岩层厚度对顺层岩质边坡失稳分析

摘 要：岩层厚度对于顺层岩质边坡稳定性的影响方面的研究有助于了解边坡失稳原因，在山区工程建设过程中是非常有必要的。岩层边坡研究主要遵循“地质勘察-理论研究-数值模拟”主要的技术路线，在合理划分顺层岩质边坡类型基础上，需要分析其稳定性。层状岩质边坡稳定性与地层性质、岩体本身特性以及地下水的分布有着直接的关系。本文主要对厚层以及薄层顺层岩质边坡稳定性进行了分析，并建立一些数学研究模型，希望对同行的工作有所借鉴意义。

关键词：分析；改善；措施

1 薄层岩体顺层岩质边坡稳定性分析

上世纪80年代后期，对于薄层岩体顺层岩质边坡稳定性研究已经比较深入，国外著名地质学专家Caverse、Hoke以及Boobers三人的弹性理论得到地质界的广泛认同，我国科学家孙广忠、李树森、刘均衡等地质学术前辈在弹性理论基础上，探索出了基于弹性理论的压杆稳定性理论，本理论对顺层边坡滑移变动问题进行了非常深入的数学分析，总结出了一套完善的理论计算公式，在工程实践中并结合了一些具体事例进行了充分验证。下面根据三位前辈研究成果，利用数学公式对弹性压杆稳定理论进行进一步阐述说明，在此基础上对顺层岩质边坡的溃屈破坏的稳定性进行全方位的介绍分析。

地质研究中会把薄层组成的层状岩体结构形式命名为板裂结构，板裂结构相对坡长一般比较小，其岩层走向与边坡走向基本一致，鉴于薄层岩质边坡岩层变形不大，数学分析可以采用小变形理论分析受力并求解；针对于那些坡面较宽的岩层，可以利用岩层的弯曲变形来作为平面应变问题加以分析。针对于结构面以及岩体的考虑同于溃屈破坏时的力学模型，可以认为岩体以及各个结构面之间的力学参数是一致的。

1.1 板裂结构岩体地质力学结构模型的建立

板裂结构岩体地质力学结构模型是在地质模型以及力学数学作用机制的基础上发展起来的，其变形与破坏一般可以分为顺层倾斜边坡溃屈破坏、直立边坡溃屈破坏、反倾向边坡倾倒变形三种地质力学结构模型。下面主要以顺层倾斜边坡溃屈破坏模型进行简单分析。

根据前辈孙广忠的弹性岩石结构力学受力分析，进行实例简单说明。某山坡位于长江下游，此山高度达到1890m，研究段坡脚高度标高为1020m。本坡段内夹一层泥灰岩夹层，经过层间错动已经演化成软弱夹层。Φi为17度，ci为0.4MPa。岩层段较为稀疏，E为50×103MPa，容重γ为2.7×104N/m3。软弱夹层上部灯影灰岩厚度为10m。岩层与山坡之间有一定的夹角，夹角大小为40度。经过地质勘察分析指导此边坡主要由灯影灰岩组成，结构形式为顺层薄层边坡，不会产生较大的滑动为一稳定破段。

1.2 本坡段的滑动深度分析

根据受力模型分析，假设此坡段滑动深度为h，单宽下滑力为s，那么可以根据弹性力学模型定式为：

S=l0（γhsinα-γhcosαtanΦi）。Φi为17度，ci为0.4MPa。岩层段较为稀疏，E为50×103MPa，容重γ为2.7×104N/m3。软弱夹层上部灯影灰岩厚度为10m。岩层与山坡之间有一定的夹角，夹角大小为40度，可以算出s=（0.11h-0.4）l0。

由上式可以知道，当h大于0.4/0.11时就会产生一定的深滑动，但是实际工程中，软弱的夹层上面覆岩层厚度h为10m。所以，上覆岩层完全可以沿着软弱夹层的方向进行滑动，不利于结构的稳定性。

1.3 本边坡稳定性深层次分析

根据上述数据可以知道本边坡实际长度是1462m，边坡的极限长度为1237m，稳定性系数K=1237/1462=0.85<1

从上面运算数据就可以知道，本边坡有沿着顺层边坡滑动的趋势，有可能会发生溃屈破坏。如若在本区段有工程建设，需要额外注意，加强安全风险评判工作，避免造成不必要的损伤。

2 厚层岩体顺层岩质边坡稳定性分析

根据相关数据统计，岩体厚层边坡一般情况下是比较稳定的，但是在岩层的中间层地带受剪切力影响比较大，可出现一些岩层间错动现象，构成边坡滑动带，但是这样的情况比较少。另外，较为常见的边坡破坏形式是局部岩块崩滑以及松弛，崩滑与结构面的组合情况有关。软硬相间的地层组合是形成崩滑的主要地层组合特征，坚硬的岩层是形成崩滑的主要岩性特征，陡峻的斜坡地形是危岩形成并造成崩滑、坠落的必要条件。大量存在的岩体结构面是崩塌的主要地质结构特征，另外，重力以及地质水都会造成崩塌现实。下面根据厚层顺层岩质边坡的特性以及影响因素分析崩塌破坏的机理，在建立相应分析模型的基础上，运用极限平衡的数学研究方法解开崩塌之谜。

