張永闖

（廣西大漢巖土工程有限責任公司，廣西 桂林541001）

邊坡穩(wěn)定性分析是保證工程建設(shè)安全的重要前提。我國是個多山國家，邊坡成為修建高速公路不可逾越的障礙，其中最為常見的便是順層巖質(zhì)邊坡。國內(nèi)外眾多研究人員對此問題進行研究［1-5］。 孔憲斌［6］為確定巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)，開展了砂巖、砂巖夾泥巖、泥巖、頁巖在天然狀態(tài)及飽和狀態(tài)下的原位抗剪試驗。 根據(jù)試驗設(shè)計參數(shù)對全線順層路基邊坡進行了優(yōu)化設(shè)計；吳多華等［7］以四川省安縣干磨房滑坡為原型，設(shè)計并完成了比例為1∶100的順層巖體邊坡大型振動臺試驗。通過逐級加載不同峰值、頻率和持時的地震波， 研究了地震荷載作用下邊坡的動力響應(yīng)特征和變形破壞機制；劉新榮等［8］采用振動臺模型試驗和UDEC離散元數(shù)值計算方法，深入地探究了庫區(qū)典型順傾層狀巖質(zhì)邊坡在高頻次微小地震下的累積損傷和穩(wěn)定性。

綜上所述， 對于邊坡穩(wěn)定性分析的研究成果較多，分析方法也已經(jīng)逐步走向成熟，然而隨著實際工程的需要，不同類型的公路路塹順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析仍然有許多需要考慮的問題，因此本文以巖層厚度和巖體特性為基礎(chǔ)對順層巖質(zhì)邊坡進行分類，分析其變形失穩(wěn)機理及影響因素。 同時，以廣巴高速典型順層邊坡為實際案例，對其進行開挖及支護穩(wěn)定性分析，以期對其他類似工程具有一定的參考價值。

1 順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

1.1 有限元模型

根據(jù)順層邊坡的巖體結(jié)構(gòu)特征， 將順層邊坡分為硬巖-硬巖互層組合，硬巖-軟巖互層組合，硬巖夾軟巖組合及軟巖夾硬巖組合邊坡4 類。 考慮到軟巖-軟巖互層組合與硬巖-硬巖互層組合巖性結(jié)構(gòu)類似，所得規(guī)律基本一致，此處僅歸為一類且以硬巖-硬巖互層組合分析。 硬巖-硬巖互層組合及硬巖-軟巖互層組合模型中，硬巖層與軟巖層層厚相等，而硬巖夾軟巖組合以及軟巖夾硬巖組合邊坡存在層厚差異，為便于進行規(guī)律性研究，凸顯出計算規(guī)律，控制層厚分別為1.0m 及0.3m，即硬巖夾軟巖組合中硬巖層厚1.0m，軟巖層厚0.3m，軟巖夾硬巖組合邊坡反之。

所有模型尺寸底寬50m，左高30m，右高30m，邊坡高15m，邊坡坡腳暫定45°。邊界條件為底部兩向約束，頂部為自由表面，左右兩側(cè)施加水平向約束。 采用六節(jié)點三角形單元對模型進行有限元離散。4類順層邊坡計算模型如圖1所示。

圖1 不同順層巖質(zhì)邊坡計算模型

順層邊坡巖體由巖石和結(jié)構(gòu)面組合而成。 對于硬-硬組合順層邊坡， 模型材料包含硬質(zhì)巖和結(jié)構(gòu)面。 硬-軟組合順層邊坡、硬夾軟組合邊坡及軟夾硬組合邊坡則包含硬質(zhì)巖、軟質(zhì)巖和結(jié)構(gòu)面3種材料。巖石采用實體單元模擬， 服從摩爾-庫倫理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系； 結(jié)構(gòu)面切向力學行為服從摩爾-庫倫理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系。 各材料的物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖物理力學參數(shù)

1.2 順層巖質(zhì)邊坡巖層傾角的影響

模型中巖層厚度固定為1.0m， 巖層傾角在15°～75°內(nèi)變化，角度間隔10°，共計7個模型。 為量化不同巖層傾角對邊坡的具體影響，以安全系數(shù)為指標，匯總不同巖層傾角變化下各邊坡安全系數(shù)， 繪制不同巖層傾角與計算所得安全系數(shù)曲線如圖2（a）所示。據(jù)圖2（a）可知，隨著巖層傾角的變化，硬巖軟巖互層邊坡安全性最高，其次是硬巖夾軟巖邊坡，硬巖-硬巖邊坡及軟巖夾硬巖邊坡。 硬巖軟巖互層邊坡對其敏感度最小，但從數(shù)值上看，確可看出先輕微減小后輕微增大再繼續(xù)減小的趨勢； 硬巖夾軟巖邊坡，硬巖-硬巖邊坡隨著巖層傾角的增大，呈現(xiàn)出先減小后逐漸增大的趨勢，當巖層傾角為25°時，邊坡安全性最小，而軟巖夾硬巖邊坡呈現(xiàn)出先基本不變，當超多45°后邊坡安全系數(shù)逐漸增大的趨勢。 由此可見，當巖層傾角在25°附近時，順層邊坡安全性最低，特別需要注意具有此順層傾角的天然邊坡穩(wěn)定性。

