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(1.长安大学 地质工程与测绘学院，西安 710054；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 研究背景

单面山又称半屏山，是由单斜岩层构成的一边极斜一边极缓的山。较缓侧的坡度常与岩层倾向一致，而另一侧的斜坡与层面近似垂直[1]。硅质岩在广西广泛分布，多呈层状，岩石硬度大，但较脆易裂，节理发育[2]。硅质岩单面山为坡度25°～45°的单斜山体(图1(a))，硅质岩表层光滑如镜(图1(b))，岩体坚硬难以破碎，而在开挖后的岩体却呈现一种锯齿状破碎现象，且层间的裂隙十分发育，我国中西部地区山区分布广泛，随着山区公路、铁路的建设，不可避免地进行边坡的开挖，而层状岩质边坡是在建设工程中常常遇到的类型。

(a) 单面山

(b)硅质岩光滑平直的层面图1 硅质岩单面山Fig.1 Silica stone cuesta slope

以往对于硅质岩的研究主要集中在沉积环境、化学成分及其分布[3-6]。对于硅质岩的力学性质的研究，黄宇[7]通过对资兴高速硅质岩的室内试验，得到了硅质岩的强度参数；玉华柱[8]对百色水利枢纽左岸的硅质岩边坡进行调查，得到该处硅质岩具有硬、脆、碎的特点，短小节理发育。顺层边坡的破坏与失稳是岩土工程重大灾害之一，研究其破坏类型，机制及稳定性具有现实意义[9]。总结顺层边坡的变形破坏模式为蠕滑—拉裂、滑移—压致拉裂、滑移—拉裂、滑移—弯曲等[10]。胡启军[11]认为顺层滑坡失稳与破坏机理一般为滑移拉裂破坏与溃屈破坏，其中滑移拉裂破坏一般见于开挖的人工边坡，而溃屈破坏一般发生在自然边坡中；邓荣贵等[12]结合重庆—怀化铁路的论证设计，探讨了缓倾角和中等倾角顺层岩质路堑边坡失稳范围的计算；郑立宁[13]对影响顺层边坡手段局部破坏范围的因子进行敏感度分析，结合国内已破坏顺层边坡数据样本的修正，建立了顺层边坡首段局部破坏范围计算公式及计算步骤。

对于坡体破坏的模拟方法，强度折减法应用广泛且结果可靠，如林杭等[14]运用FLAC3D采用强度折减法模拟坡体的破坏模式，在坡角不变的情况下，得到水平层状边坡坡顶变形破坏早于坡面和坡脚；当结构面倾角较小时，顺倾向层状边坡主要发生滑移破坏；当结构面倾角较大时，发生弯折—溃曲破坏。郑志勇等[15]采用强度折减法研究了软硬互层边坡在不同岩层厚度、不同倾角下的破坏模式和稳定性。张社荣等[16]通过使用Sarma法和强度折减法对层状岩质边坡进行计算，得出二者结果总体相差不大，安全系数与变化规律基本相同，表明使用强度折减法进行岩质边坡的计算是可靠的。

对于影响边坡稳定性的因素分析，龚文惠等[17]对顺层岩体路堑边坡在开挖过程不同阶段的应力、变形、结构面上的摩擦力和边坡的稳定性等进行了模拟，发现它们明显受开挖效应的影响，边坡的安全系数也随着开挖阶段的深入而逐渐降低；夏开宗等[18]针对沪蓉国道顺层软硬岩互层边坡，发现层面倾角和软弱层面的强度对稳定性起控制作用；程东幸等[19]针对广西龙滩水电站左岸边坡的岩体参数对反倾岩质边坡的影响因素进行了多工况分析，得到了反倾坡角的优势范围。

在现有研究中，大多为分别对顺层边坡与反倾边坡的破坏模式、破坏条件等方面的研究，对于含软弱夹层的岩质单面山的破坏模式及施工条件对于坡体稳定性及破坏模式影响的研究少有涉及。本文以广西资兴高速硅质岩单面山路堑边坡为研究对象，先通过单轴压缩变形试验、抗拉强度试验及直接剪切试验得到硅质岩的物理力学参数，为评价坡体的稳定性及设计合理的治理措施提供依据；然后使用MIDAS GTS NX软件采用强度折减法(SRM)，通过对比边坡坡角、结构面间距、开挖坡率及平台宽度4个因素的影响进行硅质岩单面山路堑边坡的稳定性影响因素分析，以期将结论应用于其他硬质岩单面山边坡的稳定性评价及支护结构设计中。

