葉帥華, 樊黎明, 時(shí)軼磊

(1. 蘭州理工大學(xué) 甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050; 2. 蘭州理工大學(xué) 西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心, 甘肅 蘭州 730050)

在中國(guó)西部地區(qū)高等級(jí)公路的建設(shè)過程中出現(xiàn)了大量的邊坡工程，這類邊坡工程往往具有縱斷面長(zhǎng)、橫斷面寬、坡高極高、工程量巨大的特點(diǎn)，因此在施工及后期運(yùn)營(yíng)過程中常常會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，對(duì)國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命安全帶來嚴(yán)重威脅.許多學(xué)者針對(duì)我國(guó)西部地區(qū)邊坡工程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了研究，謝永利等[1]通過離心機(jī)試驗(yàn)與有限元軟件模擬全面分析了黃土公路階梯狀高路塹邊坡的變形發(fā)展過程、破壞特征及其穩(wěn)定性.王玉峰等[2]以觀音堂隧道進(jìn)口明洞段黃土高邊坡為實(shí)例，利用離心機(jī)試驗(yàn)對(duì)黃土高邊坡在無支護(hù)、全斷面土釘支護(hù)、上部土釘下部預(yù)加固樁復(fù)合支護(hù)模式下的穩(wěn)定性展開研究，并分析了各類支護(hù)形式對(duì)黃土邊坡的加固效果.朱彥鵬等[3]采用FLAC 3D有限差分程序?qū)S土地區(qū)隧道進(jìn)口段進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)施工分析，研究了不同開挖方式對(duì)洞口未支護(hù)及已支護(hù)邊坡的的影響.王鄧峮等[4]針對(duì)黃土地區(qū)常見的土釘復(fù)合錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)建立附加應(yīng)力作用下邊坡的穩(wěn)定性分析模型從而區(qū)分了土釘與預(yù)應(yīng)力錨桿的作用.谷天峰[5]則通過不排水動(dòng)三軸試驗(yàn)?zāi)M了列車荷載對(duì)黃土邊坡的變形過程和穩(wěn)定性的影響.葉帥華等[6]采用集中質(zhì)量法并考慮預(yù)應(yīng)力錨桿動(dòng)力特性建立了框架-預(yù)應(yīng)力錨桿-土體系統(tǒng)在地震作用下的動(dòng)力計(jì)算模型，并基于此模型分析了格構(gòu)錨桿支護(hù)邊坡的地震響應(yīng).

雖然對(duì)西部地區(qū)邊坡工程的研究已取得了許多成果，然而這些研究多數(shù)是針對(duì)西部地區(qū)黃土邊坡的研究.隨著西部經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和需要，公路向山區(qū)縱深發(fā)展，使得路塹邊坡開挖深度越來越大，在公路修建過程中出現(xiàn)大量黃土-砂巖二元結(jié)構(gòu)邊坡 ，這在甘肅省的公路建設(shè)工程中體現(xiàn)得尤為明顯.目前，對(duì)紅層邊坡工程所展開的研究多集中于我國(guó)南方，對(duì)甘肅地區(qū)公路工程中出現(xiàn)的砂巖邊坡工程研究較少，其研究?jī)?nèi)容也僅限于對(duì)紅層邊坡的變形監(jiān)測(cè)[7].但是近年來在甘肅地區(qū)由砂巖引起的工程病害卻相當(dāng)嚴(yán)重，以G316線甘肅省境內(nèi)稍子坡段為例，該標(biāo)段全長(zhǎng)為6 km，公路路基全為第三系紅砂層軟巖，路基完工后發(fā)生7處大型滑坡[8].因此，對(duì)甘肅省境內(nèi)涉及砂巖層的公路而言，其關(guān)于邊坡穩(wěn)定性的研究就顯得尤為迫切.