圖2 不同影響因素下各組合邊坡計算所得安全系數(shù)

1.3 順層巖質(zhì)邊坡巖層厚度的影響

為研究巖層厚度的影響，選擇硬巖-硬巖組合邊坡及硬巖-軟巖組合邊坡，固定巖層傾角50°，變化層厚0.1，0.3，0.5，0.7，1.0，1.2，1.5，2.0，3.0，5.0m，共計10個工況進行計算分析。 繪制不同巖層厚度與計算所得安全系數(shù)曲線如圖2（b）所示。據(jù)圖2（b）可知，隨著巖層厚度的增大，硬巖-硬巖邊坡與硬巖軟巖互層邊坡安全性均出現(xiàn)不同程度的降低。 具體來說，硬巖-硬巖邊坡在當巖層厚度低于2.0m內(nèi)， 邊坡安全系數(shù)降低幅度較小，從3.30降至3.24，但當巖層厚度超過2.0m后，出現(xiàn)安全系數(shù)的急劇降低，由3.24降至2.66；硬巖軟巖互層邊坡在當巖層厚度低于1.5m內(nèi)， 邊坡安全系數(shù)急劇降低，由4.57降至4.47，但當巖層厚度超過1.5m后， 出現(xiàn)安全系數(shù)的基本穩(wěn)定甚至些微上升，由4.47升至4.48。 此外，從數(shù)值上看，隨著巖層厚度變化，硬巖軟巖互層邊坡安全性均遠大于硬巖-硬巖邊坡。

1.4 順層巖質(zhì)邊坡坡角的影響

為研究巖層厚度的影響， 選擇四類組合邊坡，固定巖層傾角45°，層厚1m，邊坡開挖坡角變化范圍為30°～80°，10°為增量梯度， 共計6個工況進行計算分析。 繪制不同開挖坡角與計算所得安全系數(shù)曲線如圖2（c）所示。 據(jù)圖2（c）可知，隨著開挖坡角的逐漸增加，各組合邊坡安全系數(shù)均出現(xiàn)近乎線形的減小。 其中，硬巖夾軟巖組合邊坡對邊坡開挖坡角最為敏感，當坡角超過40°以后便無法計算收斂；軟巖夾硬巖組合邊坡及硬巖-硬巖邊坡次之， 可計算邊坡開挖坡角40°時的安全系數(shù)， 超過后邊坡繼續(xù)進行計算； 硬巖-軟巖邊坡則可以計算當開挖坡角最大為60°時的安全系數(shù)。 與此同時，隨著開挖坡角的增大， 安全系數(shù)由大到小的邊坡類型分別為硬巖-軟巖邊坡，硬巖夾軟巖組合邊坡，硬巖-硬巖邊坡及軟巖夾硬巖組合邊坡。

2 順層巖質(zhì)邊坡開挖數(shù)值模擬

2.1 工程背景

廣巴高速起于廣元市西南約10km的楊家灣，止于巴中市東南約4km的穆家壩，全長148.805km。廣巴高速樁號K30+865～K31+025左側(cè)邊坡位于淺丘坡頂部位，為塊狀粉砂巖蓋頂于層狀紫紅色泥巖之上。粉砂巖分布于上部12～16m，呈土黃色，粗粒，含長石和巖屑成分較多。 巖層層面產(chǎn)狀298°∠120～16°，層面間距大于1.5m，面平直稍粗糙、層面結(jié)合緊密、無充填。 概化模型邊坡巖層傾角為順傾向20°，巖層厚度層狀紫紅色泥巖之上塊狀粉砂巖層厚平均2.7m，層狀紫紅色泥巖之下層厚平均1.5m。 左側(cè)第一級邊坡開挖坡角為38°，第二級邊坡開挖坡角56°，右側(cè)邊坡開挖坡角為56°。

