朱 同 鄭 杰

（1.江西省勘察設(shè)計(jì)研究院，南昌 330095；2.中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300）

1 引言

順層巖質(zhì)邊坡的天然穩(wěn)定性較好，若不是受人為開挖因素的影響，很少遇到自然滑塌情況。 由于對該類邊坡的工程性狀、 破壞機(jī)理尚缺乏深入的、系統(tǒng)的理論研究，因此發(fā)生順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的重大事故屢見不鮮[1]。 國內(nèi)外眾多研究人員對此問題進(jìn)行研究[2-4]，孔憲斌[5]為確定巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)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(yàn)， 根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)對全線順層路基邊坡進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；何泓江等[6]針對西南地區(qū)軟硬互嵌順層巖質(zhì)邊坡開挖變形及防治問題，通過有限元計(jì)算，分析了某典型巖坡開挖后的應(yīng)力及變形， 并對抗滑樁加固后的巖坡進(jìn)行了對比分析；卞康[7]基于二維顆粒流軟件PFC2D 的人工合成巖體技術(shù)（SRM），研究了巖橋傾角和節(jié)理間距不同組合形式的含順層斷續(xù)節(jié)理巖質(zhì)邊坡在地震作用下的破壞模式與動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律；王章瓊等[8]以貴州某水電站大壩左岸含陡傾結(jié)構(gòu)面順層邊坡為例，在綜合分析地質(zhì)條件及開挖擾動(dòng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合離散元軟件UDEC，分析了邊坡的變形破壞模式和穩(wěn)定性。

綜上所述，雖然對于邊坡穩(wěn)定性分析的研究成果較多，但目前缺乏關(guān)于加固措施的合理性選擇及加固措施效果分析的相關(guān)研究，因此本文以廣巴高速典型順層邊坡為實(shí)際案例進(jìn)行開挖穩(wěn)定性模擬，同時(shí)對抗滑樁及錨桿框架梁支護(hù)方案進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析，以期對類似工程提供參考。

2 順層巖質(zhì)邊坡開挖數(shù)值模擬

2.1 有限元模型

本文以廣巴高速樁號K30+865～K31+025 左側(cè)邊坡為工程實(shí)際案例， 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12～16 m，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1.5 m，面平直稍粗糙、層面結(jié)合緊密、無充填。

計(jì)算采用邊坡及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。 鑒于道路修建途經(jīng)此處，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際開挖情況進(jìn)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(hù)加固與否。 邊坡擬挖深度11～17 m，開挖坡比1∶0.75，采用切層開挖，建立邊坡計(jì)算模型，如圖1 所示。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(jì)算模型底部長130 m，左側(cè)邊界高56 m，右側(cè)邊界高32 m；采用6 節(jié)點(diǎn)三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到8239 個(gè)單元，16698 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 開挖計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算， 將邊坡關(guān)鍵云圖匯總進(jìn)行對比分析。 由圖2 邊坡開挖最大剪應(yīng)變分布可知，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(hù)加固治理，方可進(jìn)行路面修建。 由圖3 邊坡開挖后總位移分布可知，第一級邊坡開挖后最大位移為1.9 cm，同樣在左側(cè)邊坡坡頂最高處由于重力作用下存在最大位移，同時(shí)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； 第二級邊坡開挖后最大位移2.64 cm，此時(shí)由于邊坡開挖方量過大，導(dǎo)致左側(cè)邊坡沿著結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)較大位移，而右側(cè)邊坡由于應(yīng)力釋放位移較小。 由圖4 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(jìn)一步釋放， 同時(shí)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。

表1 邊坡及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

圖1 開挖邊坡計(jì)算模型

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(dāng)?shù)诙夁吰麻_挖后邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要采取支護(hù)加固措施進(jìn)行穩(wěn)定，保證高速公路修建與運(yùn)營的安全性。

圖2 開挖后邊坡最大剪應(yīng)變分布

圖3 開挖后邊坡總位移分布

圖4 開挖后邊坡塑性區(qū)分布云圖

3 抗滑樁加固優(yōu)化分析

3.1 抗滑樁樁位優(yōu)化

對抗滑樁布置具體部位進(jìn)行研究分析， 選擇第一級邊坡坡頂前緣、第一級邊坡坡頂后緣（第二級邊坡坡腳）， 以及第二級邊坡坡頂位置進(jìn)行布樁分析，經(jīng)計(jì)算分別得到邊坡安全系數(shù)為1.25、1.31、1.02。 以安全系數(shù)為主要評價(jià)指標(biāo)，可知當(dāng)抗滑樁布置于第二級邊坡坡腳位置時(shí)邊坡穩(wěn)定性最好。

