GTS的顺层岩质路堑边坡稳定性影响因素及影响规律分析

基于　ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ的顺层岩质路堑边坡　稳定性影响因素及影响规律分析　胡佐平－．牟　锐ｚ　（１．湖州市交通规划设计院，浙江湖州３１３０００；２．中国华西工程设计建设有限公司武汉分公司，湖北武汉４３００７４）　摘要：总结顺层岩质路堑边坡的破坏模式．并利用ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ岩土工程数值分析软件，选取典型的顺层岩质路堑边坡模　型进行详细的数值模拟，得出各岩土参数对顺层岩质路堑边坡稳定性的影响规律，具有一定的工程价值。　关键词：顺层岩质路堑边坡：稳定性：影响因素　中图分类号：Ｕ４１６．１４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—４７８６（２０１０）０９—００１０—０４　ＤＯＩ：１０．３８６９８．ｉｓｓｎ．１００２—４７８６．２０１０．０９．００１　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　Ｆａｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　Ｒｕｌｅｓ　ｏｆ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｂｅｄｄｉｎｇ　Ｒｏｃｋ　Ｃｕｔｔｉｎｇ　Ｓｌｏｐｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ　ＨＵ　Ｚｕｏ－ｐｉｎｇ　．ＭＯＵ　Ｒｕｉ　（１．Ｈｕｚｈｏｕ　Ｔｒａｆｉｃ＆Ｐｌａｎ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｆｉｔｕｔｅ，Ｈｕｚｈｏｕ　３　１　３０００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｉｎａ　Ｈｕａｘｉ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ　Ｂｒａｎｃｈ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｓｕｍｍｉｎｇ　ｕｐ　ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｍｏｄｅｓ　ｏｆ　ｂｅｄｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｓｌｏｐｅ，ｉｔ　ｅｘｅｃｕｔｅｓ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｏ　ａ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｂｅｄｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｓｌｏｐｅ　ｍｏｄｅｌ　ｕｓｉｎｇ　ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ａ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｆｏｒ　ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒ．Ｔｈｕｓ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｒｕｌｅ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｒｏｃｋ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔａ—　ｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｂｅｄｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｓｌｏｐｅ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｖａｌｕｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｅｄｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｓｌｏｐｅ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒ　０　引言　构类型存在着密切的联系，边坡的变形与破坏可概　近年来，随着公路、铁路建设的飞速发展，工　程建设中，由顺层岩质路堑边坡失稳造成的滑坡灾　害越来越多，给工程建设、经济建设和人民生命财　产造成了　大损失。