张庆飞，冯宇凇，吕改杰，席英伟

(1.四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017；2.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 611756； 3.四川省生态环境监测总站，四川 成都 610091)

1 概述

由砂泥岩互层组成的高边坡在我国西南地区分布广泛。在地表自然风化与人类工程开挖影响下，泥岩常作为高边坡中的软弱夹层，对于边坡稳定性与演化机制起着重要控制作用[1-2]，其中软弱夹层的物质组分与其物理特征和工程性质紧密关联[3]，尤其在长期重力和工程扰动的共同作用下，对于工程建设与运营安全具有潜在的威胁。对于高陡顺层边坡失稳机制研究前人已积累较丰富的成果，在泥岩与砂岩互层的顺层岩质边坡这类边坡，刘小丽、周德培[4]研究了它的弯曲失稳机制。邓荣贵、李安洪等[5]通过铁路建设中的顺层边坡实例，研究了这类边坡失稳的临界长度。李舜[6]提出了该类型公路路基高边坡防护设计方法。朱晗迓、马美玲等[7]通过推导出的公式求解出了边坡溃曲破坏的破坏位置和临界坡长。

本文在前人研究基础上，以西南山区某高速公路旁发育的一处含软弱夹层高边坡工点为研究对象，重点对边坡所含软弱夹层的矿物化学组分、孔隙颗粒特征与物理力学参数开展试验研究，进而结合该工点实际工程地质条件建立数值模型，对比研究了天然状态下与开挖防护措施下坡体应力应变特征，可为判别该类型高边坡稳定性提供可靠的数值依据。

2 工程地质概况

研究区位于西南地区丘陵过渡地带，具有山高、坡多、谷深等特点，在暴雨和特大暴雨的条件下，极易形成滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害。研究区域边坡地表水为山间冲沟，属季节性溪流，其补给方式主要为大气降水，排泄方式为一部分渗入地下，一部分沿冲沟排出场区外，其流量随季节而变化，枯水期无水，富水期为附近地段地表水排泄通道。

研究区内基岩主要为强风化与中等风化钙质泥岩和砂岩，岩层综合产状40°∠47°，场区内节理和层间裂隙发育，裂隙长1.0 m～4.0 m，宽0.01 m～0.20 m，可见深约为0.1 m～0.4 m，密度为1条/m～6条/m。其中强风化带表现为整体破碎，主要呈砂状，局部岩芯可见饼裂现象，说明该区域地应力较高[8]。边坡岩体呈渐变状带(槽)状风化，构造裂隙发育。此外，边坡表层风化作用强烈，构造裂隙及层面的发育程度随着岩体向深部的延伸减弱，风化程度也按照这种规律减弱。

3 研究区矿物工程地质特征

软弱夹层作为控制边坡稳定性的地质体结构，其泥化过程存在复杂的水岩相互作用，这与软弱夹层自身的矿物组成、微观结构与力学强度紧密联系。大量工程实践表明，长石、黏土矿物等物质组分，其含量对于岩体强度有直接影响，此外软弱夹层中具有较多的次生裂隙和结构面，对于雨水入渗等自然作用引起的岩土体软化效应，对于缓倾顺层高边坡稳定性起了决定性作用[9]。因此，对软弱夹层工程性质进行分析是边坡设计过程极为关键的环节。

3.1 矿物化学成分分析

本文通过X射线衍射仪和显微结构观察对研究边坡软弱夹层矿物组分进行综合测试分析，主要矿物成分为石英、斜长石、钾长石、黏土矿物、云母、方解石和少量赤铁矿等(见图1)。由偏光显微镜与扫描电镜图像可知，岩样内长石表面裂隙较发育，石英具有波状消光特征，黏土矿物间微裂纹分布广泛(见图2)。

3.2 边坡岩土体及软弱夹层的物理力学性质

通过沉降分析法对研究区代表性砂泥岩样品进行粒度分析(见表1)。结果表明，研究区泥岩中砂粒含量都在50%以上，它们主要为原生矿物，大多是石英、云母、长石等。粉粒含量在泥岩较多，占到了30%，而在中粗粒长石砂岩和中细砂岩中粉粒含量在20%以内。粉粒一般是原生矿物与次生矿物的混合体，因为孔隙小而导致透水性差，有一定的毛细作用。黏粒主要由次生矿物组成，孔隙很小，透水性极弱，毛细作用明显，膨胀性和可塑性较好，强度较低。

表1 粒度试验成果表

通过对强度较低的粉砂质泥岩样本进行单轴压缩试验和波速试验测试，得到其力学指标如表2所示。测试结果表示，样本的单轴抗压强度与波速值基本与标准值吻合，泊松比与弹性模量均高于标准值。

表2 岩石室内试验物理力学指标统计表

从软弱夹层的物理力学性质上看，软弱夹层的厚度与物质组成对岩体强度有直接影响。小于1 mm的薄膜夹层，薄膜使岩体的抗剪强度降低，导致岩体沿软弱夹层滑动发生破坏；对于中厚夹层，岩体因处在塑流状态被挤出而发生破坏。夹层内摩擦角随其物质粒径增加而增大，最后趋度越大，内摩擦角越小；夹层级配较好时，内摩擦角较大；组成夹层的岩石碎屑的圆度增加时，内摩擦角和黏聚力减小。

4 砂泥岩互层缓倾边坡受力特征数值分析

4.1 数值模型建立

根据现场的勘测结果，结合砂泥岩缓倾互层高边坡的断面图和支护设计图，综合运用AutoCAD-Ansys-FLAC3D等多种软件建立数值分析模型[10]。建模流程为：在AutoCAD中建立分析所需的三维模型，将模型导入Ansys划分网格，通过插件将网格导入FLAC3D做后续计算分析。