3.2 抗滑樁與錨桿組合加固

組合支護(hù)相對于單一支護(hù)方案具有較大優(yōu)勢，為此聯(lián)合錨桿與抗滑樁對邊坡進(jìn)行支護(hù)穩(wěn)定性驗(yàn)算，其中第二級邊坡采用三排錨桿進(jìn)行加固，抗滑樁布置于第一級邊坡坡頂位置，如圖5 所示，得到邊坡安全系數(shù)為1.26。 相較于抗滑樁單獨(dú)支護(hù)（安全系數(shù)為1.30）， 在第一級邊坡施加錨桿后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)反而減小了，原因可能在于第一級邊坡本屬于穩(wěn)定巖土體，在施加錨桿支護(hù)后反而破壞了巖土體的穩(wěn)定性，致使破土體些微破碎化，變形過大，安全性能存在部分降低。 因此針對本斷面工程，不適宜采用此抗滑樁與錨桿聯(lián)合支護(hù)方案。

圖5 抗滑樁與錨桿聯(lián)合支護(hù)計(jì)算模型

3.3 傾斜抗滑樁加固

為驗(yàn)算抗滑樁傾斜角度對加固效果的影響，對抗滑樁打入角度進(jìn)行優(yōu)選，其中分4 個(gè)工況，即抗滑樁于水平面各成20°、40°、60°、80°打入邊坡。將計(jì)算結(jié)果匯總并繪制不同傾斜程度抗滑樁角度與邊坡計(jì)算所得安全系數(shù)結(jié)果于圖6。據(jù)圖6 可以看出，隨著抗滑樁傾斜角度的增加，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢， 當(dāng)抗滑樁與水平面成60°左右打入時(shí)邊坡穩(wěn)定性最好。

圖6 抗滑樁角度與安全系數(shù)關(guān)系曲線

4 錨桿框架梁優(yōu)化分析

4.1 錨桿間距及錨桿長度

為分析錨桿間距對支護(hù)效果的影響，選擇兩級邊坡錨桿間距為2～5 m，間距增量梯度為1 m，得到錨桿不同間距加固邊坡后安全系數(shù)及相應(yīng)總位移，繪制不同錨桿間距與計(jì)算所得關(guān)鍵指標(biāo)的曲線如圖7（a）所示。 由圖7（a）可知，隨著錨桿間距的增大，邊坡安全系數(shù)基本保持一致，并未出現(xiàn)較大幅度的變化，而邊坡最大位移值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。以安全系數(shù)為主要評價(jià)指標(biāo)，可知當(dāng)間距為5 m時(shí)邊坡穩(wěn)定性最好。

圖7 錨桿間距、長度關(guān)系曲線圖

為分析錨桿長度對支護(hù)效果的影響，選擇錨桿間距為5 m，錨桿打入角度20°，共5 組工況，得到錨桿長度加固邊坡后的安全系數(shù)及相應(yīng)的總位移，繪制不同錨桿長度與計(jì)算所得關(guān)鍵指標(biāo)的曲線如圖7（b）所示。 由圖7（b）可知，隨著錨桿長度的增大，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)出急劇增大后保持平穩(wěn)的趨勢，當(dāng)?shù)谝患夁吰洛^桿長度15 m，第二級邊坡長度10 m 組合時(shí)，邊坡安全系數(shù)達(dá)到最大；與此同時(shí)，邊坡最大位移值呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢，當(dāng)?shù)谝患夁吰洛^桿長度25 m， 第二級邊坡長度20 m 組合時(shí)，位移值達(dá)到最小1.34 cm。 以安全系數(shù)為主要評價(jià)指標(biāo)，可知當(dāng)?shù)谝患夁吰洛^桿長度15 m，第二級邊坡長度10 m 組合時(shí)邊坡穩(wěn)定性最好。

