炭質頁巖軟弱夾層路塹邊坡穩定性分析

劉新喜, 戴毅, 陳向陽, 徐澤佩

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炭質頁巖軟弱夾層路塹邊坡穩定性分析

劉新喜, 戴毅, 陳向陽, 徐澤佩

(長沙理工大學土木與建筑學院, 湖南長沙, 410004)

炭質頁巖遇水軟化易崩解, 且強度低, 作為夾層其軟化特性對邊坡穩定性有重要影響。通過室內試驗研究了炭質頁巖物理力學性質, 運用Ansys建模, 并將模型導入有限差分軟件FLAC 3D, 對炭質頁巖夾層水軟化下的邊坡穩定性進行了數值模擬。重點分析了炭質頁巖水軟化下邊坡塑性區分布、邊坡最大位移及安全系數變化規律。結果表明: 隨著炭質頁巖剪切面含水量的增大, 路塹邊坡穩定性隨之降低; 對于坡比為1∶1的炭質頁巖路塹邊坡, 當炭質頁巖剪切面含水量達到10%時, 邊坡失穩。

炭質頁巖; 夾層; 穩定性分析; 水軟化; 路塹邊坡

廣西宜州至六寨高速公路沿線地質條件復雜, 沿線不良地質條件為炭質頁巖夾層地質。由于炭質頁巖易風化、遇水軟化等特點, 使得含有炭質頁巖軟弱夾層路塹邊坡開挖易發生失穩。學者們從不同角度開展了軟巖邊坡穩定性研究, 取得了許多成果。劉新喜等[1]開展了降雨入滲對炭質頁巖邊坡穩定性的影響研究。陳曉平等[2]針對泥質軟巖高邊坡, 對邊坡在天然狀態、殘余強度狀態、濕化狀態下進行了整體穩定性分析, 表示泥質軟巖邊坡設計與分析必須考慮水的入滲所導致土體強度的衰減。楊天鴻等[3]研究了炭質泥巖泥化夾層的流變特性及其長期強度, 并建立了適合弱層流變特性的流變力學模型。施錫林[4]對不同濃度鹵水浸泡下各類含鹽率泥巖夾層試樣的抗拉強度弱化的影響規律進行了研究。周翠英等[5]對華南地區在不同飽水狀態下紅色砂巖、炭質泥巖進行實驗和力學性質測試, 重點探討了軟巖軟化的力學規律性。唐明明等[6]對比分析了含泥巖夾層鹽巖、純鹽巖、純泥巖3種巖樣的應變和破壞特征, 得出泥巖夾層的存在對鹽巖試件的力學性質有很大影響, 泥巖夾層的情況決定了含夾層鹽巖的破壞形式。左巍然等[7]對炭質頁巖夾層的蠕變變形規律進行了研究, 同時對邊坡穩定性進行了單因素分析。劉長武[8]對泥巖在遇水條件下的崩解軟化機理進行了研究。從以上研究成果來看, 將水軟化作用與邊坡穩定性聯系在一起的研究成果不多見。為此, 本文開展炭質頁巖物理力學性能研究, 重點研究炭質頁巖水軟化強度隨時間的變化及其對邊坡穩定性的影響。

1 炭質頁巖的物理力學性質

1.1 礦物組成與成分分析

為了全面準確地掌握炭質頁巖的物質組成, 對炭質頁巖進行化學組分全分析和礦物分析。試樣取自六寨至河池高速公路沿線K18+500、K20+400和K24+400三個工點。K18+500工點試樣的X射線衍射分析結果如圖1所示, 其中橫坐標表示衍射角度, 縱坐標表示衍射強度。依次做K20+400和K24+400工點試樣的X射線衍射分析, 得到炭質頁巖化學成分組成分布如圖2所示。從圖2可以看出3個工點炭質頁巖的化學成分基本相同, 含量最高的是SiO2, 其次是Al2O3和Fe2O3, 而K2O的含量較少。各工點試樣燒失量均超過10%。由化學成分可以大致推斷炭質頁巖的礦物成分以石英為主, 其次是高嶺石和蒙脫石, 伊利石含量較少。

