刘新喜, 戴毅, 陈向阳, 徐泽佩



炭质页岩软弱夹层路堑边坡稳定性分析

刘新喜, 戴毅, 陈向阳, 徐泽佩

(长沙理工大学土木与建筑学院, 湖南长沙, 410004)

炭质页岩遇水软化易崩解, 且强度低, 作为夹层其软化特性对边坡稳定性有重要影响。通过室内试验研究了炭质页岩物理力学性质, 运用Ansys建模, 并将模型导入有限差分软件FLAC 3D, 对炭质页岩夹层水软化下的边坡稳定性进行了数值模拟。重点分析了炭质页岩水软化下边坡塑性区分布、边坡最大位移及安全系数变化规律。结果表明: 随着炭质页岩剪切面含水量的增大, 路堑边坡稳定性随之降低; 对于坡比为1∶1的炭质页岩路堑边坡, 当炭质页岩剪切面含水量达到10%时, 边坡失稳。

炭质页岩; 夹层; 稳定性分析; 水软化; 路堑边坡

广西宜州至六寨高速公路沿线地质条件复杂, 沿线不良地质条件为炭质页岩夹层地质。由于炭质页岩易风化、遇水软化等特点, 使得含有炭质页岩软弱夹层路堑边坡开挖易发生失稳。学者们从不同角度开展了软岩边坡稳定性研究, 取得了许多成果。刘新喜等[1]开展了降雨入渗对炭质页岩边坡稳定性的影响研究。陈晓平等[2]针对泥质软岩高边坡, 对边坡在天然状态、残余强度状态、湿化状态下进行了整体稳定性分析, 表示泥质软岩边坡设计与分析必须考虑水的入渗所导致土体强度的衰减。杨天鸿等[3]研究了炭质泥岩泥化夹层的流变特性及其长期强度, 并建立了适合弱层流变特性的流变力学模型。施锡林[4]对不同浓度卤水浸泡下各类含盐率泥岩夹层试样的抗拉强度弱化的影响规律进行了研究。周翠英等[5]对华南地区在不同饱水状态下红色砂岩、炭质泥岩进行实验和力学性质测试, 重点探讨了软岩软化的力学规律性。唐明明等[6]对比分析了含泥岩夹层盐岩、纯盐岩、纯泥岩3种岩样的应变和破坏特征, 得出泥岩夹层的存在对盐岩试件的力学性质有很大影响, 泥岩夹层的情况决定了含夹层盐岩的破坏形式。左巍然等[7]对炭质页岩夹层的蠕变变形规律进行了研究, 同时对边坡稳定性进行了单因素分析。刘长武[8]对泥岩在遇水条件下的崩解软化机理进行了研究。从以上研究成果来看, 将水软化作用与边坡稳定性联系在一起的研究成果不多见。为此, 本文开展炭质页岩物理力学性能研究, 重点研究炭质页岩水软化强度随时间的变化及其对边坡稳定性的影响。

1 炭质页岩的物理力学性质

1.1 矿物组成与成分分析

为了全面准确地掌握炭质页岩的物质组成, 对炭质页岩进行化学组分全分析和矿物分析。试样取自六寨至河池高速公路沿线K18+500、K20+400和K24+400三个工点。K18+500工点试样的X射线衍射分析结果如图1所示, 其中横坐标表示衍射角度, 纵坐标表示衍射强度。依次做K20+400和K24+400工点试样的X射线衍射分析, 得到炭质页岩化学成分组成分布如图2所示。从图2可以看出3个工点炭质页岩的化学成分基本相同, 含量最高的是SiO2, 其次是Al2O3和Fe2O3, 而K2O的含量较少。各工点试样烧失量均超过10%。由化学成分可以大致推断炭质页岩的矿物成分以石英为主, 其次是高岭石和蒙脱石, 伊利石含量较少。