目前，在公路路塹邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)及其穩(wěn)定性分析中，對(duì)于巖土體材料是應(yīng)該采用殘余強(qiáng)度還是峰值強(qiáng)度并沒有明確的結(jié)論.大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為采用材料的殘余強(qiáng)度進(jìn)行支護(hù)和穩(wěn)定性分析過于保守，然而，王騎虎[8]在對(duì)甘肅紅層力學(xué)性質(zhì)全面研究的基礎(chǔ)上，認(rèn)為應(yīng)采用巖體殘余強(qiáng)度對(duì)覆蓋型紅層邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析.文獻(xiàn)[9，10]在對(duì)砂巖力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行深入研究后指出砂巖的力學(xué)性質(zhì)與其應(yīng)力水平、圍壓的加卸載速度密切相關(guān).王瑞紅等[11]在研究卸荷對(duì)砂巖力學(xué)參數(shù)的影響及卸荷過程中巖體力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律時(shí)指出，與加載破壞相比，卸荷破壞時(shí)巖樣強(qiáng)度對(duì)圍壓更為敏感.陳曉平[12]通過對(duì)一實(shí)際軟巖邊坡的穩(wěn)定性分析，指出此類邊坡的設(shè)計(jì)與分析必須考慮卸荷松弛所導(dǎo)致的土體強(qiáng)度的衰減.由此可見對(duì)于深挖砂巖路塹邊坡，其巖土材料強(qiáng)度參數(shù)的選取仍是一個(gè)值得探討的問題.本文將以蘭永一級(jí)公路K35+000～150標(biāo)段失穩(wěn)黃土-砂巖二元結(jié)構(gòu)高邊坡為背景，基于邊坡的極限平衡狀態(tài)采用GeoStudio巖土有限元軟件分別采用峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度對(duì)該邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并在殘余強(qiáng)度的基礎(chǔ)上對(duì)采用框架預(yù)應(yīng)力錨桿加固后該邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以便為今后甘肅紅層地區(qū)的公路建設(shè)提供參考.

1 邊坡工程概況

1.1 地形地貌特征

蘭永一級(jí)公路項(xiàng)目地處隴西黃土高原的西北部，是黃土高原與青藏高原的過渡地帶，區(qū)內(nèi)溝谷縱橫，地形起伏較大，大部分地區(qū)為黃土覆蓋，山區(qū)一般為基巖出露.其中K35+000～150標(biāo)段所處區(qū)域地貌形態(tài)為黃土丘陵，屬霧宿山余脈，山體陡峭，植被稀少，侵蝕強(qiáng)烈，溝谷相間，溝壁較陡、谷底狹窄.基底為白堊系紅色粘土巖、砂巖和砂礫巖；局部受斷層影響，出露前震旦系片巖、中上奧陶統(tǒng)變質(zhì)安山巖、千枚巖及變質(zhì)砂巖以及侵入石英閃長(zhǎng)巖，上覆黃土.

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，K35+000～150標(biāo)段右側(cè)深挖路塹邊坡為砂巖上覆黃土邊坡，開挖坡體地層可分為四層，自上而下分別為：1) 上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，可塑—硬塑狀，土質(zhì)均勻，孔隙多見，具強(qiáng)濕陷性；2) 下伏為沖積黃土，黃褐色，干燥，硬塑狀，土質(zhì)均勻；3) 沖積礫石層，青灰色，稍密—中密，砂土填充，厚3～6 m；4) 下白堊統(tǒng)河口群砂巖，紫紅色，泥質(zhì)膠結(jié)，成巖性較好.

1.3 氣候與水文條件

該公路項(xiàng)目所經(jīng)地區(qū)為永靖和蘭州.永靖位于內(nèi)陸中緯地帶，大陸性氣候顯著，屬溫帶半干旱偏旱氣候類型，降雨主要集中在7～9三個(gè)月，季節(jié)變化大，局部山地降水較大.蘭州地處我國(guó)內(nèi)陸腹地，距海洋較遠(yuǎn)，屬大陸性季風(fēng)、半干旱氣候區(qū)，降水主要集中在7～9三個(gè)月內(nèi)，約占全年降水量的60%以上，且多以暴雨形式降落.蘭永線沿線河流屬黃河流域，主要河流為黃河、湟水河、莊浪河和咸水河.

1.4 邊坡破壞過程及其特征

失穩(wěn)的開挖邊坡為砂巖、黃土二元結(jié)構(gòu)邊坡，巖土交界面夾6 m卵石層，采用2 m寬碎落臺(tái)，2 m寬挖方平臺(tái)；該邊坡第一級(jí)坡率0.5，10 m高(采用錨索框格梁防護(hù))，第二級(jí)坡率0.5，8 m高(采用錨桿框格梁防護(hù))，二級(jí)坡坡頂有6 m寬平臺(tái)(巖土交界面)；第三、四級(jí)坡率0.75，三級(jí)邊坡采用孔窗式護(hù)面墻防護(hù)卵石夾層，四級(jí)坡頂平臺(tái)寬4 m；第五級(jí)坡率1，挖方平臺(tái)設(shè)平臺(tái)排水溝.截至2013年9月路塹開挖基本成形，路槽達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，原設(shè)計(jì)邊坡防護(hù)未施作.2013年9月中旬，K35+000～150段山體開始出現(xiàn)裂縫，經(jīng)過觀察，裂縫在進(jìn)一步發(fā)展.9月25日，截水溝上部裂縫最寬處已經(jīng)達(dá)到18 cm，開裂長(zhǎng)度約50 m，并且已經(jīng)施工完畢的路基邊坡平臺(tái)、孔窗式護(hù)面墻都出現(xiàn)了開裂；2013年9月28日下午4時(shí)，山體突然出現(xiàn)較大面積滑塌，黃土路塹坡口處下錯(cuò)6～10 m，黃土坡體整體變形，底部砂巖壓潰，開挖路床中線位置有明顯破壞剪出痕跡.最外緣裂縫出現(xiàn)于原有開挖坡口位置，坡體后緣無張拉裂縫.