圖1 K18+500試樣X衍射分析

圖2 化學成分組成分布圖

1.2 水對炭質頁巖強度的影響

將K18+500工點炭質頁巖在室內按土工試驗方法模擬實際3種工況(試驗樣品為重塑樣): (1) 天然干樣無水條件下剪切至破壞; (2) 天然干樣先浸后壓再剪切至破壞; (3) 天然干樣在不同垂直壓力下先壓固結, 再浸水, 最后將其剪切至破壞。試驗結果見表1和圖3, 表1中, 黏聚力cu和內摩擦角cu為采用固結不排水試驗所得的剪應力強度指標。從表1和圖3可知, 干試件固結不排水抗剪強度較大, 但浸水后其值有較大幅度的降低。其中, 先浸水后固結試件的黏聚力下降了24%, 先固結后浸水試件的黏聚力下降達到65%, 說明炭質頁巖強度受水影響較大。

表1 K18+500炭質頁巖抗剪強度

圖3 K18+500剪切儀壓縮試驗結果

1.3 不同含水量炭質頁巖軟弱結構面強度試驗

為了研究炭質頁巖軟弱結構面不同含水量剪切強度的變化, 通過剪切試驗發現, 隨著含水量的增加, 炭質頁巖夾層強度參數值隨之降低(表2)。

表2 炭質頁巖室內試驗結果

2 模型

2.1 概化的工程地質模型

廣西宜州至六寨高速公路某段路塹邊坡, 高度為30 m左右, 大部分為石灰巖, 中間部分為厚度1.5～2.0 m的炭質頁巖層。廣西地處亞熱帶季風氣候, 雨水充沛, 雨水容易入滲使炭質頁巖逐漸軟化, 隨著時間的推移其物理力學性能將發生改變, 造成上部巖體沿該面滑動從而引起工程滑坡。該坡體地下水類型主要為基巖孔隙水。地下水埋藏較深, 因此, 在邊坡穩定性分析中不予考慮。邊坡模型如圖4所示。根據室內巖石力學實驗, 得出炭質頁巖在初始含水量為3.12%時的物理力學參數見表3。

圖4 邊坡模型(單位: m)

表3 邊坡巖體的物理力學參數 材料名稱密度/(kg·m-3)彈性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa內摩擦角/(°) 石灰巖2 64010 0000.261 00029.0 炭質頁巖2 085 2800.32181.521.4

2.2 單元網格的劃分

單元網格的劃分采用三維空間應變有限元模型, 網格密度的控制采用長度來劃分, 本文網格劃分時定義單元線段的長度為1 m。圖5所示為FLAC 3D計算模型, 圖中淺色部分1為石灰巖, 深色部分2為炭質頁巖。一共有6 275個單元, 8352個節點。采用較常用的彈塑性模型, 屈服準則為Mohr-Coulomb準則。

圖5 邊坡網格劃分

2.3 計算原理

強度折減法[9–10]的優點是不需要事先假設滑裂面的形式和位置, 安全系數可以直接求出, 另外還可以考慮邊坡漸進破壞的過程。在彈塑性計算中將巖土體的強度參數逐漸降到巖土工程臨界破壞狀態, 程序可以自動地根據彈塑性計算結果得出滑動破壞面和邊坡的折減系數。折減系數為巖土工程強度儲備安全系數s。若邊坡采用Mohr-Coulomb準則, 影響穩定性的強度參數是黏結力和內摩擦角, 其儲備值分別為:s=/s;s= arctan(tan/s).

3 數值計算結果分析

3.1 炭質頁巖水軟化下邊坡塑性區發展規律

為了清楚地觀察潛在破壞區域的范圍以便分析邊坡塑性區發展變化規律, 本文只觀察炭質頁巖夾層區域中正位于屈服面上或者說正處于破壞狀態時的塑性區域。利用FLAC 3D進行數值分析得到不同含水量的邊坡塑性區分布如圖6所示。

圖6 不同含水量下的邊坡塑性區分布

從圖6可以看出塑性區主要分布于炭質頁巖夾層處。當含水量為3.12%(圖6(a))時邊坡塑性區很小, 只有夾層頂部出現拉伸塑性區域; 當含水量達到5.03%(圖6(b))時出現剪切塑性屈服區, 之后塑性區面積明顯增大; 當含水量為9.05%(圖6(e))時, 塑性區發展到炭質頁巖夾層底部, 塑性區面積迅速增大, 但還未完全貫通; 當含水量為10.46%(圖6(f))時, 炭質頁巖夾層塑性區貫通。因此, 隨著含水量的增加, 邊坡塑性區域慢慢擴大并最終貫通, 從而引發工程滑坡。

