劉 冀，胡煥校，鄧 超，張 劍

（1.中化地質(zhì)礦山總局湖南地質(zhì)勘查院，湖南 長沙 410100；2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083）

1 引言

我國南方地區(qū)多屬丘陵地貌，巖質(zhì)邊坡分布廣泛，形態(tài)多樣，雨季較易發(fā)生滑坡等災(zāi)害。在不同因素影響下，巖質(zhì)邊坡發(fā)生破壞的類型較多，主要有滑移破壞型、潰曲破壞型、滑移－壓致拉裂型等[1]。順層巖質(zhì)邊坡作為巖質(zhì)邊坡中的一種，當(dāng)邊坡傾角大于順層傾角時，極易發(fā)生順層滑坡，無論對于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，還是對于人民生命財產(chǎn)安全，該類邊坡都是較大的隱患[2]。對此，許多專家學(xué)者、技術(shù)人員進(jìn)行了相應(yīng)研究。因此徐永旺、李昌龍、夏開宗等[3-5]從邊坡開挖失穩(wěn)理論、防護(hù)措施等方面進(jìn)行了研究，分析了多種因素影響下的順層邊坡破壞機(jī)理及加固措施；許建文等、王章瓊、呂軍等[6-8]應(yīng)用數(shù)值模擬分析巖質(zhì)邊坡的變形失穩(wěn)模式，為邊坡處置提供了科學(xué)依據(jù)。

湖南淺層巖質(zhì)邊坡地層多為泥質(zhì)粉砂巖或含泥巖、砂巖軟弱層，在自然降雨條件下容易造成巖層軟化崩解[9，10]，引起邊坡失穩(wěn)破壞。基于此，本文從泥質(zhì)粉砂巖順層邊坡入手，以數(shù)值模擬為手段，結(jié)合工程實(shí)例，研究邊坡穩(wěn)定性、潛在破壞趨勢；基于錨固支護(hù)初步設(shè)計方案，從錨桿分布、錨桿長度、錨桿傾角、錨桿間距等方面對原有設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，分析各個因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，可為類似工程提供參考。

2 工程概況

某機(jī)場高速輔道邊坡為順層巖質(zhì)邊坡，按一級臺階后仰放坡后，坡頂平臺坡高約6m～8m，邊坡傾向350°，走向80°，傾角30°～ 45°。如圖1所示，該巖質(zhì)邊坡坡面裸露，生長少量植被，坡體為白堊系泥質(zhì)粉砂巖，呈褐紅色，主要由石英及黏土礦物組成，泥質(zhì)膠結(jié)，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，在勘探深度范圍內(nèi)，按其風(fēng)化程度不同劃分為強(qiáng)、中風(fēng)化二帶。

①強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（K3）：褐紅色，大部分礦物已風(fēng)化變質(zhì)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，巖芯呈短柱狀，少量呈塊狀，具遇水軟化、失水崩解特點(diǎn)，屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，厚度0.60m～3.90m；

②中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（K4）：褐紅色，節(jié)理裂隙不甚發(fā)育，巖體較完整，巖芯多呈長柱狀，屬極軟巖，RQD>90為好，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，厚度4.90m～17.50m。

經(jīng)過勘察，場地內(nèi)邊坡巖層整體單斜產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀340°∠15°，處于欠穩(wěn)定—基本穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)結(jié)構(gòu)面與邊坡的關(guān)系，邊坡穩(wěn)定性受外傾層間結(jié)構(gòu)面控制，在雨季工況考慮裂隙水的作用，邊坡不穩(wěn)定，可能的破壞形式為沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生順層滑動破壞。因此對邊坡進(jìn)行加固處置，規(guī)范及設(shè)計要求邊坡加固后的穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1.35及以上。