要对潜在的顺层岩质路堑边坡　滑坡灾害进行防治就必须先弄清影响其稳定性的ｌ大Ｊ　素及影响规律，因此，研究顺层岩质路堑边坡稳定　括为多种模式【ｚ１。本文总结出顺层岩质路堑边坡的　几种变形破坏模式．可为顺层岩质路堑边坡稳定性　分析与评价提供依据。　１．１　滑移一拉裂破坏模式　这类变形破坏主要发牛在开挖坡角大于岩层倾　角的缓倾和中等倾角顺层岩质路堑边坡中。斜坡岩　性影响因素及影响规律对我国的道路建设事业有着　非常重要的意义和价值　１　顺层岩质路堑边坡的破坏模式　顺层岩质路堑边坡是指岩面和坡面的走向、倾　向二者产状要素基本相同的层状结构岩体路堑边　体沿下伏软弱层面向临空面方向滑动，并使滑移体　拉裂解体（见图１）。当滑移面向临空面方向的倾角　已足以使上覆岩体的下滑力超过该面的实际抗剪阻　力时，则该面一经揭露临空，一旦后缘拉裂面出现　即会迅速滑落．　．１．２　塑流一拉裂破坏模式　坡ｌＪ】。实践证明，边坡的破坏与其自身岩土体的结　单位为米　①一原地面线；②一变形的坡面或开挖坡面；⑨一页岩夹层（滑移面）　图１滑移一拉裂破坏形态（以自然边坡为例）　这类变形主要发生在开挖坡角大于岩层倾角且　图３　滑移一弯曲变形破坏过程示意图　含有中至厚层软弱基座的水平或缓倾顺层岩质边坡　弯曲剧烈部位往往产生横切板梁的折裂。这类边坡　中。坡体开挖后，下伏软岩在上覆岩层压力作用　的变形发展可划分为如图４所示的几个阶段。　下，产生塑性流动并向开挖面方向挤出，导致上覆　较坚硬的岩层发生拉裂、解体和不均匀沉陷（见图　２）。同时风化作用以及地下水对软弱基座的软化或　溶蚀、潜蚀作用，也是促进这类变形的主要因素。　ｋｌ＿　ｂ）　嗡　ｄ）　图２　朔流一拉裂变形破坏过程示意图　１－３　滑移一弯曲破坏模式　这类变形主要发生在陡倾顺层岩质路堑边坡　中，此时开挖边坡坡角一般与岩层倾角相等。当边　坡的滑移控制面倾角明显大于该面的综合内摩擦角　时，上覆岩体就具备了沿滑移面下滑的条件。但由　于滑移面未临空，使下滑受阻，造成坡角附近顺层　岩板承受纵向压应力，在一定条件下可使之发生弯　曲变形，甚至导致溃屈破坏　。图３为滑移一弯曲变　形破坏过程示意图。　１－４　弯曲～拉裂破坏模式　这类破坏主要发生在岩层倾角很陡的顺层岩质　边坡中。在边坡的前缘，陡倾的板状岩体在自重弯　矩作用下，于前缘开始向临空方向作悬臂梁弯曲，　图５　顺层滑移型破坏过程示意图　并逐渐向坡内发展。弯曲的板梁之间互相错动并伴　以上五种类型的破坏模式中，滑移一拉裂破　有拉裂，形成平行于走向的反坡台阶和槽沟。板梁　坏、滑移一弯曲破坏和顺层滑移型破坏等几种破坏　模式在Ｔ程中比较常见。下而本文以最基本、最简　单的顺层滑移型破坏模式为几何模型，研究顺层岩　质路堑边坡的稳定性影响因素及影响规律。　２　顺层岩质路堑边坡失稳数值模拟　２．１　算例　某顺层岩质路堑边坡坡高为４０ｍ，坡率为１：０．７５，　软弱层倾角为３０。；滑体弹性模量为４　２００ＭＰａ，泊　松比为０．２，容重为１９ｋＮ／ｍ￣，粘聚力为２００ｋＮ／ｍ２．　内摩擦角为３６。：软弱层弹性模量为６０ＭＰａ，泊松　比为０－３．容重为１６ｋＮ／ｍ３，粘聚力为１９ｋＮ／ｍｚ，内　８　边坡ＸＹ方向位移问量　摩擦角为２０。：地基弹性模量为４　６００ＭＰａ．泊松比　为０．２，容重为２１ｋＮ／ｍ　，粘聚力为３５０ｋＮ／ｍ　。内摩　擦角为３７。。软弱层厚２ｍ，位于边坡中部．距坡顶　２０ｍ．　几何模型见图６　如滑体弹性模量、滑体内聚力ｃ值和内摩擦角　值、　地基弹性模量、地基内聚力ｃ值和内摩擦角　值及泊　松比等参数对边坡稳定性的影响不明显，不起控制　作用。这六个参数对顺层岩质路堑边坡稳定性的影　Ⅱ向曲线见图９～图１４　其中，考虑到岩质边坡的复杂性，滑体容重　软弱层弹性模量　对顺层岩质路堑边坡稳定性　影响曲线是从边坡失稳临界位移的角度考虑的，这　样能从另一个角度来看顺层岩质路堑边坡的稳定　３　１　◆　２．６　６　顺层岩质路堑边坡简化几伺模型　屯　｜　数值分析时边坡的支承情况为：左右两边界水　平方向约束，底部边界水平和竖直两个方向约束，　其他为自由边界。