2 邊坡失穩(wěn)機(jī)制分析及參數(shù)選取

2.1 邊坡失穩(wěn)原因分析

該路塹邊坡下部出露地層為下白堊統(tǒng)河口群砂巖夾泥巖，抗風(fēng)化能力差，遇水易崩解.當(dāng)其處于深埋狀態(tài)時(shí)，裂隙發(fā)育不充分，成巖性較好，但由于基巖上覆土層豎向節(jié)理發(fā)育，開挖時(shí)段又恰逢該地區(qū)多雨時(shí)節(jié)，基巖在頂部雨水浸泡下逐步軟化，而在開挖過程中，由于未作任何護(hù)坡措施，卸荷松弛和巖層風(fēng)化進(jìn)一步造成邊坡底部砂巖強(qiáng)度衰減，此外，在對(duì)底部巖層進(jìn)行削坡時(shí)，臨空面擴(kuò)大，坡體底部失去支撐，加之巖層上覆黃土層厚度及土壓力大，最終使得坡底軟巖被壓潰，基巖上部覆蓋黃土層也隨之產(chǎn)生滑塌，導(dǎo)致整個(gè)邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞.由此可見，環(huán)境影響以及開挖卸荷導(dǎo)致的應(yīng)力釋放均會(huì)削弱砂巖強(qiáng)度，使二元結(jié)構(gòu)邊坡向極限狀態(tài)緩慢過度，最終發(fā)生破壞，因此有必要對(duì)砂巖二元結(jié)構(gòu)深挖路塹邊坡穩(wěn)定性分析中所采用的基巖強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行合理的探討.

2.2 邊坡數(shù)值模型

基于K35+000～150段的邊坡工程地質(zhì)條件，考慮現(xiàn)場(chǎng)邊坡完工時(shí)的開挖形態(tài)，采用GeoStudio巖土有限元軟件中的SLOPE模塊建立圖1所示的數(shù)值模型.該平面模型以該標(biāo)段中的 K35+054為典型斷面(如圖2所示)，該斷面高度38.45 m,其中一級(jí)坡高10 m，二級(jí)坡高8m，三～五級(jí)每級(jí)坡高6 m，一、二級(jí)坡率為1∶0.5，三、四級(jí)坡率為1∶0.75，五級(jí)坡率為1∶1.

圖1 邊坡數(shù)值模型圖

圖2 邊坡地形剖面(mm)

數(shù)值模型右側(cè)邊界取至自然斜坡坡頂，左側(cè)邊界取該標(biāo)段公路中心線處，模型兩側(cè)均采用豎向滑動(dòng)支座進(jìn)行約束，底邊界采用固定支座.整個(gè)模型開挖按實(shí)際工況分15個(gè)步驟，階段1為生成初始應(yīng)力步，階段2～階段15對(duì)應(yīng)實(shí)際開挖步，每級(jí)開挖高度在2～3 m之間.

2.3 巖土力學(xué)參數(shù)選取

1937年，Tiedeman首次提出殘余強(qiáng)度的概念[13].在邊坡發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，常常發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)面上的平均剪應(yīng)力比它們的抗剪強(qiáng)度小的多[14].Skempton等[15]在對(duì)黏性斜坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行研究時(shí)將這一強(qiáng)度定義為殘余強(qiáng)度,并強(qiáng)調(diào)殘余強(qiáng)度對(duì)滑坡的穩(wěn)定性起控制作用.對(duì)于邊坡工程而言，在其設(shè)計(jì)過程中通常按極限平衡狀態(tài)分析邊坡穩(wěn)定性，此狀態(tài)下，坡體內(nèi)已基本形成貫通邊坡的滑移帶，剪切破壞面之間已產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的趨勢(shì)或已經(jīng)出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng).此時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性通過剪切破壞面之間巖土體殘余強(qiáng)度來決定，但由于相關(guān)規(guī)范并沒有明確邊坡設(shè)計(jì)過程中究竟采用何種材料強(qiáng)度，因此設(shè)計(jì)人員也極少按巖土材料殘余強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行極限狀態(tài)設(shè)計(jì).此外，實(shí)際工程中，邊坡受環(huán)境及卸荷松弛的影響，巖體強(qiáng)度參數(shù)已經(jīng)有所衰減，而路塹邊坡工作環(huán)境惡劣且為永久性邊坡，在自然環(huán)境下其強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步降低，此時(shí)若繼續(xù)依據(jù)峰值強(qiáng)度進(jìn)行穩(wěn)定性分析則可能使設(shè)計(jì)的邊坡在開挖完成一定時(shí)間后發(fā)生滑塌.因此從穩(wěn)定性分析概念以及實(shí)際工程安全性角度出發(fā)，采用殘余強(qiáng)度進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析應(yīng)該更符合實(shí)際.

