曾琇舒

(核工業(yè)西南勘察設計研究院 交通市政院，四川 成都 610042)

0 引 言

隨著我國西部公路、鐵路、水電等大型基礎設施的不斷建設，人民的生活環(huán)境逐步改善，而由此帶來的環(huán)境問題也日漸突出.在大型線狀工程建設中，根據地質環(huán)境特征及線路規(guī)劃方案，不可避免地會在部分斜坡區(qū)進行開挖，因開挖所形成的不同規(guī)模的臨空邊坡穩(wěn)定性問題成為工程建設中的重點，時刻影響工程建設的安全[1-3].

邊坡開挖后的穩(wěn)定性問題一直是業(yè)內人員關注的焦點，尤其是大型水電項目的建設過程，而在公路建設工程中，由于線路設計方案的需要，常根據地質環(huán)境對斜坡進行不同程度的開挖，其規(guī)模相對偏小[4-5].邊坡開挖失穩(wěn)的因素主要體現在兩個方面：①開挖后，原斜坡地形應力環(huán)境遭到破壞，作為臨空面前部的抗滑段消失，導致斜坡臨空面后方穩(wěn)定性下降，容易發(fā)生直接失穩(wěn)破壞[6-7]；②開挖后形成高陡臨空條件，為后期降雨失穩(wěn)、地震擾動失穩(wěn)等提供了空間條件，這一破壞形式具有時間效應(或環(huán)境效應)，需要外界因素的進一步干擾[8-10].在諸多工程建設中，對上述第一類情況考慮得較為充分，在開挖過程中即會進行一定的邊坡防護，或者采用合適的開挖方案使開挖斜坡保持穩(wěn)定[11-12].但降雨因素難以把握，雨水下滲后影響斜坡整體滲流場特征，加之土水相互作用對巖土體力學強度的弱化，會使斜坡穩(wěn)定性發(fā)展趨勢難以控制[13-14].

本研究以大渡河流域某高速公路工程為研究背景，針對工程中一處大型堆積體斜坡開挖情況，通過現場大型剪切試驗以及數值計算，分析在開挖后的不同工況下邊坡穩(wěn)定性發(fā)展趨勢，并提出具體防治措施.

1 研究區(qū)概況

1.1 地質環(huán)境條件

該高速公路工程位于大渡河上游流域，是水電工程的復建線路.研究區(qū)屬于中高山地形地貌，大渡河兩岸斜坡陡峭，坡度一般為40°～60°，相對高差為600～800 m.研究區(qū)屬于大陸性高原季風氣候，日溫差較大，多年平均氣溫為12.8 ℃，氣溫隨海拔的升高而降低.降雨分布差異顯著，年平均降雨量在600 mm以上，最大年降水量為858.1 mm，最大日降雨量為56.2 mm，降水量主要集中在5～10月，占全年降水量的91%，而11月至次年4月降雨量僅為57.9 mm，占全年降水量的9%.全年降雨呈雙峰型分布，6、9月是降水的高峰期，每年雨季開始和臨近結束有兩次大的降水過程.

研究區(qū)地處甘孜州—阿壩州松潘地槽褶皺系內之二級構造單元巴顏喀拉冒地槽褶皺帶的東南部，小范圍位于阿壩州小金縣弧形構造北西翼，地質構造形式較為簡單，以褶皺構造為主；震動峰值加速度為0.10 g，相應的地震基本烈度為Ⅶ度，加速度反應譜特征周期Tg為0.45 s.場區(qū)內上覆為第四系崩坡積碎石土，碎石巖性成分多為砂巖、板巖及千枚巖，呈棱角狀～次棱角狀，整體結構松散，局部偶見架空現象，鉆孔揭露最大厚度可達25 m以上，整體呈現出上薄下厚的特征；下伏基巖為三疊系上統(tǒng)雜谷腦組(T3z2)變質砂巖、夾板巖及千枚巖，呈灰色至深灰色，厚度約為340～440 m，以中風化和微風化為主，巖層產狀為230°～240°∠55°～70°.

該斜坡內地下水以基巖裂隙水為主，松散堆積層孔隙水分布較少，地下水水位較低，其主要來源為灌溉、大氣降雨補給.由于地區(qū)年降雨量相對較小，蒸發(fā)量較大，土體整體含水率較低.

1.2 邊坡物質組成與結構特征

研究區(qū)斜坡位于大渡河右岸，整體呈直線型，坡表面局部存在起伏特征，受人類工程活動影響，植被覆蓋率相對較低，以灌木和小型喬木為主，具體如圖1所示.

圖1 斜坡全貌圖

根據該高速公路復建設計線路方案，擬在2 264m高程點開挖建設路基平臺，開挖平面寬為18 m，開挖后形成高為26 m的臨空邊坡，具體采用多級放坡.通過現場測量與鉆孔揭露，該斜坡上覆為第四系崩坡積碎石土，局部夾有大直徑的塊石，碎石含量約53%～75%，天然密度為1.96～2.08 g/cm3，整體結構中存在架空現象；滲透系數為2.3×10-3～5.8×10-3cm/s，屬于中等滲透性，在滲透試驗中，由于坡體內土質的不均勻分布，導致存在部分試驗點難以形成穩(wěn)定滲流的特征.下伏三疊系上統(tǒng)雜谷腦組變質巖主要出露于山脊，在河床附近零星出露，在主要工程區(qū)內未見基巖露頭.斜坡工程地質剖面圖如圖2所示.

