某含软弱夹层花岗岩残积土边坡稳定性研究

陈　玮，简文彬,3，董岩松，林兴旺

(1.福州大学 环境与资源学院，福建 福州 350108；2.福州大学 岩土工程与工程地质研究所，福建 福州 350108；3.福建省地质灾害重点实验室，福建 福州 350002)



某含软弱夹层花岗岩残积土边坡稳定性研究

陈玮1,2，简文彬1,2,3，董岩松1,2，林兴旺1,2

(1.福州大学 环境与资源学院，福建 福州 350108；2.福州大学 岩土工程与工程地质研究所，福建 福州 350108；3.福建省地质灾害重点实验室，福建 福州 350002)

摘要：福建省地处中国东南沿海地区,花岗岩残积土分布较为集中。花岗岩残积土边坡存在较为发育的微裂隙结构面和一些软弱岩脉风化而成的软弱夹层，由于风化作用、降雨和地下水渗入等外界环境影响，裂隙中的填充物泥化和膨胀，结构面的抗剪强度迅速下降，形成软弱夹层，造成边坡失稳破坏。以某含软弱夹层花岗岩残积土边坡为例，建立有限元数值模型对该边坡的变形特征进行研究，发现直接开挖后沿软弱夹层将发生较大的相对滑动，最大水平位移达22 cm，同时表明软弱夹层的存在不仅造成了边坡总体变形的增大，还决定了边坡失稳破坏时滑动面的位置。研究成果可为此类含软弱夹层的残积土边坡的设计、施工和治理提供借鉴和参考。

关键词：花岗岩残积土；微裂隙；软弱夹层；应力集中；稳定性

我国东南沿海地区广泛分布着花岗岩残积土。随着工程建设的不断发展，大量花岗岩残积土边坡在各种因素影响下出现失稳问题，对社会的影响日益突出[1-3]。目前，对花岗岩残积土边坡的研究主要集中在边坡破坏的形式、工程特性、土体强度以及变形性能方面[4-5]，然而大量的工程实践和现场研究发现，花岗岩残积土具有较多的原生裂隙、次生裂隙和残留结构面(土体由岩石强风化而成，保留了原岩的结构面特征，在雨水渗入等自然作用下形成的软弱夹层)。这些特性对此类边坡的稳定性起了决定性作用。很多学者就岩土体的裂隙和软弱夹层对边坡的稳定性影响开展相关的研究，如李志清[6]指出含裂隙的膨胀土边坡发生强烈胀缩变形是由内、外因素引起的，含有大量的蒙脱石晶体矿物及具有显著的微裂隙结构是灾害的内因和本质；同时，国内外学者在结构面对工程岩体的完整性、渗透性、物理力学以及应力传递等影响方面的研究也做了大量工作，张晓平[7]采用含软弱夹层的土样模型且基于不同的边界条件，对土体应力-应变关系和破坏过程进行细观数值模拟；J.P.Bardet[8]模拟边坡剪切带的结构，对剪切带土体厚度、孔隙比、应力应变以及颗粒旋转等进行了研究；李龙起[9]利用降雨试验模型研究受雨水作用坡体的物理场合变化特征，以及软弱夹层含水率演化特征和泥化效应。

然而，由于花岗岩残积土是花岗岩母岩原地受到风化作用而成的残留物，受母岩性质的不均匀性以及风化作用的影响[10]，和一般的均质土边坡及岩质边坡对比具有不同的工程特性。含软弱夹层的边坡的破坏形式和变形发展的过程受到边坡系统的整体稳定性的影响，边坡中软弱夹层处土体力学性质指标和系统的整体稳定性密切相关。软弱夹层是岩体中的不连续面[11]，因为其土体的力学指标差，不论其薄厚、埋深都给工程建设带来一系列不稳定因素，经常成为边坡稳定、基坑、堤坝抗滑稳定等的控制性软弱面。

因此，本文通过对花岗岩残积土结构面和工程特性的研究，分析软弱夹层对边坡稳定性的影响和边坡破坏的机理，同时对某含软弱夹层边坡的应力-应变关系、破坏过程以及不同条件下边坡的稳定性进行有限元数值模拟，总结此类边坡可能的破坏形式，从而对含软弱夹层的该类边坡的研究分析、设计、施工开挖及支护提供参考。