2.1 厚层岩质边坡的特性分析

根据相关数据记载，厚层岩质边坡破坏主要发生于坡度介于50度至90度之间的边坡，在峡谷陡峭位置发生几率最大。当线路走向与区域构造线相互平行时，在构造线交集位置更容易发生崩塌现象。在断裂或者不整合接触地带附近，地下水不多的位置也容易发生崩塌现象。坚硬岩层陡壁下，伏有风化破碎的软质岩层，且标高位于洪水变化幅度范围内，也是崩塌现象频繁出现地带。人为边坡开挖加大了边坡角度，同时也增加了坡高，这样做的直接结果就是改变了原坡度的力学受力平衡，使边坡特别是坡缘部分下部支撑力有所减小，破体上部卸荷力有所增大，使坡度受力重新进行了分布。暴雨和地震力是诱使厚层坡度产生崩塌主要外因，另外，风化作用、根劈作用、开山放炮、施工操作不合规范都会加剧边坡崩塌。

2.2 厚层岩质边坡崩塌的破坏机理以及破坏过程分析

崩塌又可以细分成几种具体形式，倾倒、滑移、鼓胀、拉裂、错断。发生倾倒崩塌时，崩塌体失稳破坏，以坡脚的某一点为转点，发生逐次的倾倒，重力作用以及地震水平作用力都会产生这样的倾倒崩塌；在某些比较陡峭的边坡，不稳定的岩体下部有向坡下倾斜的光滑结构面或者软弱面。开始的滑移决定着崩塌是否会发生，当重心滑出陡坡范围，崩塌就会轻而易举的发生。过量的水渗入也会产生这样的滑移崩塌；当边坡下有软弱下卧层时，很容易出现鼓胀现象。不稳定岩体与稳定岩体分离时，较厚下部岩体就会被软化，上部岩体对下部岩体产生压力，下部岩体被挤出变形，也会出现鼓胀现象；当岩体由不同硬度的岩层组成时，风化以及水流冲刷作用会使断面上的悬臂梁形式突出出来，重力作用致使没有产生变形的岩层产生裂隙，当拉应力大于岩层抗拉应力时，岩层就会发生裂缝，同时迅速向下运动，产生严重的拉裂现象；厚层岩体结构组成的顺层岩质边坡，结构面当是垂直裂隙发育时，崩塌体形状为厚板状，其外力主要受到自重产生的剪切力，此时就会出现失稳，严重时发生错段式崩塌。崩塌发生之后崩塌体主要是滑移、跳跃以及滚动式运动形式。

2.3 崩塌破坏的主要形式分析

潜在的崩塌体大小以及形态主要受到长期地质构造作用、斜坡重力作用以及风化作用。软弱结构组合容易产生崩塌，尤其在承受了上述外力作用下，更易发生地质崩塌现象。当崩塌体形成以后，会出现较长时间的结构蠕动位移，潜在的崩塌体会突变失稳，从而形成崩塌。在这个地质构造变化阶段，岩体翻到、跳跃、滚动、坠落、互相撞击时有发生，地质岩层经过运动后堆积了在坡脚位置。经过相关资料记载，较严重的突然崩塌会激起数量巨大的碎石，速度迅速、能力巨大以及破坏力惊人是它的主要破坏特征。

2.4 崩塌体运动规律分析

崩塌体落实运动形式是变化多样的，影响因素也是比较多，其落石计算形式一般是单一的，并且取一近似值。落实轨迹会遇到凸崖阻挡时发生变化。崩塌落实运行速度与掉落高度、碎石体积以及重量有着直接的关系，另外，还与山坡的坡度以及植被覆盖情况也有着一定干系。地质岩层破坏石块运行速度可以根据不同的山坡类型进行计算分析。折线形山坡崩塌碎石下落速度可以用下式表达出来：

V=μ=ε

μ=，ε=μ

上面式子中的H为崩塌厚度石块向下坠落的高度，以m计算；g为重力加速度，以m/s2计算；K为石块运动过程中受到外部影响造成的阻力系数。阻力系数又下表选取。

顺序山坡坡度较大小K计算公式汇总

10度至30度K=0.41+0.0031

230度至60度K=0.51-0.0047+0.0017α2

360度至90度K=1.01-0.0123+0.000021α2

落石运动轨迹一般是滚落外加跳跃的形式，轨迹确定有助于拦截建筑物的地点设置。针对于落实腾跃分析，主要分析石块运行轨迹以及坡面的偏离程度，进而确定阻挡建筑物的外形以及拦截位置。

本文分了薄层以及厚层岩层对边坡稳定性的影响，并在此基础上分析了落实运动形式。各种因素对于边坡稳定性都有着一定的影响，板厚一致时，边坡稳定性坡长与坡角会有着一定的变化关系，角度变大，溃屈破坏最小长度也会相应的有所减小。岩层弹性模量也会影响岩层边坡的稳定性，在文章中已经做出了一些介绍分析，在此就不再赘述。相信随着对岩层边坡稳定性研究的进一步深入，山体坡脚工程建设的安全性将会有所改善。

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