張芳枝[16]在浸水軟化后對(duì)東深供水工程沿線邊坡砂巖土樣進(jìn)行反復(fù)直剪試驗(yàn)確定砂巖殘余強(qiáng)度約為峰值強(qiáng)度的70%.王騎虎[8]采用反復(fù)剪切試驗(yàn)對(duì)蘭永一級(jí)公路及十天公路沿線14組擾動(dòng)砂巖土樣浸水后的殘余強(qiáng)度進(jìn)行研究，其研究結(jié)果與文獻(xiàn)[16]基本一致.因此，本文在研究不同強(qiáng)度條件下的邊坡整體穩(wěn)定性時(shí)，采用有限元極限平衡法分別對(duì)下述2種工況進(jìn)行分析和比較.工況 1：采用邊坡各巖土層的天然峰值強(qiáng)度指標(biāo)；工況 2：根據(jù)地質(zhì)條件相似性以及蘭永線紅砂巖反復(fù)剪切試驗(yàn)結(jié)果[8]，將砂巖峰值強(qiáng)度折減70%.工況1巖土層主要力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 工況1巖土層力學(xué)參數(shù)Tab.1 Soil parameter table of working condition one

3 邊坡模擬分析

3.1 邊坡穩(wěn)定性分析及其穩(wěn)態(tài)變化

邊坡有限元極限平衡法是指在彈塑性有限元分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，以極限平衡條件作為判別準(zhǔn)則對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析的方法，其優(yōu)勢(shì)在于分析過程中的滑動(dòng)面是基于有限元分析中的真實(shí)應(yīng)力場(chǎng)所得到的，因而不需要對(duì)條間力作任何假設(shè)[17].本文通過將有限元分析軟件GeoStudio中SIGMA模塊與SLOPE模塊進(jìn)行耦合，在峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度的基礎(chǔ)上分別對(duì)該邊坡的安全性系數(shù)進(jìn)行了模擬分析，模擬結(jié)果分別如圖3～5所示.

圖3 工況1邊坡安全系數(shù)云圖Fig.3 Safety factor nephogram of slope under working condition one

兩種不同強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算的結(jié)果顯示，無論邊坡巖體處于何種強(qiáng)度下，邊坡安全系數(shù)較小值都集中在距離坡面較近的深度范圍內(nèi)，呈帶狀分布，并逐漸由該條帶向兩側(cè)增大.但對(duì)比不同強(qiáng)度下的邊坡開挖完成后的最小安全系數(shù)可以看到，當(dāng)采用巖體峰值強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，該邊坡最小安全系數(shù)為1.271，按相關(guān)規(guī)范[18]判定該邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，與邊坡實(shí)際發(fā)生破壞的狀況不符，而當(dāng)采用殘余強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，邊坡最小安全系數(shù)驟減至0.901，處于不穩(wěn)定狀態(tài).對(duì)圖3、圖4的安全系數(shù)云圖進(jìn)一步的對(duì)比分析可以看到當(dāng)邊坡底部砂巖處于殘余強(qiáng)度階段時(shí)，安全系數(shù)在1.001～1.201范圍內(nèi)的土體滑動(dòng)面從坡頂后緣處一直延伸至坡腳前緣，說明在該強(qiáng)度下，邊坡還有可能會(huì)因砂巖強(qiáng)度不足而發(fā)生較大范圍的整體失穩(wěn)并造成道路路面的破壞，這與現(xiàn)場(chǎng)勘查的實(shí)際狀況相一致.由此可見采用殘余強(qiáng)度對(duì)邊坡進(jìn)行極限狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析更貼合實(shí)際工程.