圖1 邊坡局部失穩(wěn)垮塌

3 現(xiàn)狀邊坡數(shù)值模擬

取邊坡典型剖面，應(yīng)用FLAC3D軟件建立數(shù)值計算模型。該邊坡坡高8.09m，坡率1：1.25，層間結(jié)構(gòu)面傾角15°，間距約0.65m，巖層自上而下為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖?？紤]邊界條件影響，根據(jù)工程實(shí)際建立一級邊坡，左側(cè)平臺高15.20m，長8.50m；右側(cè)平臺高7.11m，長8.00m，模型寬0.3m，兩級平臺均按一般附加荷載施加5kPa外荷載。圖2是現(xiàn)狀邊坡模型，淺灰色為K4強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（自上而下分層K4-1～K4-2），深灰色為K5中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（自上而下分層K5-1～K5-16），黑色是層間結(jié)構(gòu)面，呈15°傾斜。模型參數(shù)見表1。模型計算中，結(jié)構(gòu)面采用Interface單元，巖層采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，邊坡安全系數(shù)采用強(qiáng)度折減法計算，并得到邊坡臨界狀態(tài)。

表1 現(xiàn)狀邊坡數(shù)值模型參數(shù)

圖2 現(xiàn)狀邊坡三維模型

圖3 邊坡最大剪應(yīng)變增量及速度矢量

經(jīng)過數(shù)值計算，現(xiàn)狀邊坡安全系數(shù)1.01，處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。結(jié)合邊坡結(jié)構(gòu)面分布，由圖2及圖3中剪應(yīng)變增量云圖可以推斷出邊坡潛在滑移面的位置：潛在滑動面沿坡腳結(jié)構(gòu)面向深部延伸，與結(jié)構(gòu)面重合，但在延伸約13.2m處拉裂上覆巖土體，最終貫通坡頂，貫通面距坡頂邊緣約5.5m，與邊坡現(xiàn)場局部失穩(wěn)相吻合。

4 錨桿支護(hù)及優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范，對該邊坡進(jìn)行初步設(shè)計。采用錨固支護(hù)體系，肋梁錨桿+截排水措施，設(shè)置豎向肋柱+全長粘結(jié)型錨桿，肋柱為暗梁嵌入邊坡形式，錨桿設(shè)置3道，傾角25°，垂直間距2.0m，錨桿長度從上至下為：9.0m、9.0m、6.0m，錨桿參數(shù)：Φ32三級鋼筋錨桿，錨固體為M30水泥砂漿。錨固體與強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的粘結(jié)強(qiáng)度分別為150kPa和280kPa，錨桿其他參數(shù)見表2。邊坡支護(hù)模型見圖4，深灰色為K5巖層，淺灰色為K4巖層，黑色為層間結(jié)構(gòu)面，坡面布置肋柱及25°斜交巖層的錨桿，其中肋柱為實(shí)體單元，錨桿為結(jié)構(gòu)單元。

圖4 邊坡初步設(shè)計支護(hù)模型

表2 錨桿參數(shù)

經(jīng)過數(shù)值計算，在錨固支護(hù)初步設(shè)計條件下，邊坡安全系數(shù)達(dá)到1.67，處于穩(wěn)定狀態(tài)且滿足相關(guān)要求。對支護(hù)后的邊坡狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值分析，首先是計算平衡后的穩(wěn)定狀態(tài)，其次是強(qiáng)度折減法計算后的臨界狀態(tài)，前者分析支護(hù)后邊坡的穩(wěn)定性，后者分析錨固支護(hù)后邊坡存在的變形趨勢。如圖5所示，邊坡錨固后巖土體發(fā)生微小變形，錨桿軸向應(yīng)力最大值為300kPa，位于巖土體變形過渡帶。經(jīng)強(qiáng)度折減計算達(dá)到臨界狀態(tài)時，錨桿軸向應(yīng)力最大值達(dá)到1.28MPa，約為邊坡錨固穩(wěn)定狀態(tài)下軸向應(yīng)力最大值的4.27倍，此時，邊坡潛在滑移面向深部擴(kuò)展，滑移面前后剪破巖體、中部與結(jié)構(gòu)面重合。

