張騫棋，陳渤，鄭斌，張文居

(四川藏區(qū)高速公路有限責(zé)任公司，成都 610041)

我國西南山區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活動(dòng)強(qiáng)烈，大面積隆起成山，局部斷陷，河流發(fā)育，地表深切，山體多陡峻，境內(nèi)公路多以半填半挖、深挖路塹的方式通過，從而形成了大量的巖質(zhì)高陡邊坡。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，部分低等級(jí)公路亟待改擴(kuò)建，以提高交通運(yùn)輸功能。高陡邊坡開挖穩(wěn)定性對(duì)工程工期、安全具有較大影響，眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。閆強(qiáng)認(rèn)為研究開挖過程中的邊坡變形規(guī)律及其穩(wěn)定性,尋求合理的開挖支護(hù)方法及邊坡加固措施,對(duì)于確保改擴(kuò)建邊坡工程的安全穩(wěn)定有著重要意義[1]；趙欣桐認(rèn)為邊坡的穩(wěn)定性對(duì)開挖坡比較敏感[2]；文軍強(qiáng)認(rèn)為高速公路改擴(kuò)建工程中既有高邊坡二次開挖受開挖方式影響,其穩(wěn)定性及變形控制是極為特殊、復(fù)雜的巖土工程問題[3]；馮云鶴在分析二次開挖特殊性的基礎(chǔ)上,提出了適用于既有高邊坡二次開挖施工的原則與工藝[4]。針對(duì)層狀巖質(zhì)邊坡開挖穩(wěn)定性，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了大量研究[8-9]。但是，我國西部地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱，公路工程建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境以及土地資源產(chǎn)生的影響十分嚴(yán)重，公路改擴(kuò)建除了要考慮邊坡穩(wěn)定性以外，更需要考慮環(huán)境保護(hù)與節(jié)約耕地的問題。姚裕春研究認(rèn)為我國西部山地環(huán)境災(zāi)害是地球內(nèi)外動(dòng)力耦合作用的產(chǎn)物,邊坡開挖對(duì)山地環(huán)境影響表現(xiàn)為影響了山地動(dòng)力系統(tǒng)及山地動(dòng)力系統(tǒng)作用的環(huán)境,從而加速山區(qū)環(huán)境演變和引發(fā)山地邊坡災(zāi)害[5]；曹興松利用楔體理論分析了開挖邊坡坡體內(nèi)的應(yīng)力與變形規(guī)律,提出了由此確定開挖影響范圍和潛在滑面的方法,并且作了具體工程實(shí)例的分析[6]。因此，研究如何通過控制邊坡開挖坡率降低工程對(duì)環(huán)境的影響以及節(jié)約耕地具有重要意義。

本文以鄂西某改擴(kuò)建公路的一段高陡邊坡為例，在查明基本地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬，按照不同坡比進(jìn)行開挖，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，旨在保證邊坡開挖后穩(wěn)定的前提下，就其開挖坡率選擇提出了建議意見，供類似工程參考。

1 工程概況

1.1 地形地貌

利用輕小型無人機(jī)攝影+Smart3D建模技術(shù)獲得研究區(qū)的三維模型，如圖1。

圖1 研究區(qū)三維模型圖

選取改擴(kuò)建公路開挖范圍內(nèi)高度最大的K2+200～400段邊坡為研究對(duì)象，坡高70～95 m，坡面傾向?yàn)?5°，邊坡陡峻，傾角78°～83°。區(qū)內(nèi)未見地下水發(fā)育，無構(gòu)造活動(dòng)跡象。

1.2 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)邊坡巖性以中-厚層灰?guī)r為主，上部為二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)灰黑色厚層狀灰?guī)r，底部發(fā)育一組薄層炭質(zhì)灰?guī)r夾層，下部為石炭系黃龍組(C2h)灰白色中厚層至塊狀灰?guī)r。層厚0.3～0.6m，層面產(chǎn)狀330°∠10°，層狀反向結(jié)構(gòu)，巖體質(zhì)量類別以Ⅲ、Ⅳ類為主；發(fā)育兩組Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面，分別是：①15°∠78°、②145°∠81°(圖2)。受薄層含炭質(zhì)灰?guī)r夾層與兩組共軛節(jié)理切割，局部塊體易發(fā)生楔形體破壞，無貫通性結(jié)構(gòu)面。區(qū)內(nèi)無地下水出露，不發(fā)育斷層、褶皺等構(gòu)造。

圖2 工程區(qū)巖體結(jié)構(gòu)赤平投影圖

2 計(jì)算工況及參數(shù)取值

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，該段邊坡擬按照每10 m一級(jí)的方式分級(jí)開挖，并設(shè)置2 m寬平臺(tái)。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)，邊坡坡高8 m≤H<15 m時(shí)，坡率允許值為1∶0.5～1∶1.00[7].按該坡率開挖時(shí)，切坡范圍較大，將侵占坡頂耕地，增加工程造價(jià)。因此，本文擬突破規(guī)范，采用較大坡率進(jìn)行模擬開挖，分析開挖后邊坡穩(wěn)定性。