选取研究边坡具有代表性的断面进行模拟，为了避免边界约束条件对计算结果产生影响，计算模型边界范围按照下列原则确定，在平行岩层倾向方向，从坡脚向左岸山内延伸1 km，垂向距离上从坡脚到坡顶缓坡处最高点附近。模型基本参数、边界条件参考表3取值，计算模型在重力作用下的初始应力分布如图3所示。之后，将边坡的开挖部分岩体的本构模型赋为null来模拟开挖；并用FLAC中自带的结构单元模拟土工格栅以及锚索，并赋予相应的力学参数，其中锚索布置由下至上共有6层，如图4所示。计算支护后边坡开挖模型的应力应变变化。计算过程的最大不平衡力取值收敛图与塑性区域分布图如图5，图6所示。

表3 岩层参数表

边界条件的设定应使数值模拟的结果与实际情况更加接近，通过使模型足够大来减小边界效应，但是模型也应设定在一个合理范围之内，否则只会增加工作量并降低精度。

4.2 应力应变特征分析

4.2.1 应力特征分析

模型计算中主要考虑受自重应力影响。应力分布主要以竖向应力为主，同时考虑边坡可能造成的滑动，需要考虑边坡的水平向应力。关于支护所承受的应力可以看出边坡滑动趋势的大小。通过分析边坡开挖过程中支护应力变化及分布规律，可分析施工对于边坡稳定性的影响。图7～图9为水平应力和坡体竖向应力以及锚索应力。

从图中可以看出，竖向应力在整体上依然按层分布；而纵向应力云图的规律性稍差，路堑右侧坡体因存在被左侧坡体挤压的情况，而出现应力明显成层状态，但由于所受应力不大，并无较大危害。锚索在第五阶梯处有较大拉应力，说明该处可能存在较大的滑动趋势，有剪切锚索的趋势。而第二层的锚索大多数有较大的压应力说明边坡在此处有挤出趋势。而大多数锚杆所受应力并不大，主要作为保护作用。边坡坡体整体较为稳定。

4.2.2 应变特征分析

由塑性力学理论可以得知，一点的应变张量可以分为与体积变化有关的球形应变张量和与物体形状变化有关的应变偏量。对于岩土材料来说，静水压力不仅产生弹性和塑性的体应变，而且还会引起剪变形刚度的增大而使切应变变化；而切应力不仅会产生弹性或塑性的切应变，而且会引起剪胀或剪缩。因此与单纯的弹性和理想弹塑性材料比，岩土的本构关系会表现得更加复杂。

从支护受力特性分析可以发现：在边坡的重力作用下，第三层和第五层阶梯的锚索受力较大，且第五层阶梯锚索为拉应力，第三层为压应力。锚索不同位置的受力方向大小不同，说明了边坡在这两层之间有下滑和挤压的趋势，当下滑力超过其强度或支护结构强度不足以抵抗下滑力时，边坡可能会失去其稳定性。

在边坡开挖支护前，边坡整体较为稳定，而在开挖支护过后，边坡表层出现大量的拉伸破坏。说明在这一过程中，坡体受到破坏但由于支护及时，遏制了坡体下滑趋势，从而提高了坡体稳定性。

5 砂泥岩互层缓倾顺层高边坡关键防治技术

高边坡灾害防治工程其本质都是改变高边坡自身的力学平衡状态来实现边坡稳定。在实际中，防护措施主要有抗滑支挡结构物直接加固或放缓边坡、减重反压、截排水等间接加固两种思路，但是，考虑到高边坡问题的复杂性和不确定性，一般采用多种措施相结合的方法来加固处理。

对于本研究区域砂泥岩互层缓倾顺层高边坡拟采取以下防治技术：

1)抗滑支挡工程：使用支挡工程对不稳定的边坡进行加固，是一种较为有效的整治手段。其优点是可以从根本上解决该问题。

2)植物防护：植物防护是在坡面上栽种植物，通过植物根系发育，起到固土，防止水土流失的一种防护措施。这种方法通常在坡度不大、边坡不高的稳定边坡使用。

3)坡面工程防护：在治理坡度较陡、坡面土体松散的边坡时，可以通过圬工砌体防护措施对边坡进行加固。对于稳定性好的边坡，可在其表面喷射一层素混凝土，减缓岩石风化、剥落的速度，以此来达到稳定边坡的目的。

4)排水工程：地表排水是为了把坡体以外的水截排，防止其流入坡体增加坡体自重，减少其对边坡稳定性的影响。地下排水工程是治理滑坡的重要方法，尤其是地下水发育的大型滑坡，它可以降低坡体内的地下水位，减小滑带土的孔隙水压力，以此提高滑带土的抗剪强度，从而增大了边坡的稳定性。

6 结论

本文通过砂泥岩互层缓倾顺层高边坡破坏机制及关键防治技术研究为研究对象，深入分析该边坡的工程地质条件，得到了研究成果如下：

1)通过对边坡岩体的化学成分、物理力学性质以及软弱夹层力学特性的研究，得出了影响砂泥岩互层缓倾顺层高边坡稳定性的根本原因，在于不利的岩体力学性质和具有特殊的岩体结构特征。

2)通过数值模拟分析，根据所得岩体各项参数指标，建立砂泥岩互层稳定性数值模型，分析探讨泥岩互层缓倾顺层高边坡的潜在破坏机理，研究不同潜在破坏模式下的顺层边坡稳定性，得出该类边坡失稳破坏机理和演化机制。

3)针对砂泥岩互层缓倾顺层高边坡的工程特性，软弱夹层对该类边坡的影响作用机制，结合数值模拟分析，提出该类顺层高边坡防治处理技术措施，以确保工程质量和安全。