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，由于農(nóng)民群眾連續(xù)在一個(gè)地塊種植同一種農(nóng)作物，施肥不注重有機(jī)肥施入，化肥尤其是氮肥施入過多，導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重變化，耕作層逐漸變淺，犁底層變厚。耕作層變淺導(dǎo)致農(nóng)作物在生長(zhǎng)中后期根系不能向縱深方向生長(zhǎng)，很容易出現(xiàn)倒伏，同時(shí)耕地不耐澇，不抗旱。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式下，耕地土壤中腐熟質(zhì)含量逐年下降，耕地后勁嚴(yán)重不足。而通過積極應(yīng)用機(jī)械化深松技術(shù)可以疏松深層土壤，打破犁底層，同時(shí)還不會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)和地表植被，提高土壤蓄水能力。

圖4 工況2邊坡安全系數(shù)云圖Fig.4 Safety factor nephogram of slope under working condition two

圖5為兩種強(qiáng)度指標(biāo)下最小安全系數(shù)隨邊坡開挖深度的變化圖，可以看到，在對(duì)邊坡進(jìn)行開挖的過程中，受地形影響最小安全系數(shù)略有增大的跡象，但隨著卸荷作用增強(qiáng)，邊坡穩(wěn)定性開始降低，由于在實(shí)際的削坡過程中，在卸荷作用下，邊坡底部的巖體會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力釋放現(xiàn)象使得巖體質(zhì)量級(jí)別降低，從而使邊坡穩(wěn)定性也隨之進(jìn)一步降低，因此當(dāng)邊坡開挖至砂巖層時(shí)，兩種強(qiáng)度指標(biāo)下的邊坡安全系數(shù)差異逐漸明顯，隨卸荷深度的增大，巖體強(qiáng)度由峰值向殘余值過度，滑移面上的剪力將開始由衰減后的殘余黏聚力與殘余摩擦角承擔(dān)，此時(shí)采用殘余強(qiáng)度計(jì)算的邊坡安全系數(shù)降低速率明顯增大，最終導(dǎo)致該邊坡破壞，而采用峰值強(qiáng)度的邊坡由于其沒有充分考慮卸荷作用對(duì)邊坡巖體造成的損傷，因此該狀態(tài)下的邊坡依然處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而背離邊坡的實(shí)際工況.兩種不同強(qiáng)度指標(biāo)最終計(jì)算結(jié)果顯示，采用殘余強(qiáng)度的邊坡最小安全系數(shù)較峰值強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果減小28%，砂巖強(qiáng)度衰減對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響明顯.

圖5 邊坡最小安全系數(shù)與開挖深度關(guān)系

3.2 邊坡變形特征分析

一般情況下，邊坡的位移變化可以更直觀地反應(yīng)其穩(wěn)定性變化的規(guī)律，因此進(jìn)一步對(duì)兩種強(qiáng)度指標(biāo)下的邊坡位移有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，所得邊坡位移云圖如圖6、圖7所示.

通過圖6、圖7中位移矢量箭頭的指向可以看到在強(qiáng)烈的卸荷作用下，兩種不同強(qiáng)度狀態(tài)下的邊坡均發(fā)生劇烈的回彈變形，豎直向上方向的位移分量在邊坡變形中占主導(dǎo)地位，只有在頂部垂直卸荷作用較小的部位，指向坡體臨空側(cè)的水平位移才成為位移矢量構(gòu)成中的主要部分，因此該邊坡在實(shí)際發(fā)生失穩(wěn)時(shí)產(chǎn)生的裂縫多為剪出破壞裂縫.此外，對(duì)邊坡位移場(chǎng)的進(jìn)一步分析可以看到，卸荷回彈產(chǎn)生的變形較大值集中分布于邊坡淺層表面，并有向邊坡坡體內(nèi)部方向逐漸衰減，向邊坡坡腳及坡腳前緣方向逐步增強(qiáng)的趨勢(shì).在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析對(duì)比兩種不同強(qiáng)度下的邊坡總位移.由于在該邊坡的開挖過程中，卸荷作用會(huì)降低圍壓，破壞巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，促使邊坡巖體產(chǎn)生變形和破裂，此時(shí)邊坡底部砂巖強(qiáng)度指標(biāo)衰減為殘余值，邊坡整體抵抗變形的能力降低，因此在圖7的圖例中表現(xiàn)為以殘余強(qiáng)度為基礎(chǔ)計(jì)算的開挖后的位移水平總體高于峰值強(qiáng)度下的邊坡.此外，由于巖體碎裂導(dǎo)致的邊坡底部變形將進(jìn)一步地影響巖層上覆土體的變形，因此如圖7所示，坡體中下部有滑動(dòng)趨勢(shì)的區(qū)域?qū)⑦M(jìn)一步向坡體上部延伸，最終與坡頂有滑動(dòng)趨勢(shì)的區(qū)域聯(lián)通后使坡體發(fā)生破壞，這與邊坡實(shí)際所產(chǎn)生的砂巖層壓潰黃土層整體滑塌的破壞形式基本一致.