3.2 炭質頁巖水軟化下邊坡位移云圖及最大位移值

為了對比分析, 利用FLAC 3D得到不同含水量下邊坡的位移云圖如圖7所示, 炭質頁巖軟化下邊坡位移最大值變化規律如圖8所示。質點運動方向與坐標軸正方向一致時為正, 反之為負。本文所考慮的是對邊坡狀態不利的情況, 因此對位移取絕對值進行分析。

從圖8可以看出, 炭質頁巖含水量在3.12%～6.11%之間時, 邊坡位移值增長比較緩慢, 在炭質頁巖含水量達到6.11%后, 邊坡位移值增幅明顯增大, 隨著炭質頁巖含水量的增加, 邊坡的,方向及整體最大位移值快速增長。

圖8 不同含水量下位移的最大值變化曲線

3.3 炭質頁巖含水量對邊坡穩定性的影響

為了研究炭質頁巖水軟化下對邊坡穩定性的影響, 采用強度折減法對炭質頁巖在不同含水量下的邊坡穩定性進行了計算, 結果見表4。

表4 不同含水量下邊坡安全系數

由表4可以看出, 隨著炭質頁巖含水量增加, 邊坡安全系數不斷減小。若不及時采取措施, 隨著炭質頁巖水軟化, 邊坡穩定性將逐漸降低, 進而失穩。

4 結論

炭質頁巖的水軟化特性非常明顯。通過對強風化炭質頁巖浸水前后強度試驗發現, 炭質頁巖浸水后黏聚力較天然狀態降低24%; 隨著含水量的增加,炭質頁巖軟弱結構面抗剪強度也隨之降低。

炭質頁巖軟弱夾層路塹邊坡的穩定性隨軟弱夾層剪切面含水量的增加而降低。對于坡比1∶1的含有軟弱夾層的路塹邊坡, 當含水量大于9%時, 邊坡處于臨界狀態, 含水量達到10%時邊坡失穩。因此, 降雨入滲是炭質頁巖軟弱夾層邊坡失穩的主要誘因, 做好邊坡防排水是解決軟巖邊坡失穩的關鍵。

參考文獻：

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[2] 陳曉平, 茜平一, 梁志松, 等. 泥質軟巖高邊坡濕化穩定性研究[J]. 巖土工程學報, 2003, 25(5): 543–547.

[3] 楊天鴻, 芮勇勤, 朱萬成, 等. 炭質泥巖泥化夾層的流變特性及長期強度[J]. 實驗力學, 2008, 23(5): 396–402.

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[5] 周翠英, 鄧毅梅, 譚祥韶, 等. 飽水軟巖力學性質軟化的試驗研究與應用[J]. 巖石力學與工程學報, 2005, 24(1): 33–38.

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[9] 郭誠謙. 有軟弱夾層巖體邊坡穩定分析安全系數的確定[J]. 水利水電技術, 1995, 3: 27–30.

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(責任編校: 江河)

Stability analysis of cutting slope with carbonaceous shale weak interlayer

Liu Xinxi, Dai Yi, Chen Xiangyang, Xu Zepei

(School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China)

Carbonaceous shale has the characteristics such as the strength softening and the disintegration after meeting the water, its softening properties have a major impact on slope stability as interlayer. Physical-mechanical properties of carbonaceous shale is studied in this paper by laboratory test, numerical simulation is done for carbonaceous shale slope stability under the water softening by using Ansys to create model then import finite difference software FLAC 3D. The variation of plastic zone distribution of slope, maximum displacement and safety factor of slope are analyzed under carbonaceous shale water softening. The result shows that: The cutting slope stability decreases with the increase of the water content of carbonaceous shale shear plane; slope is instability when the water content of carbonaceous shale shear plane reaches 10% for carbonaceous shale cutting slope of slope ratio of 1:1.

carbonaceous shale; interlayer; stability analysis; water softening; cutting slope

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.04.015

U 416.1+4

1672–6146(2015)04–0069–06

劉新喜, liuxinxi1963@126.com。

2015–07–10

國家自然科學基金(51378082, 51374042)。