2.2 天然穩(wěn)定性分析

計算采用邊坡巖土體物理力學參數(shù)如表2。建立如圖3所示邊坡計算模型，其中左右邊界約束水平位移，底部約束兩向位移，頂面自由；計算模型底部長130m，左側(cè)邊界高56m，右側(cè)邊界高32m；采用6節(jié)點三角形單元進行網(wǎng)格劃分， 得到8239個單元，16698個節(jié)點。經(jīng)計算，計算關(guān)鍵云圖如圖4所示。邊坡天然狀態(tài)下穩(wěn)定性安全系數(shù)為3.79，處于穩(wěn)定狀態(tài)。 左側(cè)邊坡坡頂最高處由于重力作用下存在最大位移，與此同時，右側(cè)邊坡最大位移隨著層面發(fā)展，向巖層結(jié)構(gòu)面與底部邊界處匯集；最大剪應(yīng)變?yōu)?.03，集中分布與左側(cè)邊坡最上部及右側(cè)邊坡巖層結(jié)構(gòu)面與底部邊界交匯處聚集，印證了位移發(fā)展；從屈服區(qū)可以看出，邊坡在自重作用下，在左側(cè)邊坡、右側(cè)邊坡大部及邊坡中部上緣處發(fā)生大部分屈服。 綜合以上分析可以看出，邊坡在天然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 邊坡巖土體物理力學參數(shù)

圖3 天然狀態(tài)下邊坡計算模型

圖4 天然狀態(tài)下邊坡計算關(guān)鍵云圖

2.3 開挖邊坡穩(wěn)定性分析

鑒于道路修建途徑此處， 因此應(yīng)根據(jù)實際開挖情況進行開挖穩(wěn)定性分析， 確定邊坡開挖后的穩(wěn)定及需要支護加固與否。 邊坡擬挖深度11～17m，開挖坡比1∶0.75，采用切層開挖。經(jīng)計算，第一級邊坡開挖后穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.93，處于穩(wěn)定狀態(tài)；第二級邊坡開挖后穩(wěn)定性安全系數(shù)為0.96，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要采取支護加固治理，方可進行路面的修建。由邊坡開挖后屈服區(qū)分布圖5可以看出，第一級邊坡開挖后，邊坡在自重作用下，在左側(cè)邊坡、右側(cè)邊坡大部及邊坡中部上緣處發(fā)生小部分屈服， 較邊坡未開挖天然狀態(tài)下范圍更小，應(yīng)力得到局部釋放；第二級邊坡開挖后，邊坡在自重作用下，在左側(cè)邊坡坡頂處、右側(cè)邊坡邊界處及邊坡中部開挖表面處發(fā)生小部分屈服，較第一級邊坡開挖范圍更小，應(yīng)力得到進一步釋放，同時結(jié)合邊坡位移趨勢可知，邊坡開挖后開挖面底部受到擠壓，發(fā)生屈服。

圖5 開挖后邊坡塑性區(qū)分布云圖

綜合分析看出， 第一級邊坡開挖后邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)， 但當?shù)诙夁吰麻_挖后邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要采取支護加固措施進行穩(wěn)定，保證高速公路修建與運營的安全性。

3 邊坡加固數(shù)值模擬

3.1 抗滑樁加固

由于邊坡開挖完畢后處于不穩(wěn)定狀態(tài)， 本文采取常見的抗滑樁、 錨桿框架梁及抗滑擋土墻進行加固數(shù)值模擬分析，以尋求較為適宜的加固方式。計算采邊支護結(jié)構(gòu)參數(shù)如3。

表3 支護結(jié)構(gòu)力學參數(shù)

采取抗滑樁加固開挖后的邊坡， 同時聯(lián)合削坡與噴射混凝土技術(shù)對坡面進行相應(yīng)防護，其中布置1排抗滑樁，樁長16m，尺寸1.8 m×2.5m，加固于第一級邊坡頂部，邊坡左側(cè)后緣由于過于陡峭，對其進行小范圍削方處理， 同時施加10kPa均布荷載于路面，以模擬相應(yīng)荷載對邊坡的反壓影響， 最后計算模型如圖6（a）。

圖6 不同支護方式邊坡計算模型

經(jīng)計算， 邊坡在抗滑樁加固下穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.31，處于穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡的總位移分布及Mises應(yīng)力分布分別如圖7（a），8（a）。 左側(cè)第一級邊坡坡頂存在最大位移，且出現(xiàn)于抗滑樁加固附近，原因可能在于邊坡抗滑樁對邊坡存在擾動。綜合分析看出，邊坡在抗滑樁加固作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)， 但由于抗滑樁的打入對于樁右側(cè)臨空邊坡土體的約束作用不強，同樣存在較大位移。