圖6 工況1位移矢量云圖Fig.6 Displacement nephogram of working condition one

綜上所述，該深挖路塹邊坡的破壞過程可以描述為：坡體的卸荷作用使得邊坡發(fā)生較強(qiáng)的回彈變形，該變形進(jìn)一步發(fā)展使底部巖體碎裂，坡底巖層強(qiáng)度衰減至殘余值，進(jìn)而在底部軟弱面上產(chǎn)生滑移趨勢(shì)，且在削坡過程中滑移趨勢(shì)進(jìn)一步發(fā)展，并與上覆土層的不穩(wěn)定區(qū)域聯(lián)通形成滑移面，滑移面底部巖體在蠕滑過程中被上覆土層壓潰，而上覆土層也因失去底部巖體支撐加速下滑,最終發(fā)生大范圍的坡體破壞.所以此類邊坡穩(wěn)定性受底部巖體力學(xué)性質(zhì)影響較大.為進(jìn)一步探究?jī)煞N巖體強(qiáng)度下的坡體深層位移變化規(guī)律，按圖8所示對(duì)邊坡H1系進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置.取部分關(guān)鍵施工過程進(jìn)行模擬得到兩種不同強(qiáng)度下坡體內(nèi)部深層總位移變化情況，如圖9所示.

圖8 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.8 Arrangement of measure-point

由圖9可以看出，兩種不同強(qiáng)度下的邊坡位移值均對(duì)邊坡卸荷作用變化敏感，在初期開挖過程中由于卸荷區(qū)域較為接近邊坡頂層中部，因此測(cè)點(diǎn)曲線在50～60 m的區(qū)域內(nèi)位移值較大，而在該區(qū)域兩邊的位移值則相對(duì)較小.隨著開挖逐漸接近坡腳位置，邊坡的卸荷作用引起坡腳淺層區(qū)域劇烈的回彈變形，此時(shí)的變形大體上遵循了沿邊坡內(nèi)部方向逐漸減小的規(guī)律.進(jìn)一步分析邊坡在削坡過程中的位移增量變化可以看到，各測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的總位移增量呈先增大后減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)槌跗诘男逗勺饔檬鬼敳客馏w對(duì)巖體的變形約束能力降低，卸荷土層下方的巖體開始產(chǎn)生回彈變形.隨著卸荷作用的增強(qiáng)，坡體表面出現(xiàn)更加劇烈的卸荷回彈，坡體位移隨之增大.當(dāng)邊坡開挖接近坡底時(shí)，此時(shí)的巖層上方卸荷量逐漸減小，因此測(cè)點(diǎn)處整體位移增量也隨之減小.

圖9 坡內(nèi)H1系位移變化規(guī)律

對(duì)圖9a的進(jìn)一步分析可以看出，在距離邊坡坡腳40～50 m處的測(cè)點(diǎn)測(cè)得的總位移值在坡體開挖后期減小現(xiàn)象明顯，至最后一步開挖時(shí)，部分測(cè)點(diǎn)所測(cè)得結(jié)果表現(xiàn)出一定的下滑趨勢(shì)，這是因?yàn)橄髌逻^程中劇烈的不均勻變形使巖層中的部分巖體抗剪強(qiáng)度達(dá)到極限值并產(chǎn)生破壞，其承擔(dān)的荷載將由周圍的巖體繼續(xù)承載，在荷載傳遞過程中，周圍的巖體也隨之發(fā)生強(qiáng)度衰減或者破壞， 最終將形成一條貫穿坡體的有滑動(dòng)趨勢(shì)的滑帶，滑帶內(nèi)的巖土體將沿滑面產(chǎn)生曲線滑動(dòng)的趨勢(shì)，從而使得靠近該滑面上的測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)位移減小的現(xiàn)象.若將圖9a中70 m處定義為該邊坡的滑移面參考邊界點(diǎn)，通過將其與圖9b的模擬結(jié)果對(duì)比可以直觀地發(fā)現(xiàn)，以殘余強(qiáng)度計(jì)算的邊坡其參考邊界點(diǎn)距離坡角更遠(yuǎn)，這意味著該強(qiáng)度下處于不穩(wěn)定狀態(tài)的坡體范圍更大，此判斷與前文中以邊坡安全系數(shù)云圖為基礎(chǔ)所做出的分析一致.此外，增大的不穩(wěn)定坡體將引起更為劇烈的破壞，因此選取一種合理的加固方式對(duì)邊坡進(jìn)行有效支護(hù)就成為了當(dāng)務(wù)之急.