4.2 錨桿打入角度

為分析錨桿角度對支護(hù)效果的影響， 選擇錨桿間距為5 m，變化錨桿打入角度10°～90°，角度增量梯度為10°，共9 組工況，得到錨桿不同打入角度加固邊坡后的安全系數(shù)及相應(yīng)的總位移，繪制不同打入角度與計(jì)算所得關(guān)鍵指標(biāo)的曲線如圖8 所示。 由圖8 可知，隨著錨桿打入角度的增大，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)出先逐漸增大后急劇減小的趨勢， 當(dāng)錨桿打入角度在60°時(shí)可獲得最大邊坡安全系數(shù)1.47， 而邊坡最大位移值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。

圖8 錨桿打入角度與邊坡計(jì)算所得關(guān)鍵指標(biāo)關(guān)系曲線

4.3 錨桿交叉角度

（1）第二級邊坡錨桿角度固定，第一級邊坡錨桿變化角度

為研究兩級邊坡之間錨桿夾角對其支護(hù)效果的影響，首先將第二級邊坡錨桿角度固定，第一級邊坡錨桿角度變化0°～60°，共6 個(gè)工況，繪制兩級不同錨桿夾角與計(jì)算所得關(guān)鍵指標(biāo)的曲線如圖9（a）所示。由圖9（a）可以看出，固定第二級邊坡錨桿角度，變化第一級邊坡錨桿角度，使得兩級邊坡錨桿之間夾角逐漸增大，邊坡安全系數(shù)出現(xiàn)逐漸增大，后急劇減小的趨勢，當(dāng)?shù)谝患夊^桿打入角度為60°時(shí)邊坡取得最大安全系數(shù)， 即兩級錨桿夾角為40°時(shí)邊坡支護(hù)最為穩(wěn)定。 邊坡位移隨著錨桿夾角的增大，也出現(xiàn)逐漸增大的趨勢，同時(shí)在兩級錨桿夾角為40°時(shí)邊坡最大位移值較小，符合規(guī)范要求。

（2）第一級邊坡錨桿角度固定，第二級邊坡錨桿變化角度

經(jīng)過第一部分的研究，當(dāng)?shù)谝患夁吰洛^桿角度為60°時(shí)加固效果最好， 為此固定第一級邊坡錨桿角度，第二級邊坡錨桿角度變化0°～60°，共6 個(gè)工況，繪制兩級不同錨桿夾角與計(jì)算所得關(guān)鍵指標(biāo)的曲線如圖9（b）所示。 由圖9（b）可以看出，固定第一級邊坡錨桿角度，變化第二級邊坡錨桿角度，使得兩級邊坡錨桿之間夾角逐漸增大，邊坡安全系數(shù)及邊坡最大位移值均出現(xiàn)先急劇減小后基本平穩(wěn)振蕩變化的趨勢， 當(dāng)?shù)谝患夊^桿打入角度為60°時(shí)邊坡取得最大安全系數(shù)，即兩級錨桿夾角平行打入邊坡時(shí)邊坡支護(hù)最為穩(wěn)定。

圖9 變化兩級邊坡錨桿角度邊坡關(guān)鍵指標(biāo)曲線

5 結(jié)論

本文采用Phase 軟件對實(shí)際工程順層巖質(zhì)邊坡的加固措施優(yōu)化情況進(jìn)行了模擬分析， 得到以下結(jié)論：

（1）針對抗滑樁優(yōu)化計(jì)算，對比發(fā)現(xiàn)抗滑樁布置于第二級邊坡坡腳位置時(shí)邊坡穩(wěn)定性最好；抗滑樁與錨桿組合支護(hù)邊坡安全系數(shù)為1.26，不選擇此抗滑樁與錨桿聯(lián)合支護(hù)方案；隨著抗滑樁傾斜角度的增加， 邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢， 當(dāng)抗滑樁與水平面成60°左右打入時(shí)邊坡穩(wěn)定性最好。

（2）針對錨桿框架梁優(yōu)化分析，對比發(fā)現(xiàn)，兩級邊坡錨桿間距選擇為5 m， 選擇第一級邊坡錨桿長度15 m，第二級邊坡長度10 m，兩級錨桿均與水平面成60°平行打入時(shí)， 對于邊坡整體的塑性區(qū)、位移、應(yīng)力及屈服區(qū)具有較為明顯的改善，可以較好地保證邊坡穩(wěn)定性及位移要求，同時(shí)減少過多的錨桿使用，使得施工和材料成本得以合理控制，保證加固措施的經(jīng)濟(jì)性。