圖5 錨固邊坡穩(wěn)定狀態(tài)

以錨固支護(hù)初步設(shè)計為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行優(yōu)化，首先通過分析錨桿分布（數(shù)量、位置）、錨桿長度對邊坡穩(wěn)定性的影響，然后調(diào)整原有設(shè)計錨桿傾角，研究邊坡穩(wěn)定性，最后根據(jù)錨桿分布的優(yōu)化結(jié)果，分析兩根支護(hù)錨桿的垂直間距對邊坡穩(wěn)定性的影響。

4.1 錨桿分布及長度對邊坡穩(wěn)定性的影響

錨桿支護(hù)初步設(shè)計極大地提高了邊坡的穩(wěn)定性，但其設(shè)計仍具有優(yōu)化的價值。從未支護(hù)的邊坡失穩(wěn)形態(tài)可以看出，現(xiàn)狀邊坡失穩(wěn)潛在滑動面沿坡腳結(jié)構(gòu)面向深部發(fā)展，對比錨桿支護(hù)體系，考慮兩個問題：①錨桿分布是否合理；②相比于現(xiàn)狀未支護(hù)邊坡潛在滑動面位置，錨桿是否過長。

針對以上問題，首先變動初步設(shè)計錨桿數(shù)量及位置，分析邊坡穩(wěn)定性；其次在錨桿數(shù)量及位置變更后的設(shè)計基礎(chǔ)上，調(diào)整錨桿長度，分析邊坡穩(wěn)定性。優(yōu)化設(shè)計詳見表3、圖6。

表3 錨桿設(shè)計優(yōu)化

圖6 錨桿設(shè)計優(yōu)化模型

從安全系數(shù)變化可以看出：①調(diào)整初步設(shè)計錨桿數(shù)量，雖然邊坡安全系數(shù)稍稍減小，從1.67下降至1.65，但是成本大幅度降低；②調(diào)整兩排錨桿至肋柱中間，不改變2.0m的垂直間距，邊坡安全系數(shù)從1.65增加至1.72，表明兩排錨桿加固邊坡效果良好；③調(diào)整兩排錨桿長度，考慮潛在滑動面距離坡面的距離不同，分別將錨桿長度調(diào)整為9m+6m和6m+6m，安全系數(shù)分別下降了12%和19%，安全儲備較小。原設(shè)計在錨桿分布、長度上可以進(jìn)行優(yōu)化，一方面可大幅減少成本，另一方面邊坡穩(wěn)定性大幅提高。

4.2 錨桿傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響

錨桿傾角的設(shè)置與邊坡傾角、巖層傾角有密切關(guān)系，本文邊坡傾角約40°，巖層傾角15°，初步設(shè)計錨桿傾角25°，邊坡安全系數(shù)1.67，坡面與錨桿呈65°、巖層與錨桿呈40°相交。研究錨桿傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響，調(diào)整錨桿傾角為15°、20°、25°、30°、35°、40°，計算結(jié)果見表4。

表4 錨桿傾角優(yōu)化

如圖7所示，邊坡安全系數(shù)與錨桿傾角之間具有一定的關(guān)系，而對于順層巖質(zhì)邊坡，邊坡錨固效果還與巖層傾角有關(guān)。一般情況下，錨桿與巖層或?qū)用鎶A角不宜過小，錨桿與巖層大角度相交對于邊坡穩(wěn)定更有利。結(jié)合本文計算結(jié)果，錨桿與巖層的夾角為45°～55°，即錨桿傾角在30°～40°，邊坡穩(wěn)定性最優(yōu)，這與文獻(xiàn)[11]中錨桿與巖層的最優(yōu)夾角在40°～50°結(jié)論一致；隨著傾角增大，邊坡安全系數(shù)先緩慢增加，后基本呈線性增加趨勢。