4 預(yù)應(yīng)力錨桿加固效果分析

4.1 預(yù)應(yīng)力錨桿錨固機(jī)制

預(yù)應(yīng)力錨桿作為一種主動(dòng)支護(hù)技術(shù)，在邊坡工程中得到了大量的應(yīng)用.其加固原理可概括為：由于預(yù)應(yīng)力的使用，使錨固地層產(chǎn)生壓應(yīng)力區(qū)并對(duì)加固地層起加筋作用；可以增強(qiáng)地層的強(qiáng)度，改善地層的力學(xué)性能：可以使結(jié)構(gòu)與地層連接在一起，形成一種共同工作的復(fù)合體，使其能有效地承受拉力和剪力，并能提高潛在滑移面上的抗剪強(qiáng)度，有效地阻止坡體滑移[19].在深挖路塹邊坡工程中，坡底軟巖往往在卸荷作用引起的應(yīng)力釋放過程中發(fā)生破裂致使巖體強(qiáng)度參數(shù)衰減，而預(yù)應(yīng)力錨桿則通過對(duì)巖土體施加壓應(yīng)力場(chǎng)將破碎的巖體縫綴在一起，改善了錨桿加固區(qū)的巖體力學(xué)參數(shù)，強(qiáng)化了邊坡底部巖體破裂后的強(qiáng)度，從而達(dá)到保持邊坡穩(wěn)定的目的.為進(jìn)一步探討預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)深挖路塹邊坡的加固效果，本文假定該二元結(jié)構(gòu)邊坡在開挖過程中沿砂巖層自上而下共設(shè)置五道錨桿，每道錨桿與水平面的夾角為15°，第一、三道錨桿坡頂埋深均為2 m，錨桿豎向間距均為3 m，其余錨桿計(jì)算參數(shù)見表2，并根據(jù)前文總結(jié)，采用巖體強(qiáng)度衰減后的殘余強(qiáng)度對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿加固邊坡的效果進(jìn)行分析.錨桿支護(hù)邊坡有限元模型圖如圖10所示.

表2 錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Designed parameters of structure

圖10 錨索支護(hù)邊坡數(shù)值模型圖Fig.10 Numerical model of slope supported by anchor

4.2 邊坡變形對(duì)比分析

圖11 邊坡水平位移對(duì)比Fig.11 Comparison of horizontal displacement of slope

圖12、圖13分別為坡內(nèi)H2系測(cè)點(diǎn)測(cè)得的預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)前后坡體內(nèi)部x方向應(yīng)變及剪應(yīng)變對(duì)比圖.通過圖12、圖13可以看到邊坡在開挖過程中施加錨桿支護(hù)后，坡體深部應(yīng)變場(chǎng)發(fā)生了一定的變化.由圖12可知，邊坡開挖過程中坡體正應(yīng)變會(huì)逐步增大，但相對(duì)于無支護(hù)邊坡，帶支護(hù)邊坡由于錨桿軸向預(yù)應(yīng)力場(chǎng)提高了坡內(nèi)壓應(yīng)力水平，因此支護(hù)后的坡體深部x方向應(yīng)變水平始終保持較高的數(shù)值，且支護(hù)后邊坡受應(yīng)力擴(kuò)散影響，x方向的應(yīng)變沿錨桿長(zhǎng)度方向由坡面向坡內(nèi)逐步減小，說明錨桿預(yù)應(yīng)力確實(shí)參與了控制邊坡變形的工作.由圖13可知邊坡在支護(hù)后，加固后的邊坡剪應(yīng)變水平有所減小，在錨桿預(yù)壓應(yīng)力場(chǎng)作用下，卸荷作用造成的臨空面圍壓損失得到補(bǔ)償，且在圍壓作用下，巖體原本減弱的抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步提升，從而使坡體剪應(yīng)變水平降低.對(duì)比圖12、圖13可以看到坡體剪應(yīng)變水平數(shù)值始終高出正應(yīng)變水平數(shù)值一個(gè)量級(jí)，這表明此類深挖路塹邊坡在施工的動(dòng)態(tài)變化過程中，造成其變形的主要原因依然是巖土體強(qiáng)度衰減導(dǎo)致的剪切變形.

圖12 邊坡x方向應(yīng)變對(duì)比Fig.12 Comparison of positive strain of slope

圖13 邊坡剪應(yīng)變對(duì)比

4.3 邊坡穩(wěn)定性對(duì)比分析

圖14、圖15分別為支護(hù)前后的剪應(yīng)力云圖，可以看到削坡過程結(jié)束后將在砂巖層坡腳處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，坡體內(nèi)的剪應(yīng)力由坡腳處向周邊土體擴(kuò)散衰減，坡體內(nèi)剪應(yīng)力的較大值基本集中于砂巖層，一旦砂巖層因抗剪強(qiáng)度達(dá)到極限值出現(xiàn)破壞勢(shì)必將引起邊坡發(fā)生牽引式破壞，由此可見砂巖層的穩(wěn)定性對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用.在對(duì)邊坡砂巖層采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固后，坡體上覆土層的剪應(yīng)力值分布變化程度較小，但在錨桿與土體之間相互作用的擾動(dòng)下，邊坡內(nèi)部剪應(yīng)力場(chǎng)在錨桿錨固段周圍發(fā)生明顯的扭曲，而錨桿的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)與坡體卸荷后的應(yīng)力場(chǎng)相互疊加也使砂巖層坡面下部部分區(qū)域的剪應(yīng)力場(chǎng)分布形式發(fā)生改變，坡腳處應(yīng)力集中現(xiàn)象得到改善.