计算得ｆＨ，安全系数为１．０１２　５，　裂　．　ｌ　１　＼１５　２０　　、　２５　３Ｏ　｜　／　◆　３５　４０　４５　５０　０　６　ｙ方向（　为水平方向，ｙ为竖直方向）位移云图见　图７，位移向量图见图８。　岩层倾向０（。）　图９　安全系数　层倾角＿天系曲线　＼　天＼　◆　＿　３９　９　６７　７　９９　８　１３８．２　ｌ８５　５　２４６　３　３２８．７　４４９．３　６４６．３　滑体体积　（ｍ３／ｍ）　图ｌＯ　安全系数与滑体体积关系曲线　图７　边坡　，，方向位移云图　ｌ　４　２．２　数值计算结果分析　Ｉ　２　／　合理调整边坡岩土体的各种参数，能够得到相　应的边坡安全系数。通过大量的数值计算，发现边　坡模型的所有参数中，除滑体容重　，、滑体体积　剞　Ｏ　８　／　．　０　６　，＇ｒ　／　内聚力ｃ（ｋＰａ）　软弱层倾角０、软弱层弹性模量　、软弱层粘　０　４　８　１２　１６　２０　２４　２８　３２　３６　４０　４４　４８　５２　５６　６０　聚力　和软弱层内摩擦角　。等六个参数外，其他诸　图ｌＩ　安全系数与结构而内聚力的关系曲线　ｋ籁帐剞　ｉ　３．３　滑体体积　和滑体容重Ｈｒ对顺层岩质路堑边　坡的稳定性也有较大影响，其影响机理基本相同。　＇　由于顺层岩质路堑边坡的失稳滑动一般都是滑体沿　尹　着软弱结构面的滑动．因而滑动体的重力Ｇ就是影　响边坡失稳的关键参数，而滑体重力Ｇ正是由滑体　０　８　１２　ｌ６　２Ｏ　２４　２８　３２　３６　４０　４４　５２　６Ｏ　６８　体积　和滑体容重　决定的，二者的值越大则说明　内摩擦角　（。）　滑体越重，也就越容易失稳滑动形成滑坡。　图１２　安全系数与结构面内摩擦角的关系曲线　３．４　层间软弱结构面的强度越高．则顺层岩质路　堑边坡的稳定性越好。其中，安全系数与结构面的　ｊ　，　内聚力基本上保持线性关系，当结构面的内摩擦角　／　－一一一’＼／　较小时，安全系数随之增大得不明显，但当内摩擦　／　角较大时，安全系数随着内摩擦角的增大而明显增　／　大。这就表明，顺层岩质路堑边坡的稳定性与软弱　／一　结构面的强度有非常密切的关系。结构面和软弱夹　层的抗剪强度参数ｃ、　值越高，则构成沿层面的抗　２０　２１　滑体容重（ｋＮ／ｍ　）　滑力越大，边坡的稳定性就越好，反之，则边坡的　图１３　滑体容重对临界位移的影响曲线　稳定性就越差。　０　７　３．５　软弱层的弹性模量Ｒ　对顺层岩质路堑边坡临　Ｏ　６　｛　界位移的影响较大，故它与坡体的稳定性也密切相　三‘　　关。弹性模量是直接与应变相关的一个量，而软弱　０．４　ｌ０．３　层的存在是顺层岩质路堑边坡失稳的最主要因素．　０．２　、　因此．软弱层的弹性模量就直接影响滑坡体的变　０．１　—、　一．　形。软弱层的弹性模量越大，则边坡变形量就越　０　Ｕ　４Ｕ　ＯＵ　Ｕ　ｌＵＵ　ｌ２Ｕ　小，坡体就越稳定，反之则边坡变形量越大，越容　软弱层弹模（ＭＰａ）　易失稳滑动。　图ｌ４　软弱层弹模对临界位移的影响曲线　参考文献　性。曲线的得　方法是通过调整参数，使数值计算　［１］李云鹏，杨治林，王芝银．顺层边坡岩体结构　的安全系数为１（临界状态），此时的边坡最大位移　稳定性位移理论『Ｊ］．岩石力学与丁程学报，２０００，　即是坡体特征点的临界位移。　１９（６）：７４７—７５０．　３　结论　［２］张悼元，王士天，王兰生．工程地质分析原理　通过对典型顺层岩质路堑边坡模型的详细数值　ｆＭ】．北京：地质出版社，１９９４．　分析，可以得出以下结论。　【３］黄洪波，符文熹，岳尚全，等．层状岩质边坡　３．１　影响边坡稳定性和临界位移的因素主要有六　的屈曲破坏分析『Ｊ］．山地学报，２００３，２１（１）：９６—　个：软弱层倾角　、滑体体积日　、滑体容重　、软　１００．　弱层弹性模量尺　软弱层粘聚力Ｒ。和软弱层内摩擦　Ｉ４］Ｍ　Ｍｉｎｓｋｙ，Ｓ　Ｐａｐｅｒｔ．Ｐｅｒｃｅｐｔｒｏｎｓ［Ｍ］．Ｂｏｓｔｏｎ：ＭＩＴ　角　。　Ｐｒｅｓｓ，１９６９．　３．２　岩层（软弱层）倾角　对顺层岩质路堑边坡的稳　［５】陈静曦，章光，等．顺层滑移路堑边坡的分析　定性影响较大，而且规律性较强。对于按常规坡率　和治理【Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００２，２１（１）：　设计的路堑边坡，当顺层岩层的倾角很小或很大　４８－５１　时，边坡一般很稳定而不发生顺层滑坡（大于４７。或　小于１５。的边坡稳定性良好）；但当顺层岩层的倾角　为４０。左有时，则发生顺层滑动的几率非常高。　收稿日期：２００９—１２－Ｏ１