1　花岗岩残积土的工程特性

1.1花岗岩残积土的矿物成分

花岗岩残积土的主要矿物成分是石英、高岭石、伊利石；其粘土矿物以高岭石为主(65%～90%)、含少量伊利石(6%～23%)和绿泥石(5%～20%)[12]。福建地区的花岗岩残积土由于含有较多如高岭石等亲水性的矿物，使其亲水性比较强，胶结物的含量略少，遇水软化、崩解、强度急剧降低，随水流失的特点，对花岗岩残积土工程性质有十分重要的影响。

1.2花岗岩残积土的结构特点

福建地区的花岗岩残积土粒度分布大多呈现“两头多，中间小，粗细组成均衡”的特点。颗粒主要以粒径>0.5 mm(粗砂以上)和粒径<0.075 mm为主，粒径0.5 mm～0.075 mm的颗粒(中、细、粉砂)含量少，粗、细粒组含量接近，填充粗粒骨架的中、细砂、粉砂、含量少[13]。

1.3花岗岩残积土软化、崩解特性

花岗岩残积土软化特性与水对残积土颗粒的胶结物的影响有关，当所含水分增多时，胶结物的溶解量增大，胶结效果减弱，土体的强度降低、压缩性增加。花岗岩残积土遇水后迅速膨胀崩解，这是由于土体的非均匀性，水分子无法完全进入土体的孔隙中，导致颗粒间扩散层增厚的速度不平衡，粒间斥力和吸力的发展情况也不平衡，容易形成应力集中，最终在斥力超过吸力最大的面上，土体膨胀崩落[14]。

1.4花岗岩残积土软弱结构面

1.4.1母岩结构面形成的软弱夹层

花岗岩的节理比较发育，其中以区域地质构造作用形成的长大贯通的剪切节理为主，有时一组为优势节理，有时两组共轭发育[15]。各组节理发育的长短和规模不一，将花岗岩分割成大小不等的块体。节理多为闭合型或有填充物，填充物大多为厚1 cm～2 cm的高岭石、伊利石和绿泥石。填充物在风化、降雨入渗和地下水侵蚀等作用下大多已经泥化，强度很低，成为残积土结构面中的软弱夹层。

1.4.2岩脉风化形成的软弱夹层

花岗岩中常见不均匀分布的岩脉，有些岩脉抗风化能力较强，形成硬化层，完整性好，强度较高，如石英岩脉；而有些岩脉的抗风化能力比较弱，如长石岩脉，则形成以高岭石为主的软弱夹层，强度较低。高岭石含量较高的花岗岩受外界风化作用影响较大时，则极易在花岗岩残积土中形成软弱夹层。大多数的边坡滑坡、崩塌都是沿着这种岩脉风化后的软弱夹层而形成的。

2　工程地质概况

某边坡地貌上属残丘坡地，山顶呈浑圆状，原始自然坡度约30°～40°，植被发育一般，总体地形地势呈中部高两侧低。现场地经开挖呈阶梯状斜坡，坡顶已整平。开挖后形成宽约120 m,高约20 m的边坡。边坡的稳定性将直接影响到坡脚住宅及坡顶拟建楼房的安全，故需要对其进行稳定性评价，以便采取相应的加固措施，以策安全。

根据区域地质资料、现场调查和钻孔揭露本场地地层主要为花岗岩残积土和全风化花岗岩，自上而下具体分为5个岩土层，① 杂填土，厚度1.20 m～2.10 m；② 残积粉质黏性土，厚度1.50 m～6.60 m；③ 风化夹层，浅褐色、灰黄，泥状晶体，湿润，主要矿物成分为高岭土、绿泥土，厚度在1.00 m～2.00 m；④ 全风化花岗岩，厚度3.80 m～6.10 m。⑤ 强风化花岗岩，厚度3.50 m～5.20 m。各岩土层的岩性特征、埋深、厚度及分布情况见工程地质剖面图(图1)和表1。

图1边坡工程地质剖面图(单位：m)