圖14 支護(hù)前邊坡剪應(yīng)力云圖Fig.14 Shear stress nephogram of the slope without anchor

圖15 支護(hù)后邊坡剪應(yīng)力云圖

進(jìn)一步從邊坡安全系數(shù)角度分析錨桿加固對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響.由圖16可以看到在卸荷過程中，由于錨桿對(duì)土體施加的壓應(yīng)力場(chǎng)改善了因開挖卸荷而導(dǎo)致強(qiáng)度衰減的底部巖體的力學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)了破裂巖體之間的相互作用，因此隨著錨桿的介入，邊坡在開挖過程中的穩(wěn)定性趨于恒定，且在進(jìn)一步的卸荷過程中，因預(yù)應(yīng)力錨桿數(shù)目增多，邊坡安全系數(shù)有所增長(zhǎng)，最終安全系數(shù)將維持在1.5以上.反之，在自然放坡的條件下，當(dāng)削坡至坡底砂巖層時(shí)，由于開挖卸荷造成的巖體損傷得不到有效控制，巖層內(nèi)的塑性區(qū)進(jìn)一步發(fā)展，坡體穩(wěn)定性加速下降，最終隨著坡底至坡頂?shù)乃苄詤^(qū)貫通，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞.

圖16 邊坡安全系數(shù)變化對(duì)比Fig.16 Comparison of minimum safety factor

綜上分析可以看到黃土-砂巖二元結(jié)構(gòu)邊坡的穩(wěn)定性與底層基巖強(qiáng)度關(guān)系緊密，若該邊坡在施工階段能及時(shí)采用預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)底層軟巖進(jìn)行加固將能避免此類滑塌的發(fā)生.

5 結(jié)論

通過在對(duì)蘭永線K35+000～150標(biāo)段黃土-砂巖二元結(jié)構(gòu)高邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)制分析的基礎(chǔ)上采用峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度對(duì)邊坡進(jìn)行模擬結(jié)果的對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

1) 在深挖路塹施工過程中，砂巖受卸荷作用產(chǎn)生應(yīng)力釋放現(xiàn)象，該現(xiàn)象將驅(qū)使砂巖破裂從而使砂巖層整體強(qiáng)度發(fā)生衰減進(jìn)而影響邊坡的穩(wěn)定性.以殘余強(qiáng)度為基礎(chǔ)對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析可更貼近邊坡實(shí)際狀態(tài)，若以峰值強(qiáng)度計(jì)算和分析此類邊坡，所得的結(jié)論可能偏于危險(xiǎn).

2) 深挖路塹邊坡會(huì)在削坡過程中產(chǎn)生劇烈的卸荷回彈，其中豎直方向的回彈變形占主導(dǎo)地位，而此類邊坡的水平位移則主要集中于邊坡卸荷作用較弱的坡頂局部區(qū)域.

3) 深挖路塹邊坡支護(hù)前后坡內(nèi)的剪應(yīng)變水平均保持較高的數(shù)值，但預(yù)應(yīng)力錨桿通過對(duì)邊坡施加壓應(yīng)力場(chǎng)將補(bǔ)償坡體在開挖過程中的圍壓損失，在約束邊坡向臨空側(cè)變形的同時(shí)提高邊坡巖土體的抗剪強(qiáng)度，從而在一定程度上降低邊坡的剪應(yīng)變水平.

4) 深挖路塹邊坡剪應(yīng)力分布規(guī)律與剪應(yīng)變分布規(guī)律類似，均表現(xiàn)出由各級(jí)邊坡坡面向邊坡深部方向逐步減小的趨勢(shì)，其中邊坡坡體剪應(yīng)力的較大值基本集中于砂巖層，因此砂巖層的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)邊坡穩(wěn)定性有較大的影響.

5) 采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固二元結(jié)構(gòu)邊坡底層基巖可以改變坡體內(nèi)部應(yīng)力分布形式，其產(chǎn)生的壓應(yīng)力場(chǎng)可以增強(qiáng)破裂巖體間的相互作用，改善巖體力學(xué)性質(zhì)，從而有效提高殘余強(qiáng)度下的邊坡穩(wěn)定性，進(jìn)而避免邊坡破壞的發(fā)生.