圖7 不同支護方式邊坡計算總位移云圖

圖8 不同支護方式邊坡計算Mises應(yīng)力分布

3.2 錨桿框架梁加固

本文采取錨桿框架梁加固開挖后的邊坡， 同時聯(lián)合削坡與噴射混凝土技術(shù)對坡面進行相應(yīng)防護，其中第二級邊坡布置4排錨桿，間距5m，長度從長到短依次為25，21，17，12m； 第一級邊坡布置3排錨桿，間距5m，長度均為17m；錨索與水平面成30°打入邊坡體，直徑150mm；邊坡左側(cè)后緣由于過于陡峭，對其進行小范圍削方處理，同時施加10kPa均布荷載于路面，以模擬相應(yīng)荷載對邊坡的反壓影響，最后計算模型如圖6（b）。

經(jīng)計算， 邊坡在錨桿框架梁加固下穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.32， 處于穩(wěn)定狀態(tài)。 邊坡的總位移分布及Mises應(yīng)力分布分別如圖7（b）、圖8（b）。 右側(cè)邊坡出現(xiàn)最大位移6.78cm，左側(cè)邊坡位移支護較為均勻，展現(xiàn)出錨桿對邊坡位移支護的良好性能；Mises應(yīng)力及塑性區(qū)同時表明，路面下部至巖層結(jié)構(gòu)面區(qū)域、巖層結(jié)構(gòu)面與模型底部邊界交匯處存在較大應(yīng)力集中。綜合分析看出， 邊坡在錨桿加固作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)，且位移能夠得到良好的控制。

3.3 抗滑擋土墻加固

采取抗滑擋土墻加固開挖后的邊坡， 最后計算模型如圖6（c）。 經(jīng)計算，邊坡在擋土墻加固下穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.13，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。 邊坡的總位移分布及Mises應(yīng)力分布分別如圖7（c）、圖8（c）。邊坡左側(cè)最高處出現(xiàn)最大位移7cm，相較于開挖后邊坡位移發(fā)展趨勢并無太大變化，安全系數(shù)得以提高，這與擋土墻加固原理吻合， 僅依靠自身重力對墻后變形土體產(chǎn)生約束；Mises應(yīng)力及塑性區(qū)同時表明， 擋土墻底部至巖層結(jié)構(gòu)面區(qū)域、 巖層結(jié)構(gòu)面與模型底部邊界交匯處存在較大應(yīng)力集中。綜合分析看出，邊坡在擋土墻加固作用下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)， 但未能滿足規(guī)范要求的安全系數(shù)1.15。

根據(jù)對3種加固方式的計算，對比發(fā)現(xiàn)，邊坡在抗滑樁加固作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)為1.32，但由于抗滑樁的打入對于樁右側(cè)臨空邊坡土體的約束作用不強，邊坡第一級邊坡坡面存在較大位移；邊坡在錨桿加固作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)， 安全系數(shù)為1.31，且位移能夠得到良好的控制；邊坡在擋土墻加固作用下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)， 但未能滿足規(guī)范要求的安全系數(shù)1.15，且位移約束效果不佳，加之擋土墻體量過大， 現(xiàn)場施工不便， 因此舍棄擋土墻加固方案，最優(yōu)可采用錨桿框架梁加固方案。

4 結(jié)語

（1）通過系統(tǒng)研究順層巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)類型及破壞機理， 根據(jù)順層巖質(zhì)邊坡的結(jié)構(gòu)類型及巖層單層厚度的組合，可將順層巖質(zhì)邊坡分為硬巖-硬巖互層組合邊坡，硬巖-軟巖互層組合邊坡，硬巖夾軟巖組合邊坡及軟巖夾硬巖組合邊坡4類。

（2）發(fā)現(xiàn)當巖層傾角在25°附近時，順層邊坡安全性最低， 特別需要注意具有此順層傾角的天然邊坡穩(wěn)定性；隨著巖層厚度的增大，硬巖-硬巖邊坡與硬巖軟巖互層邊坡安全性均出現(xiàn)不同程度的降低且硬巖軟巖互層邊坡安全性均遠大于硬巖-硬巖互層邊坡；隨著開挖坡角的逐漸增加，各組合邊坡安全系數(shù)均出現(xiàn)近乎線形的減小；與此同時，隨著開挖坡角的增大，安全系數(shù)由大到小的邊坡類型分別為硬巖-軟巖邊坡，硬巖夾軟巖組合邊坡，硬巖-硬巖邊坡及軟巖夾硬巖組合邊坡。

（3） 案例涉及的順層邊坡在天然狀態(tài)下具有較好的自穩(wěn)性，但在路塹開挖未支護情況下易失穩(wěn)；在抗滑樁加固作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)，但存在較大位移；在錨桿加固作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)， 且位移能夠得到良好控制； 邊坡在擋土墻加固作用下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但未能滿足規(guī)范要求的安全系數(shù)1.15，且位移約束效果不佳， 加之擋土墻體量過大， 現(xiàn)場施工不便。 綜合選用錨桿框架梁加固方案。