表1　土体的物理力学指标

3　计算方法和计算模型

在边坡稳定性计算方法中，传统的极限平衡法虽然有它的优点，但却不能对边坡体内应力和应变的问题进行分析。利用Plaxis有限元程序进行平面应变分析，模拟的边坡土体范围为：水平向为30 m，竖向为20 m；采用平面6节点单元对模型进行自动网格划分，软弱夹层处加密，如图2所示。计算中，土体本构模型采用基于摩尔—库伦屈服准则和非关联流动法则的理想弹塑性模型。由于软弱夹层的特殊工程性状，采用软土蠕变单元模型进行数值模拟。土层间接触条件为完全连续接触，体系为小变形且只考虑自重的影响。在模型底部边坡计算区域设置为全约束，即采用固定约束，同时约束水平方向和竖直方向变形。在模型两侧约束水平方向变形，顶部为无约束的自由边界，不限制任何方向的变形。

图2有限元数值计算模型

4　软弱夹层对边坡稳定性影响分析

首先假设不考虑软弱夹层的影响，只考虑其他土层的边坡作用，即在有限元数值模拟时不将软弱夹层激活，采用强度折减法计算得到边坡的稳定系数为1.56，表明边坡处于稳定状态，并具有足够的安全储备，边坡的总位移云图如图3所示。从图3中可以看出，边坡的变形主要在边坡后沿和靠近边坡开挖后造成的临空面，且边坡的潜在滑动面位置较浅，接近坡面。

图3不含夹层边坡总位移等值云图

实际上，该边坡已经形成了局部的变形破坏，处于不稳定状态，由此得出边坡的稳定性受到边坡体内软弱夹层的影响较大，是控制该边坡失稳的主要因素。因此，需要通过对该边坡的的整体位移和软弱夹层处土体的应力状态进行计算和分析，从而准确的评价软弱夹层对该边坡整体稳定性的影响作用。

根据计算结果得到该含软弱夹层边坡的总位移等值云图(图4)，位移速度矢量图(图5)，该边坡的总位移值与无软弱夹层边坡对比有明显增幅，变形由坡顶的上部土层开始逐渐向边坡深部土层传递，在软弱夹层处有突变，边坡的位移显著变大，达到最大值22 cm。当穿过软弱夹层时变形传递效应减弱，位移又开始逐渐减小。与无软弱夹层边坡对比，该边坡的潜在滑动面位置不再处于坡体浅层，而是出现在软弱夹层处，且靠近残积粘性土与夹层的交界面。由此说明，软弱夹层的存在不仅造成了边坡总体变形的增大，同时决定了边坡失稳破坏时滑动面的位置。

图4含软弱夹层边坡总位移等值云图

图5含软弱夹层边坡总位移矢量图

从图6的应力场分布情况可以看出，模型的最大相对剪应力出现软弱夹层和坡脚位置，主要是由于坡脚处的应力集中，塑性变形明显，同时软弱夹层与周围土体物理力学性质差异造成的不均匀性导致边坡应力场重分布。对软弱夹层处土体强度—位移曲线(图7)分析可以看出，初始阶段随着位移的增加土体的抗剪强度逐渐提高，当达到最高值(峰值强度)后剪应力将不再继续增大，随剪切位移的增大，土体抗剪强度有所减小，最后达到一个稳定的抗剪强度，即残余强度。由于软弱夹层处产生超应力，使局部区域的土体剪应力超过了土体的峰值强度，发生破坏，破坏时土体只保留残余强度[16]。

图6边坡相对剪应力分布云图

图7软弱夹层处土体强度—位移曲线

在考虑地下水对含软弱结构面的边坡稳定性影响时应分两种不同情况考虑。地下水位在软弱夹层以上，该类边坡常处于地势低洼地带，地下水位埋深范围较浅。上部土层多为冲积层或坡积层，在残积土层上常覆盖为粒径较大且富水性较好的土层。由于边坡开挖后形成临空面，坡面形成了周围区域的地下水集中排泄区。在降雨作用和地下水位变化下，坡面土体遇水软化膨胀而造成滑塌，加剧边坡的应力场释放。软弱夹层处的土体由于地下水渗流作用下，其中的填充物产生泥化和膨胀，结构面强度迅速降低，使得边坡沿软弱结构面产生滑动。同时，由于渗透水流作用下，导致软弱夹层中细小的颗粒在粗颗粒形成的空隙中移动、流失。随着土体内部的孔隙逐渐扩大，渗透流速不断增加，导致粗颗粒也相继被水流带走，最终土体形成完全贯通的渗流通道，产生流沙、管涌等渗流破坏；地下水在软弱夹层以下，该类边坡常处于坡地丘陵地带，地下水稳定水位多位于残积土或全风化土层中，其上覆盖多为坡积土层，地下水位以上土层透水性和富水性差，土体含水率小，力学参数较高。当开挖在地下水位以上时，边坡整体稳定性较好，当开挖至地下水位以下时，坡体出现局部滑塌，随着地下水位作用不断增强，土体滑塌范围逐渐变大。