選取坡高最大的K2+240剖面作為計(jì)算剖面，采用FLAC3D軟件建立反映邊坡結(jié)構(gòu)的地質(zhì)模型(圖3)。按照1∶0.2(1#方案)與1∶0.3(2#方案)兩種不同坡率進(jìn)行開挖，并監(jiān)測(cè)開挖后的應(yīng)力及位移。

圖3 典型工程地質(zhì)剖面圖

2.1 地質(zhì)模型建立及參數(shù)選取

為了使計(jì)算能夠反映邊坡巖體性質(zhì)在高程上分布的差異性，又能使計(jì)算較快進(jìn)行，根據(jù)巖體質(zhì)量分類對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行了概化處理，見表1。通過室內(nèi)試驗(yàn)及工程地質(zhì)類比法得到本次數(shù)值計(jì)算的巖體物理力學(xué)參數(shù)取值，見表2。

表1 邊坡工程地質(zhì)巖組劃分

表2 數(shù)值模擬計(jì)算巖體物理力學(xué)參數(shù)

3 模擬計(jì)算

3.1 邊坡開挖后應(yīng)力場(chǎng)特征

按1#方案模擬開挖，計(jì)算得到的邊坡應(yīng)力場(chǎng)如圖4～7所示。

圖4 1#方案下最大主應(yīng)力云圖

圖5 1#方案下最小主應(yīng)力云圖

圖6 1#方案下水平應(yīng)力云圖

圖7 1#方案下豎向應(yīng)力云圖

按2#方案模擬開挖后計(jì)算得到的邊坡應(yīng)力場(chǎng)如圖8～11所示。

圖8 2#方案下最大主應(yīng)力

圖9 2#方案下最小主應(yīng)力

圖10 2#方案下水平應(yīng)力

圖11 2#方案下豎向應(yīng)力

3.2 邊坡開挖后應(yīng)變場(chǎng)特征

按1#方案模擬開挖后計(jì)算，得到的邊坡應(yīng)力場(chǎng)如圖12～13所示。

圖12 1#方案下水平位移云圖

圖13 1#方案下豎向位移云圖

按2#方案模擬開挖后計(jì)算，得到的邊坡應(yīng)力場(chǎng)如圖14～15所示。

圖14 2#方案下水平位移云圖

圖15 2#方案下豎向位移云圖

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)兩種開挖方案模擬計(jì)算得到的應(yīng)力最大值與位移最大值進(jìn)行對(duì)比分析，見圖16～17。

由應(yīng)力及位移云圖可知，兩種不同的方案開挖后，邊坡出現(xiàn)最大變形及應(yīng)力集中的部位基本一致；由圖16可知，邊坡按2#方案開挖后產(chǎn)生的應(yīng)力較1#方案有所降低，但降低幅度不是很大；由圖17可知，邊坡按2#方案開挖后產(chǎn)生的最大豎向位移較1#方案有所增加，且增幅較大，最大水平位移基本無變化。

圖16 不同開挖方案下應(yīng)力值

圖17 不同開挖方案下產(chǎn)生位移值

4 結(jié)語

通過對(duì)研究區(qū)邊坡進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)勘查，采用FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算了邊坡不同坡率開挖后的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)特征，得出以下結(jié)論：

(1) 研究區(qū)邊坡巖性以以中-厚層灰?guī)r為主，中部發(fā)育一組薄層炭質(zhì)灰?guī)r夾層。坡面陡立，巖層產(chǎn)狀反向傾內(nèi)，無貫通性構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，有利于邊坡在自然狀況下保持整體穩(wěn)定。

(2) 數(shù)值模擬計(jì)算可知，分臺(tái)階開挖后，在邊坡坡腳及邊坡下部第一、二級(jí)開挖平臺(tái)內(nèi)側(cè)發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象；兩種開挖方案比較，采用較小坡率開挖時(shí)，雖然應(yīng)力有所降低，但幅度不大，反而產(chǎn)生較大位移，對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

(3) 對(duì)于巖體質(zhì)量較好的巖質(zhì)高陡邊坡，在保證質(zhì)量安全的前提下，可充分利用其自重帶來的高自穩(wěn)性，采用較大坡率分臺(tái)階開挖，減少切坡范圍；重點(diǎn)做好坡腳及下部開挖臺(tái)階的防護(hù)及支擋設(shè)計(jì)，避免全坡面防護(hù)，可在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)節(jié)約耕地，降低工程造價(jià)。