图1 K18+500试样X衍射分析

图2 化学成分组成分布图

1.2 水对炭质页岩强度的影响

将K18+500工点炭质页岩在室内按土工试验方法模拟实际3种工况(试验样品为重塑样): (1) 天然干样无水条件下剪切至破坏; (2) 天然干样先浸后压再剪切至破坏; (3) 天然干样在不同垂直压力下先压固结, 再浸水, 最后将其剪切至破坏。试验结果见表1和图3, 表1中, 黏聚力cu和内摩擦角cu为采用固结不排水试验所得的剪应力强度指标。从表1和图3可知, 干试件固结不排水抗剪强度较大, 但浸水后其值有较大幅度的降低。其中, 先浸水后固结试件的黏聚力下降了24%, 先固结后浸水试件的黏聚力下降达到65%, 说明炭质页岩强度受水影响较大。

表1 K18+500炭质页岩抗剪强度

图3 K18+500剪切仪压缩试验结果

1.3 不同含水量炭质页岩软弱结构面强度试验

为了研究炭质页岩软弱结构面不同含水量剪切强度的变化, 通过剪切试验发现, 随着含水量的增加, 炭质页岩夹层强度参数值随之降低(表2)。

表2 炭质页岩室内试验结果

2 模型

2.1 概化的工程地质模型

广西宜州至六寨高速公路某段路堑边坡, 高度为30 m左右, 大部分为石灰岩, 中间部分为厚度1.5～2.0 m的炭质页岩层。广西地处亚热带季风气候, 雨水充沛, 雨水容易入渗使炭质页岩逐渐软化, 随着时间的推移其物理力学性能将发生改变, 造成上部岩体沿该面滑动从而引起工程滑坡。该坡体地下水类型主要为基岩孔隙水。地下水埋藏较深, 因此, 在边坡稳定性分析中不予考虑。边坡模型如图4所示。根据室内岩石力学实验, 得出炭质页岩在初始含水量为3.12%时的物理力学参数见表3。

图4 边坡模型(单位: m)

表3 边坡岩体的物理力学参数 材料名称密度/(kg·m-3)弹性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/(°) 石灰岩2 64010 0000.261 00029.0 炭质页岩2 085 2800.32181.521.4

2.2 单元网格的划分

单元网格的划分采用三维空间应变有限元模型, 网格密度的控制采用长度来划分, 本文网格划分时定义单元线段的长度为1 m。图5所示为FLAC 3D计算模型, 图中浅色部分1为石灰岩, 深色部分2为炭质页岩。一共有6 275个单元, 8352个节点。采用较常用的弹塑性模型, 屈服准则为Mohr-Coulomb准则。

图5 边坡网格划分

2.3 计算原理

强度折减法[9–10]的优点是不需要事先假设滑裂面的形式和位置, 安全系数可以直接求出, 另外还可以考虑边坡渐进破坏的过程。在弹塑性计算中将岩土体的强度参数逐渐降到岩土工程临界破坏状态, 程序可以自动地根据弹塑性计算结果得出滑动破坏面和边坡的折减系数。折减系数为岩土工程强度储备安全系数s。若边坡采用Mohr-Coulomb准则, 影响稳定性的强度参数是黏结力和内摩擦角, 其储备值分别为:s=/s;s= arctan(tan/s).

3 数值计算结果分析

3.1 炭质页岩水软化下边坡塑性区发展规律

为了清楚地观察潜在破坏区域的范围以便分析边坡塑性区发展变化规律, 本文只观察炭质页岩夹层区域中正位于屈服面上或者说正处于破坏状态时的塑性区域。利用FLAC 3D进行数值分析得到不同含水量的边坡塑性区分布如图6所示。

图6 不同含水量下的边坡塑性区分布

从图6可以看出塑性区主要分布于炭质页岩夹层处。当含水量为3.12%(图6(a))时边坡塑性区很小, 只有夹层顶部出现拉伸塑性区域; 当含水量达到5.03%(图6(b))时出现剪切塑性屈服区, 之后塑性区面积明显增大; 当含水量为9.05%(图6(e))时, 塑性区发展到炭质页岩夹层底部, 塑性区面积迅速增大, 但还未完全贯通; 当含水量为10.46%(图6(f))时, 炭质页岩夹层塑性区贯通。因此, 随着含水量的增加, 边坡塑性区域慢慢扩大并最终贯通, 从而引发工程滑坡。