计算结果表明，沿软弱阶层处的土体发生了较大的相对滑动，说明边坡的稳定性取决于变形是否进一步发展和软弱夹层处土体的力学参数。为了分析软弱夹层的存在对边坡整体稳定性的影响，对土体抗剪强度指标进行强度折减，计算软弱夹层在不同抗剪强度参数下的边坡稳定系数，见图8。

图8软弱夹层在不同抗剪强度指标下边坡稳定系数

根据稳定性系数计算结果，随着软弱夹层的黏聚力c和内摩擦角φ的增加，边坡稳定系数逐渐变大，当黏聚力大于21 kPa，内摩擦角大于25°时，边坡稳定系数接近1.30，该边坡基本处于稳定状态。由以上分析可知，软弱夹层处土体的力学参数对边坡稳定性的影响作用较大。软弱夹层具有特殊的物理力学特征，如果密封条件好，降雨入渗、地下水变化对土体的软化作用小，夹层的抗剪强度指标(c、φ)保持在相对较优的水平，这样对边坡的稳定性就影响不大。反之，如果夹层受外界影响严重，抗剪强度指标下降较大，将对边坡的稳定带来不利的影响。

5　结　论

经过上述分析，得出如下结论：

(1)花岗岩残积土具有较多的原生裂隙、次生裂隙和一些残留结构面(软弱夹层)，结构面中充填物强度较低、水稳定性差，在边坡开挖过程中容易引起滑坡或崩塌破坏。

(2)软弱夹层上剪应力分布较集中，变形从坡顶的上部土层开始逐步向深部土层传递，在软弱夹层处有突变达到最大值，当穿过软弱夹层时变形传递效应减弱，位移又开始逐渐减小。

(3)在降雨和地下水作用下，软弱夹层处的土体由于地下水渗流作用下，其中的填充物产生泥化和膨胀，结构面强度迅速降低，使得边坡沿软弱结构面产生滑动。

(4)软弱夹层处土体的力学参数对边坡稳定性的影响作用较大，是决定边坡是否发生破坏的关键因素。

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StabilityStudyofaGraniteResidualSoilSlopewithWeakInterlayers

CHEN Wei1,2,JIAN Wen-bin1,2,3,DONG Yan-song1,2,LIN Xing-wang1,2

(1.CollegeofEnvironmentandResources,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350108,China；2.InstituteofGeotechnicsandEngineeringGeology,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350108,China;3.FujianKeyLaboratoryofGeohazardPrevention,Fuzhou,Fujian350108,China)

Abstract：Fujian province is located in the southeast coastal area of China,the granite residual soil is widely distributed.Granite residual soil slopes contain rock structure with relatively developed microcracks on its surface and weak interlayers.Due to weathering,rainfalls and the infiltration of underground water,the fillers in the cracks decompose and expand which leads to a fast descend of shear strength of the structure surface and the formation of weak interlayers,and eventually results in the instability and failure of the slope.Taking a granite residual soil slope with weak interlayers as an example,the finite element numerical model was established to study the deformation characteristics of the slope.The research found that there was a large relative sliding movement of soil along the weak interlayers after the excavation,with the maximum horizontal displacement of 22 cm.This indicates that the existence of weak interlayers not only causes the increase of the overall deformation of the slope,but also determines the position of the sliding surface when the stability failure occurs.The research results can provide reference for the design,construction and management of such residual soil slopes with weak interlayers.

Keywords：granite residual soil;microcracks;weak interlayers;stress concentration;stability

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.021

中图分类号：TU457

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0107—05

作者简介：陈玮(1989—)，男，福建宁德人，硕士研究生，研究方向为边坡工程。通信作者：简文彬(1965—)，男，福建永定人，教授，主要从事岩土工程与工程地质专业的教学与科研工作。

基金项目：福建省地质灾害重点实验室开放基金(FJKLGP2012K001)资助

收稿日期：2014-07-20修稿日期：2014-08-21