2 资兴高速硅质岩边坡的破坏

资(源)—兴(安)高速是国家高速公路网中安(康)—北(海)高速公路的组成部分，也是《广西高速公路网规划修编》中新增纵2线资源(梅溪)—铁山港的一个重要路段。路线所处区域属山岭地貌区，区域内主要的山脉长达40 km以上，以中山或低中山地貌为主，其中梅溪往南至资源为单面山地貌。研究区位于江南地轴南缘与湘桂褶皱带交汇处，为扬子准地台和南华准地台的过渡地带，路线区域内形成的褶皱和断裂展布基本呈北北东向构造，研究区附近发育资兴断裂，产状为294°∠20°，为低角度正断层，与线路走向基本一致。根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)，研究区所在区域地震动峰值加速度<0.05g，相应地震基本烈度小于Ⅵ度。

由于硅质岩的强度较高，受水后变化小，在一般无贯通的软弱带或软层受压紧密不易滑动的条件下，不易发生大规模边坡失稳破坏。但是由于路堑边坡的开挖，既形成了临空面，又将结构面暴露出来。根据对现场的调查，发现硅质岩单面山路堑边坡的破坏模式主要为滑移—拉裂破坏和受控于结构面组合形成楔形滑块及追踪节理形成阶梯状滑面。

(1)滑移—拉裂破坏。在路堑边坡开挖过程中，岩体内原有的应力及应变发生变化，由于开挖形成临空面，岩体在自重应力的作用下沿层面向临空面方向滑移，随着位移量的不断增加，岩体逐渐拉裂解体，拉裂面一旦贯通就会迅速滑落。

(2)楔形或阶梯状顺层破坏。坡体中发育有2组以上产状相对固定的结构面时，层面与结构面的组合方式控制着坡体的破坏模式，一般取决于产状较为不利的优势节理，常组合形成楔形滑块或追踪节理形成阶梯状滑面。

根据调查，发现硅质岩单面山的坡角为20°～45°，层间结构面较软弱，且不同层厚的边坡发生失稳破坏的现象也不同，说明硅质岩单面山路堑边坡的稳定性受到多个因素的影响。

3 边坡稳定性影响因素的数值模拟

3.1 模型建立及边界条件

研究区在广西壮族自治区桂林市资源县境内，路线穿越鸭子头河东岸的斜坡地带(110°42′33.91″E，26°06′29.23″N)，植被发育，低山地貌，路堑边坡高程495～548 m，相对高差约53 m，地形为单面山。坡体在纵向上呈直线型，坡度总体约为30°。根据现场调查，坡体上部为约0.4 m厚的坡积物，褐黄色，土质不均，含砾石约25%，硬塑；下部为硅质岩，青灰色，岩石坚硬，节理裂隙发育，以张开为主，中风化。研究区地下水类型主要有孔隙水及基岩裂隙水，其中孔隙水主要分布在坡积层中，基岩裂隙水主要分布于硅质岩裂隙中，硅质岩裂隙多以张开为主，有利于大气降水的补给。

模型以上述边坡为例(图2)，按弹性平面应变问题考虑，左右两侧边界至两侧开挖坡脚的距离均取1.5H(H为坡底向下延伸深度，本次模拟取50 m)，坡顶部到底部边界的距离为2H；反倾坡的坡度取为50°，计算中不考虑地应力的影响，仅认为受自重应力作用，并且不考虑地下水及地表水渗流的影响。为了突出研究边坡开挖时的变形全过程，模型中的边界采用铰接约束，即左右边界无水平位移、底边界无竖向位移。每级开挖高度为0.2H，从上至下共开挖5级，在计算不同开挖顺序的过程中，均将未开挖时的边坡位移清零，然后再进行不同开挖工况的计算。计算模型中，a为开挖平台宽度；β为顺向坡的坡角；h为结构面间距；L为顺向坡和逆向坡坡顶之间的距离；1∶m和1∶n为左、右两侧开挖边坡的坡率。

