炭质页岩蠕变特性及软弱夹层边坡稳定性分析

左巍然，刘 平

(1.湖南省公路设计有限公司，湖南 长沙 410011; 2.湖南华罡规划设计研究院有限公司，湖南 长沙 410076)

0 引言

国道G319 泸溪段沿线路基地质情况复杂多变，沿线不良地质主要体现于炭质页岩夹层地质，且多处于河道的旁边，在河水的浸泡和雨水的入渗共同作用下，多处路基边坡存在滑坡隐患，同时因炭质页岩强度低、水理性强、受环境影响大等特点，因此该路段出现不同程度的路面沉陷和边坡崩塌等情况，对路面的行车安全和道路的正常使用影响较大。

炭质页岩为灰岩、砂岩、泥岩、页岩等富含碳呈黑色的互层地质体。炭质页岩主要分布于广西、湖南、贵州等地，并呈显著的地域差异性［1］。因交通工程网络逐渐扩展与加密，高速公路建设不可避免地会遇到炭质泥岩等软岩地质体，对炭质页岩的研究也逐渐兴起。宋勇军［2］使用蠕变试验得出水及加荷载对炭质板岩的强度影响以及在各等级应力水平下岩石蠕变变形特性，并通过引入硬化函数及损伤变量改进Burgers 蠕变模型且将此模型嵌套到FLAC3D程序中，实现炭质板岩蠕变本构模型的二次开发。刘钦［3］通过三轴压缩及蠕变试验得出炭质页岩蠕变全过程的力学性态，并通过MATLAB 平台实现了蠕变参数的集成、稳健取值。罗根传［4］等人实施恒温下炭质页岩的崩解试验，并引入分形理论进行数据分析，认为当炭质页岩崩解稳定时分维数约为1.7。田四明［5］通过现场工程实例，分析炭质页岩在高地应力状态下变形力学机制以及其破坏形态，为高地应力炭质页岩的围岩处治提供理论支撑。而对于软弱夹层边坡的稳定性分析大多采用郑颖人院士等人发展的强度折减法［6－10］，但大多解决的是均质岩土体边坡，对于非均质(即含软弱夹层、具有多组优势结构面及岩土体多层分布等情形)使用强度折减法的研究尚少。基于此，本文以国道G319泸溪段某软弱夹层边坡为工程实例，通过室内蠕变试验研究处于低应力的软弱夹层炭质页岩的蠕变特性，并基于改进的强度折减法来分析含软弱夹层边坡整体稳定性。

1 国道G319泸溪段边坡简介

国道 G319 K1564+900～K1565+000 段边坡位于泸溪县白沙新城城东国道左侧，该场地原始地貌为剥蚀山地缓坡丘陵地貌，地形坡度15°～35°，南高北低，地表植被发育。该滑坡由人工开挖切坡形成，边坡坡向为290°，坡脚走向为北东～南西215°，长134 m。坡体物质由粉质粘土和强～中风化炭质页岩组成，其中坡体软弱夹层为强风化的炭质页岩，薄层状，黑色，层理清晰，裂隙密集，岩芯多呈短柱状及长柱状，岩芯暴晒易崩解，泡水易软化，为极软岩。在地表切割相对较陡的斜坡地带，岩体易风化变质变软，暴露地表易崩解，极易发生崩塌、滑坡等，使边坡失稳。滑坡体经过近来年的不断变形活动，产生的变形现象主要为地面开裂和局部沉落。总的来看，该滑坡体目前的变形处于蠕动阶段，当遇外界不利因素作用时(如暴雨、震动等)变形将向国道进一步发展。

2 软弱夹层炭质页岩蠕变特性试验

2.1 不同偏应力下炭质页岩蠕变试验

试件取自319 国道泸溪县白沙新城区319 国道泸溪段K1564+900 处边坡软弱夹层的强风化炭质页岩。实验采用TSZ3.0 －2.0 型台式三轴仪与改制的蠕变仪器如图1所示，采用分级等差加载方式，用数显位移传感器记录在不同偏压控制下的应变值。采用围压为100 kPa 的蠕变数据进行分析，试验在不固结不排水条件下进行，保持在恒温横式状态下(15 ℃ ±2 ℃、相对湿度 70% ±5%)进行［11］，施加的等差荷载分别为20、40、60、80、100 kPa，炭质页岩在不同偏应力状态下的蠕变试验曲线如图2。

图1 改进的三轴蠕变实验仪

从图2可以看出，该边坡软弱带强风化炭质页岩可知其蠕变特征:蠕变性具有非线性特征;不同时间的等时曲线基本上不是一条直线，随时间的推移，风化炭质页岩应变随着时间的增加而变大，变形值也在增加。当应力水平小于阀值55 kPa 时，土体变形开始瞬时弹性变形阶段，随后土体的应变速率逐渐减少，处于衰减稳定阶段，每一级偏应力下该阶段的变形在整个变形中占有很大比例，不可忽略。当应力水平大于55 kPa 时，出现了稳定蠕变变形阶段，该段特点是蠕变速率保持为一定值，蠕变曲线近似为斜率很小的直线。

图2 不同偏压力加载下蠕变曲线图

2.2 炭质页岩改进的西原蠕变模型

根据对软弱夹层强风化炭质页岩的蠕变性质分析结果，用虎克弹簧体描述弹性阶段的变形，开尔文体描述衰减蠕变阶段的变形，宾哈姆体描述稳定蠕变阶段的变形，采用串联的方式将各元件连结在一起，以临界应力值为分界点，高低应力水平下的蠕变曲线变形特点不一样，并考虑蠕变的非线性［12］，拟采用传统的西原模型［13］，运用 MATLAB 软件对试验曲线进行拟合分析，传统的西原模型蠕变方程为:

传统的西原蠕变模型中，低应力水平阶段涉及3 个参数，高应力水平阶段涉及4 个参数，σ0为临界应力值55 kPa，利用MATLAB 软件自定义函数，拟合前将西原模型做适当变换，令:A1=σ/E0，A2=σ/E1，A3=－E1/ η1，A4=(σ－σ0)/η0，从而西原模型转化为式(2):

因传统的西原蠕变模型只适合于描述岩体高于临界应力值的高应力水平阶段的蠕变变形，对于低应力水平阶段的强风化炭质软岩蠕变，其蠕变阶段不明显，假设低应力水平阶段，软岩存在一个以0 为值的临界应力，增加宾哈姆体对西原模型进行修正，修正的西原模型蠕变方程为:

利用MATLAB 软件自定义函数功能，拟合前将修正的西原模型做适当变换，二个式子均为ε(t)=A1+A2(1－eA3t)+A4t，只是 A4不同，高应力水平阶段 A4=(σ－σ0)/η0，低应力水平阶段 A4= σ/η0，拟合结果见图3。

图3 修正西原模型拟合曲线图

从图3可以看出，低应力水平阶段假设一个临界应力值，增加宾哈姆体后，拟合曲线和试验曲线在后期的重合度提高，能够预测其蠕变变形。偏应力20 kPa 时比传统西原模型精度提高4.1%，偏应力40 kPa 时比传统西原模型精度提高2.2%，修正的西原模型拟合精度均值达到97.5%，说明修正后的西原模型能够描述强风化炭质页岩的不同应力阶段的蠕变变形。

3 强风化炭质页岩夹层边坡稳定性分析

3.1 含软弱夹层边坡稳定性的强度折减法

目前边坡稳定性常采用强度折减法进行计算，经典强度折减法主要针对于均质边坡。对于非均质边坡，其边坡稳定性由优势结构面决定。本文在计算含软弱夹层边坡稳定性时，对强度折减法进行改进，即采用黏土介质与炭质页岩强度参数同步折减的方法进行计算，其改进的折减方法为:

FLAC3D折减法计算程序中所包含的体积模量、剪切模量、泊松比、抗拉强度等参数［14］，也需要相应地折减，其参数转化关系为:

根据排水试验测定黏性良好的砂砾黏聚力26 kPa、摩擦角32°;炭质页岩黏聚力20.0 kPa、内摩擦角18°。通过使用有限差分法计算软件FLAC3D，同步折减黏土介质与炭质页岩的黏聚力与内摩擦角即可得到整体边坡的稳定性系数F =1.12，其计算结果与刚度极限平衡软件Slide 结果(F =1.10)相差不大，说明了非均质边坡强度折减法的可行性与正确性。

3.2 软弱夹层边坡稳定性分析

为研究软弱夹层的特征对边坡稳定性影响规律，建立如图4所示的计算模型，其中计算模型长为L、坡高H、坡度β、软弱夹层倾角α、厚度为d。为研究强风化软弱带对边坡整体稳定性的影响，固定L、H、β，通过计算可得出α(代表夹层带的宏观特征)、c 与φ(代表岩体力学性质)各参数与边坡稳定性系数的相关性如图5～图7。

图4 边坡计算模型示意图

图5 软弱带倾角α 与边坡稳定性关系图

图6 软弱带内摩擦角φ 与边坡稳定性关系图

图7 软弱带黏聚力c 与边坡稳定性关系图

风化炭质页岩因其蠕变性随着时间的增长而进一步劣化，研究软弱带形态及力学参数的变化对边坡稳定性分析，有助于对边坡安全性能的评价及治理。由图5～图7可知随软弱带倾角的增大其边坡整体稳定性先减小后增大，呈开口向上的二次抛物线形状，大约在45°时边坡稳定性最差;软弱带岩体力学参数与边坡整体稳定性基本呈正相关的关系，当软弱夹层炭质页岩力学参数降低时，边坡整体稳定性也随之降低，说明了炭质页岩蠕变性的存在将劣化夹层边坡的稳定性。

4 结论

G319 国道为湘西州的重要交通干道，一旦滑坡体沿滑动面整体下滑，直接影响交通，并造成重大人员伤亡及财产损失及不良社会影响。国道沿线边坡受地质水文环境的影响，不良地质多呈砂岩、炭质泥岩及炭质页岩等并往往作为软弱夹层存在于坡体中，具有较大的安全隐患，因此，对边坡进行稳健评价，并考虑软弱夹层的蠕变性，有利于对边坡稳定性的稳控。通过对G319 国道某强风化炭质页岩蠕变性质及夹层边坡稳定性研究，主要有以下几点结论:

1)炭质页岩属于膨胀性软岩，水理性强，易崩解，受环境影响较大。其蠕变性对工程性质制约明显，传统的西原蠕变模型只适合于描述高应力水平阶段的蠕变变形，对于低应力水平阶段的强风化炭质软岩蠕变，其蠕变阶段的描述不明了。在低应力水平阶段，增加宾哈姆体对西原模型进行改进，即可修正的西原模型蠕变方程，经数据拟合可知其精度较好。

2)对于软弱夹层的非均质边坡，其稳定性系数也可采用基于强度折减理论的求解方法，本文采用有限差分法软件FLAC3D的强度折减程序与基于极限平衡法的Slide 软件计算数据相近，证明了非均质边坡稳定性强度折减法的可行性与正确性。

3)通过改变软弱夹层的表征参数求解边坡整体稳定性系数，可得出软弱夹层蠕变劣化下的边坡安全性趋态，并为边坡稳定性评价及响应提供理论支撑。

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