3.2 炭质页岩水软化下边坡位移云图及最大位移值

为了对比分析, 利用FLAC 3D得到不同含水量下边坡的位移云图如图7所示, 炭质页岩软化下边坡位移最大值变化规律如图8所示。质点运动方向与坐标轴正方向一致时为正, 反之为负。本文所考虑的是对边坡状态不利的情况, 因此对位移取绝对值进行分析。

从图8可以看出, 炭质页岩含水量在3.12%～6.11%之间时, 边坡位移值增长比较缓慢, 在炭质页岩含水量达到6.11%后, 边坡位移值增幅明显增大, 随着炭质页岩含水量的增加, 边坡的,方向及整体最大位移值快速增长。

图8 不同含水量下位移的最大值变化曲线

3.3 炭质页岩含水量对边坡稳定性的影响

为了研究炭质页岩水软化下对边坡稳定性的影响, 采用强度折减法对炭质页岩在不同含水量下的边坡稳定性进行了计算, 结果见表4。

表4 不同含水量下边坡安全系数

由表4可以看出, 随着炭质页岩含水量增加, 边坡安全系数不断减小。若不及时采取措施, 随着炭质页岩水软化, 边坡稳定性将逐渐降低, 进而失稳。

4 结论

炭质页岩的水软化特性非常明显。通过对强风化炭质页岩浸水前后强度试验发现, 炭质页岩浸水后黏聚力较天然状态降低24%; 随着含水量的增加,炭质页岩软弱结构面抗剪强度也随之降低。

炭质页岩软弱夹层路堑边坡的稳定性随软弱夹层剪切面含水量的增加而降低。对于坡比1∶1的含有软弱夹层的路堑边坡, 当含水量大于9%时, 边坡处于临界状态, 含水量达到10%时边坡失稳。因此, 降雨入渗是炭质页岩软弱夹层边坡失稳的主要诱因, 做好边坡防排水是解决软岩边坡失稳的关键。

参考文献：

[1] 刘新喜, 夏元友, 蔡俊杰, 等. 降雨入渗下强风化软岩高填方路堤边坡稳定性研究[J]. 岩土力学, 2007, 28(8): 1705–1 709.

[2] 陈晓平, 茜平一, 梁志松, 等. 泥质软岩高边坡湿化稳定性研究[J]. 岩土工程学报, 2003, 25(5): 543–547.

[3] 杨天鸿, 芮勇勤, 朱万成, 等. 炭质泥岩泥化夹层的流变特性及长期强度[J]. 实验力学, 2008, 23(5): 396–402.

[4] 施锡林, 李银平, 杨春和, 等. 卤水浸泡对泥质夹层抗拉强度影响的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(11): 2301–2 308.

[5] 周翠英, 邓毅梅, 谭祥韶, 等. 饱水软岩力学性质软化的试验研究与应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(1): 33–38.

[6] 唐明明, 王芝银, 丁国生. 淮安盐岩及含泥质夹层盐岩应变全过程试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(1): 2712–2 719.

[7] 左巍然, 刘平. 炭质页岩蠕变特性及软弱夹层边坡稳定性分析[J]. 湖南交通科技, 2014, 40(3): 1–4.

[8] 刘长武, 陆士良. 泥岩遇水崩解软化机理的研究[J]. 岩土力学, 2000, 21(1): 28–31.

[9] 郭诚谦. 有软弱夹层岩体边坡稳定分析安全系数的确定[J]. 水利水电技术, 1995, 3: 27–30.

[10] 陈新泽, 唐辉明, 杨有成, 等. 基于FLAC 3D强度折减法滑坡三维稳定性研究[J]. 水文地质工程地质, 2008, 17(2): 24–28.

(责任编校: 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

刘新喜, liuxinxi1963@126.com。

2015–07–10

国家自然科学基金(51378082, 51374042)。