图2 计算模型Fig.2 Calculation model

3.2 物理力学参数

为了研究硅质岩的物理力学性质，在广西资兴高速K21+700—K21+800处取样，现场选取大直径钻孔岩心，封装后运至实验室，再分别按照各试验要求加工成规定尺寸。进行了压缩变形试验，得到的结果如表1所示。

表1 单轴压缩试验结果Table 1 Result of uniaxial compression test

以试样Y-1为代表的硅质岩单轴压缩应力-应变曲线为典型的屈服后应变硬化式(图3)，即在非稳定破裂发展阶段先出现“平台”，屈服过后，应力继续增长，表现为应变硬化，硬化后达到最大的轴向承载力，但是硬化的过程中岩块的弹性模量明显低于弹性破裂阶段(斜率变缓)。这一现象出现的原因是在稳定破裂阶段岩块内已经出现了大量的裂隙损伤，而在硬化阶段岩块内发生竖向劈裂式破坏。在现场观察到的岩体开挖后也产生脆性破坏，产生近于贯穿的裂隙，裂隙的方向与室内试验一致。

图3 试样Y-1单轴压缩应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curve of specimen Y-1 under uniaxial compression

采用改进的Hoek-Brown强度准则，将试验得到的岩块强度转化为数值模拟中采用的岩体力学参数。

根据1992年Hoek对Hoek-Brown强度准则的改进，得到广义H-B岩体强度准则，其表达式为[20]

(1)

式中：σc为岩块单轴抗压强度；mb，s，a为反映岩体特征的经验参数，其中，mb和a为针对不同岩体的经验参数，s反映岩体破碎程度，取值范围0～1。

Hoek和Brown结合地质强度指标(GSI)提出了岩体参数mb，s，a的取值方法,即

(2)

因此，当σ3=0时，可导出弱化后的岩体单轴抗压强度σmc为

(3)

当σ1=0时，可导出弱化后的岩体单轴抗拉强度σmt为

(4)

根据岩块强度的直线型包络线(图4)，可求得岩块各参数间的关系为

(5)

式中c和φ为岩块的抗剪强度参数。

图4 直线型莫尔强度包络线Fig.4 Linear Mohr strength envelope

简化后可得

σ3tan2(45°+φ/2)+2ctan(45°+φ/2)。

(6)

因此，可进一步推导，得出：

(7)

σt=σctan2(45°-φ/2) 。

(8)

根据式(3)—式(8)得到弱化后的岩体单轴抗压强度及抗拉强度，岩体黏聚力cm和摩擦角φm分别为：

根据上述改进的Hoek-Brown强度准则并结合文献[21-22]得到的物理力学计算参数结果见表2。

表2 物理力学计算参数Table 2 Physical and mechanical parameters

3.3 计算工况

根据对资兴高速单面山边坡的调查，岩层的倾角均处于20°～45°，考虑不同结构面间距、平台宽度等因素对路堑边坡稳定性的影响，采用计算工况如表3所示。

表3 计算工况统计Table 3 Calculation conditions

4 结果分析

4.1 边坡坡角影响分析

由图5可看出，在施工过程的每一阶段坡角与坡体稳定性均呈反相关。对于坡体的破坏模式，工况1和工况2在开挖第一级时坡体的位移集中在反向坡处，在开挖第二阶段后才过渡为坡体沿软弱夹层的顺层滑动。这是因为开挖第一级平台时还未完全揭露软弱夹层，坡体的安全系数并未有明显的减小，且工况1在五级都开挖后坡体的安全系数为1.175，坡体仍处于稳定状态；工况2坡体的位移分布与工况1类似，但在开挖第三级平台后坡体就处于欠稳定状态。对于工况6，在第四级平台开挖之前边坡均处于稳定状态，开挖第四级平台后，坡体沿着软弱夹层发生了滑动，说明控制坡体稳定性的因素还有揭露软弱夹层的情况，导致坡体发生破坏的原因不在于岩体的强度，而是在于软弱夹层是否被揭露。

