长及搜索时的半径步长均设置为2 m。在边坡开挖后，边坡高约32.0 m，边坡坡向为166°，坡角约35°。在自然状态下，采用天然状态参数按20°进行预放坡，经验算后为边坡处于不稳定状态，稳定为0.861，未治理前边坡稳定性计算简图如图1。当处于暴雨工况下时，经验算后边坡处于不稳定状态，稳定系数为0.673。

当参照《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）规定及地区经验，考虑右侧边坡拟分四级开挖，自下而上坡率分别为1：1.5、1：1.5、1：1.75、1：2，坡高每隔10 m设置一道边坡平台，平台宽不小于2.0 m。经计算，边坡在自然状态下处于稳定状态，稳定系数为1.767，在饱和状态下在自然状态下处于稳定状态，稳定系数为1.431。 放坡后边坡稳定性计算简图见图2。

按拟定坡率开挖后，在正常工况下坡体安全系数K=1.767＞1.20，满足路基设计规范要求，边坡处于稳定状态；非正常工况Ⅰ下坡体安全系数K=1.431＞1.10，满足规范要求，边坡处于稳定状态。但由于边坡地层主要为粉质黏土、全～强风化泥岩，均为土状、土柱状，其最可能破坏形式为在圆弧滑动破坏。

4.2 稳定性对比分析

通过计算发现，按80°开挖遇见暴雨工况时，边坡的稳定性系数降幅为21.8%。采用分级放坡开挖遇见暴雨工况时，边坡的稳定性系数降幅为20.1%。这主要是由于降雨时雨水大量渗入土体，增加土体自重，大量雨水入渗到表层风化岩体，雨水沿岩石风化裂隙流通，进一步破坏表层岩体的破碎度，并降低其稳定性。

4.3 边坡防护建议

综上定性和定量分析所述，在正常工况下及非正常工况Ⅰ下，左右边坡安全系数均能满足规范要求。但构成边坡地层的粉质黏土、全-强风化泥岩岩石风化强烈，构成坡体的大部分岩体结构已破坏，多呈土状，抗风化和抗冲刷能力均较差，强降雨时，边坡易产生掉块、坍塌、崩塌等变形破坏，水对稳定性的影响较大。

建议左、右两侧边坡作必要的防护工程，尽量利用地形条件适当放缓，在左侧边坡设置挡墙或其他支护结构，在右侧边坡设置锚杆格构梁等支护措施，并对边坡进行喷播绿化防护。边坡开挖应尽量避开雨季施工，施工过程中应严格采用逆作法，并做到“逐级开挖，逐级防护”的要求，要求边坡开挖后尽快完成坡面封闭，坡顶和平台位置处应设置截水沟和平台排水沟。

5 结束语

通过采用理正岩土对某软硬互层边坡的稳定性进行了分析计算，考虑一定放坡的条件下，边坡可处于稳定状态下。在特大暴雨或持续降雨条件下，随着降雨入渗、地下水位抬升，岩土体达到饱和状态，稳定系数显著降低，说明降雨是该类边坡失稳的诱发因素，因此在设计和施工过程中，应特别注意截水和排水设施的配置。

软硬交互地层大多数以泥质岩为主，且形成时间较短，甚至半固结成岩。其性质上接近于土，岩土层试验参数低，且往往具有膨胀性。软硬交互地层的软硬层交界面上的界面力学与传力机制，是影响边坡稳定的重要因素，需作进一步研究。

参考文献

[1] 宋玉环.西南地区软硬互层岩质边坡变形破坏模式及稳定性研究[D].成都：成都理工大学，2011.

[2] 马福荣，张信贵，麻荣广.南宁盆地软硬水平互层泥岩强度特性分析[J].广西大学学报自然科学版，2012，37（1）：147-151.

[3] 马福荣，南宁盆地软硬互层泥质岩的破坏模式及承载特性研究[D].南宁：广西大学，2018.

[4] 孟欣，软硬互层岩质高边坡开挖稳定性分析及治理研究[D].重庆：重庆交通大学，2021.

[5] 郑颖人等，边坡稳定分析的一些进展[J].地下空间，2001，21（4）： 262-271.

[6] 张均锋.三维简化Janbu法分析边坡稳定性的扩展[J].岩石力学与工程学报，2004，23（17）：2876-2881.

[7] 张均锋，丁桦.边坡稳定性分析的三维极限平衡法及应用[J].岩石力学与工程学报，2005，24（3）：365-370.