圖2 斜坡工程地質剖面圖

將現場取樣進行篩分試驗，獲得崩坡積碎石土的級配曲線如圖3所示.計算得出不均勻系數為1.31，曲率系數為1.05，可以看出，土體級配不良，碎石土在大粒徑組的分布中占比較高，而細粒徑組的分布含量低于20%，由大顆粒相互搭接形成地架空結構內的孔隙難以被完全充填.由此可見，這類崩坡積物在形成過程中因缺乏充分的重力作用下的骨架，導致其結構較為松散，為降雨下滲提供了結構條件.

圖3 級配特征曲線圖

2 現場大剪試驗

為進一步獲取崩坡積碎石土力學特征，采用現場大型直剪試驗進行測試.剪切盒長×寬×高為50cm×50cm×25cm，垂向荷載采用人工裝袋堆置，法向應力設置為50kPa、80kPa、100kPa、150kPa，具體如圖4所示.試樣分天然、飽水兩類，試驗過程中采用勻速水平推剪，當剪切位移達到50mm時結束試驗.

圖4 大型直剪試驗示意圖

通過大剪試驗，獲得天然、飽和崩坡積碎石土剪應力—剪切位移曲線如圖5、6所示.

圖5 天然試樣應力—位移關系曲線

圖6 飽水試樣應力—位移關系曲線

從圖中可以看出，碎石土由天然狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)后，土體的剪應力—剪切位移曲線變化較為顯著，在天然狀態(tài)下，尤其是在低法向應力環(huán)境下(50kPa、80kPa)，該曲線形態(tài)呈現出弱應變軟化特征，隨著剪切位移的發(fā)展出現剪應力峰值，當法向應力逐漸增大，這種峰值現象將逐漸消失，曲線整體趨向于應變硬化特征.在上述過程中，數據點存在波動跳躍現象，其源于土體內粗顆粒處集中應力釋放的表現，以粗顆粒發(fā)生剪切破碎或翻越為主要形式.當土體含水率增大至飽和狀態(tài)后，土體剪應力—剪切位移曲線均呈現為應變硬化特征，法向應力對土體剪應力—剪切位移曲線的影響程度急劇減弱，含水率成為影響土體強度的主控因素.此外，由于顆粒搭接形成的孔隙內孔隙水增多，使顆粒間的潤滑作用加強，呈現出較弱的波動現象，在剪切作用下顆粒相互間以翻越滑動為主，剪切破碎情況減弱或消失.

基于莫爾—庫倫理論，擬合得出抗剪強度與法向應力的線性關系如圖7所示，求得天然、飽和試樣的抗剪強度參數.在天然狀態(tài)下，土體內聚力為22.76kPa、內摩擦角為37.2°，飽水后土體內聚力降至12.22kPa，降幅達46.3%；內摩擦角降至32.6°，降幅為12.4%.可以看出，土體含水率狀態(tài)的變化對其強度參數的影響較大，而根據土體級配特征可知，碎石土中粗顆粒含量占比較高，細粒含量較少，導致土體達到飽和狀態(tài)后，土中的孔隙水的作用以顆粒間的潤滑為主，對細粒組分的軟化作用影響范圍較小，進而導致土體的內摩擦角降幅遠低于內聚力.土體中孔隙水的軟化促使黏聚強度急劇降低，內聚力也因此大幅度下降，粗顆粒間的潤滑現象對摩擦強度影響程度有限，故而內摩擦角降幅偏小.由此得出，這類崩坡積碎石土的強度主要由粗顆粒間的摩擦強度組成.

圖7 抗剪強度與法向應力線性關系

3 開挖前后穩(wěn)定性數值分析

3.1 計算模型

根據復建線路設計方案，采用Geo-Studio軟件中的slope模塊對開挖前后的邊坡穩(wěn)定性進行計算分析，模型如圖8、9所示.開挖前模型共2 128個節(jié)點、2 040個單元，開挖后模型共2 046個節(jié)點、1 952個單元.根據地區(qū)地質環(huán)境特征，重點考慮天然工況和降雨工況，計算中采用Oridinary法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法共4種算法，在分析開挖前后斜坡穩(wěn)定性發(fā)展趨勢的同時，對比評價不同方法對斜坡穩(wěn)定性的計算效果.