图5 不同坡角的边坡稳定性与开挖步骤的关系曲线Fig.5 Relationship between slope stability and slope angle in different excavation stages

4.2 结构面间距影响分析

根据图6可知，当结构面间距比较小，即岩层比较薄时，层间错动更容易造成岩层本身出现开裂或剪断，因此薄层的顺层边坡更易于失稳。由图6(a)可看出:坡角较大、结构面间距也大时，稳定性反而小，但是二者的安全系数的差异很小；由图6(b)可看出:坡角较小、结构面间距较大时，安全系数较大。因此，虽然结构面的间距对于坡体稳定性有一定的影响，但是坡体的安全系数差别不大，说明结构面间距对坡体稳定性的影响并非起控制作用。

图6 不同结构面间距的边坡稳定性与开挖步骤的关系曲线Fig.6 Relationship between slope stability and discontinuities spacing in different excavation stages

4.3 开挖坡率影响分析

由图7可看出，虽然在开挖第一级和开挖第五级阶段不同开挖坡率的坡体的安全系数是相近的，且在位移云图中每一阶段二者位移集中位置也是相近的，但在中间的几个阶段中开挖坡率越缓，坡体的稳定性越好，且较缓的坡率可以延迟坡体安全系数快速下降。说明开挖坡率越缓，对于坡体的稳定性越有利。

图7 不同开挖坡率的边坡稳定性与开挖步骤的关系曲线Fig.7 Relationship between slope stability and cutting slope ratio in different excavation stages

4.4 平台宽度影响分析

由图8可知，平台宽度越大，相应阶段坡体的稳定性越好，且在坡角较大时，如图8(b)所示，不同平台宽度的坡体的安全系数差异较大，表现得更加明显。说明坡度越陡，越能体现宽平台的作用。宽平台的存在将边坡整体失稳转化为被宽平台分割块体的局部失稳，体现了宽平台的分解效应。

图8 不同平台宽度的边坡稳定性与开挖步骤的关系曲线Fig.8 Relationship between slope stability and platform width in different excavation stages

5 结 论

通过现场调查,结合室内单轴压缩试验、单轴拉伸试验及直接剪切试验，对硅质岩路堑边坡的变形破坏特征进行探讨，并通过数值模拟，分析了影响单面山路堑边坡稳定性的因素，主要得出如下结论：

(1)由于硅质岩的强度较高，受水后变化小，在一般无贯通的软弱带或软层受压紧密不易滑动的条件下，不易发生大规模边坡失稳破坏。但是由于路堑边坡的开挖，硅质岩单面山路堑边坡的破坏模式主要为滑移-拉裂破坏和受控于结构面组合形成滑块及追踪节理形成阶梯状滑面。

(2)坡角的大小对于坡体的稳定性起到控制作用。坡度越缓，安全系数越高，在每一阶段均如此。结构面间距对于坡体稳定性有一定的影响，但是坡体的安全系数差别不大。开挖坡率越缓，坡体的稳定性越大，且较缓的坡率可以延迟坡体安全系数快速下降。宽平台的存在将边坡整体失稳转化为被宽平台分割块体的局部失稳，体现了宽平台的分解效应，并且坡角越大这一作用越明显，可是会增大坡顶后退的距离，从而导致征地面积的增加。

(3)硅质岩的应力-应变曲线为屈服后应变硬化式，稳定破裂阶段岩块内出现了大量的裂隙损伤，而在硬化阶段岩块内发生竖向劈裂式破坏；虽然岩层的厚度对坡体的安全系数影响不大，但不同的结构面组合可能导致路堑边坡不同的破坏模式。这两点可能导致实际工程中的路堑边坡破坏形式的差异。

综上所述，边坡坡角对于坡体的稳定性影响最大，其次为开挖坡率，结构面间距及平台宽度都有一定的作用。但由于硅质岩的特殊破坏形式及单面山路堑边坡不同的破坏模式，硅质岩单面山路堑边坡的稳定性评价是一个非常复杂的问题,受到多个因素的影响，因此评价其稳定性需要综合考虑各个因素的作用。