圖7 邊坡安全系數(shù)與錨桿傾角的關(guān)系

圖8 邊坡安全系數(shù)與錨桿垂直間距的關(guān)系

4.3 錨桿垂直間距對邊坡穩(wěn)定性的影響

考慮到邊坡高度對三排錨桿間距范圍的限制，結(jié)合上文的優(yōu)化設(shè)計，在兩排9.0m錨桿+肋柱中間設(shè)計基礎(chǔ)上，調(diào)整錨桿垂直間距，垂直間距分別為1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m，對比分析邊坡穩(wěn)定性。從邊坡的安全系數(shù)變化（圖8）可以看出：錨桿垂直間距2.0m～2.5m，邊坡穩(wěn)定性最佳；垂直間距大于3.0m，安全系數(shù)小于1.7；錨桿間距小于2.0m，邊坡穩(wěn)定性明顯減弱。由此表明，存在臨界間距使邊坡最穩(wěn)定，錨桿間距小于臨界值，邊坡安全系數(shù)急劇減小，支護(hù)效果降低；大于臨界值，邊坡安全系數(shù)緩慢下降。邊坡安全系數(shù)與錨桿垂直間距擬合關(guān)系如式1所示，二者為三次函數(shù)關(guān)系：

F為安全系數(shù)，y為兩排錨桿的垂直間距。

經(jīng)強(qiáng)度折減計算得到安全系數(shù)、錨桿軸力及邊坡位移云圖（圖9）。圖9表明：①兩根錨桿軸力分布不同，相較于第二排錨桿，第一排錨桿最大軸力部位距離坡面更近，表明第一排錨桿更先發(fā)揮作用；②邊坡錨固后臨界狀態(tài)下的潛在滑動面基本分布在錨桿末端或者繞過錨桿，與未錨固的邊坡滑動面分布明顯不同；③肋梁頂部巖土體剪切應(yīng)變增量集中，在不良工況下，容易發(fā)生較大變形。

4.4 錨固優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在錨固支護(hù)初步設(shè)計基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計：肋梁中間設(shè)置上下雙排錨桿，長度9.0m，傾角30°～ 40°，垂直間距2m～2.5m。相比于初步設(shè)計，不僅提高了邊坡穩(wěn)定性，而且降低了邊坡加固成本，對于該工程實(shí)際具有重要意義。圖10是錨固優(yōu)化設(shè)計剖面、立面圖，錨固設(shè)計：設(shè)置上下雙排錨桿，長度9.0m，傾角35°，垂直間距2.5m，安全系數(shù)1.72。

圖10 錨固優(yōu)化設(shè)計剖面圖（左）和立面圖（右）（尺寸標(biāo)注：mm）

5 結(jié)語

應(yīng)用FLAC3D軟件對泥質(zhì)粉砂巖順層邊坡穩(wěn)定性、錨固設(shè)計及優(yōu)化進(jìn)行分析，得到結(jié)論如下：

①巖層傾角小于邊坡傾角的順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)時，邊坡沿坡腳及以上多層結(jié)構(gòu)面發(fā)生變形破壞，滑動面前、中部與結(jié)構(gòu)面重合，后部拉裂巖土體。

②在邊坡錨固支護(hù)初步設(shè)計基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，滿足穩(wěn)定性要求，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對錨桿分布（數(shù)量、位置）、錨桿長度、錨桿傾角、錨桿垂直間距等設(shè)計因素進(jìn)行優(yōu)化：錨桿布置在邊坡中部較為合理；錨桿與巖層夾角為45°～55°對于邊坡穩(wěn)定最有利，錨桿傾角增大，邊坡安全系數(shù)先基本呈線性增加后有降低趨勢；邊坡安全系數(shù)與雙排錨桿垂直間距為三次函數(shù)關(guān)系，存在峰值。提高了邊坡安全系數(shù)，降低了成本，對于工程實(shí)際具有參考意義。

③本文工程實(shí)例中，錨桿與巖層夾角在45°～55°范圍，邊坡安全系數(shù)最大，錨桿最優(yōu)垂直間距在2.0m～2.5m范圍內(nèi)，對邊坡穩(wěn)定性最有利。