圖8 開挖前斜坡結構模型示意圖

圖9 開挖后斜坡結構模型示意圖

3.2 穩(wěn)定性發(fā)展趨勢分析

計算得出上述邊坡開挖前后在4種方法、2種工況下的穩(wěn)定性系數如圖10所示.在斜坡結構未開挖情況下，斜坡整體穩(wěn)定性較好，穩(wěn)定性系數計算值均高于1.24，最高計算結果可達1.28，屬于穩(wěn)定狀態(tài)；當前斜坡在降雨工況下，其穩(wěn)定性系數高于1.15，仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明在原始應力環(huán)境下斜坡整體情況良好，降雨對其穩(wěn)定性影響程度有限，發(fā)生降雨致災可能性偏低.當對邊坡進行開挖后，天然工況下該邊坡穩(wěn)定性系數急劇降低，穩(wěn)定性系數低于1.05，Morgenstern-Price法計算結果低于1.0，處于失穩(wěn)臨界狀態(tài)，說明邊坡開挖后若無支護措施，極大可能會發(fā)生失穩(wěn)破壞.在添加降雨工況后，該開挖邊坡穩(wěn)定性系數進一步降低，4種方法的計算結果均低于1.0，即開挖邊坡在降雨工況中發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性很大.

圖10 斜坡穩(wěn)定性發(fā)展趨勢

對比上述4種計算方法，發(fā)現不同方法所反映的邊坡穩(wěn)定性發(fā)展趨勢較為一致，即降雨、開挖對邊坡穩(wěn)定性均會造成不同程度影響.而不同方法計算結果也具有一定差異，Oridinary法的計算值為4種方法中最高，Morgenstern-Price法則為最低，Bishop法、Janbu法計算值居中且較為接近.可見，Morgenstern-Price法用于評價邊坡穩(wěn)定性較為保守，其次為Bishop法和Janbu法，Oridinary法則偏于冒險.

降雨、開挖對邊坡穩(wěn)定性均會構成影響，但在不同形式下兩者影響程度不同，且兩者具有相互促進效果.開挖前，斜坡結構完整，應力狀態(tài)的平衡，即便在降雨工況下，斜坡整體穩(wěn)定性受影響程度也有限；開挖后，斜坡整體的應力環(huán)境發(fā)生改變，開挖所形成的邊坡成為良好的臨空面，開挖面前部的抗滑段消失，使其抗滑力為零，導致斜坡出現顯著的穩(wěn)定性變化，降雨所引起的巖土體力學強度的變化將得到充分地反映，此時降雨的作用效果將會被放大，開挖臨空面則成為滑動破壞的理想剪出口.

4 防治措施建議

公路邊坡防護方案的選擇應順勢而為，應在詳實的勘察基礎之上順應自然規(guī)律，首先，根據巖土體性質選擇合理的開挖坡率是預防邊坡災害的關鍵之一.其次，應把握治坡先治水的原則，設置合理的截排水措施，在此基礎之上，對于開挖后不會產生整體失穩(wěn)的邊坡，應著重考慮表層抗風化、抗沖刷的措施，常用的防治方式有植草防護(如掛三維網噴播植草、噴混植生)、工程防護(掛網錨噴、土釘墻)等.而對于開挖后存在整體穩(wěn)定性問題的邊坡，目前常采用擋墻、錨索(桿)框架梁、抗滑樁等措施，應結合具體工程情況進行選用.

基于邊坡防護安全、穩(wěn)定、耐久、經濟、與環(huán)境協調的防治原則，本研究提出以下幾點防治措施建議：

1)嚴格按照施工規(guī)范進行合理開挖，切忌為滿足工程進度而進行野蠻施工.

2)應制定完善的邊坡防護方案，在開挖過程中應及時進行臨時支護，保證施工工程安全順利進行.

3)結合氣象情況，在開挖過程中以及開挖后應注重坡表截排水設施的修建，及時對坡體內地下水位進行觀測，盡可能控制致災因素，降低失穩(wěn)概率.

4)應根據斜坡結構特征，設計合理的方案，能保證不同程度、不同規(guī)模下的邊坡穩(wěn)定性，避免出現“因大失小”的情況.

5)邊坡防治方案中應充分考慮地方生態(tài)環(huán)境、人文環(huán)境.

5 結 論

基于對斜坡區(qū)地質環(huán)境的認識，結合復建線路方案及現場試驗，采用數值計算求得斜坡開挖前后穩(wěn)定性發(fā)展趨勢，主要得出以下結論：

1)待開挖斜坡是由崩坡積碎石土組成的土質斜坡，碎石土飽水前后力學強度變化顯著，剪應力—剪切位移曲線由弱應變軟化型轉為應變硬化型，強度參數中內聚力降幅高達46.3%，而內摩擦角降幅僅12.4%.受級配影響，土體強度主要由摩擦強度維持，內摩擦角受孔隙水影響程度弱于內聚力.

2)開挖前后邊坡穩(wěn)定性具有明顯差異，處于穩(wěn)定狀態(tài)的斜坡，經開挖形成臨空面，使坡體抗滑力、穩(wěn)定性急劇下降，處于欠穩(wěn)定或失穩(wěn)臨界狀態(tài).降雨的疊加會進一步加劇邊坡失穩(wěn).而各類計算方法中，Morgenstern-Price法用于評價邊坡穩(wěn)定性較為保守，Oridinary法偏于冒險.

3)根據邊坡開挖前后穩(wěn)定性發(fā)展趨勢，本研究提出了5點防治建議，在保證安全生產的同時考慮生態(tài)環(huán)境因素，使防治后的邊坡消除災害隱患，且融于地區(qū)生態(tài)環(huán)境.