李 冠，盧 浩，錢尼貴

(1.廣東廣佛肇高速公路有限公司，廣東 肇慶 526040；2. 廣東交科檢測(cè)有限公司，廣州 510550；3. 廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

邊坡穩(wěn)定問題在工業(yè)和民用建筑、公路、鐵路、礦山和水利工程中普遍存在，邊坡不穩(wěn)定引起的滑坡和崩塌往往會(huì)造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。在眾多邊坡失穩(wěn)案例中，其影響因素各有不同，但總體可分為兩種，其一為內(nèi)在因素，其二為外在因素[1-3]。內(nèi)在因素包括如邊坡高度、邊坡坡角、巖土體物理力學(xué)性能參數(shù)等；外在因素包括人為因素及自然因素等，其中以施工擾動(dòng)最為常見，也是影響既有邊坡穩(wěn)定的主要因素之一[4-5]。因此，當(dāng)邊坡坡腳位置有建筑物施工時(shí)，有必要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析，為邊坡穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)指導(dǎo)。

張華[6]應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬方法，通過對(duì)邊坡開挖加固過程中的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，系統(tǒng)地分析了該過程邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。姚裕春[7]等基于室內(nèi)離心模型實(shí)驗(yàn)及數(shù)值分析手段，定量分析了施工工序?qū)吰路€(wěn)定性的影響，并指出在超高邊坡開挖過程中，應(yīng)對(duì)邊坡進(jìn)行及時(shí)支護(hù)。但這一領(lǐng)域的研究尚不成熟，關(guān)于建筑物施工對(duì)于既有路基邊坡穩(wěn)定性的研究成果報(bào)道也甚少，現(xiàn)有研究成果[8-10]也未給出一致的結(jié)論。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，以廣佛肇高速公路K91+580～K92+400路段邊坡為對(duì)象，基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬手段，分析了該路段建筑物基坑施工對(duì)既有路基邊坡穩(wěn)定性的影響，并根據(jù)分析結(jié)果為邊坡監(jiān)測(cè)及加固提出相關(guān)建議。

1 工程概況

1.1 路基邊坡

廣佛肇高速公路K91+580～K92+400路段位于場(chǎng)區(qū)剝蝕丘陵坡地及谷地區(qū)，地形右高左低，地面高程為29.7～65.4 m，相對(duì)高差約34.7m，自然斜坡上陡下緩，最大坡高約為4.2m，坡率為1∶1.25，路線右側(cè)路堤邊坡坡腳緊挨松田學(xué)院肇慶校區(qū)。受校區(qū)建筑物施工影響，路面出現(xiàn)了3段裂縫(廣州方向K92+085～K92+172縱向裂縫、廣州方向K92+287～K92+380斜向裂縫、廣州方向K91+905～K91+958縱向裂縫)，嚴(yán)重威脅公路路基的使用安全。路基邊坡全貌及路面裂縫現(xiàn)場(chǎng)如圖1和圖2所示。

圖1 路基邊坡現(xiàn)狀全貌

圖2 各斷面裂縫

表1 路面病害

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探揭露和現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查，場(chǎng)區(qū)內(nèi)地層主要包括四層土層：第一層為人工填筑土，第二層為第四系坡殘積層，第三層為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，第四層為中風(fēng)化灰?guī)r。各地層的厚度如圖3所示。

圖3 工程地質(zhì)條件

2 邊坡穩(wěn)定性分析方法

邊坡穩(wěn)定性分析是邊坡計(jì)算的主要任務(wù)，評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性條件和可能的發(fā)展趨勢(shì)，是邊坡設(shè)計(jì)的依據(jù)之一。在路基邊坡穩(wěn)定性分析中，常用方法有極限平衡理論法與強(qiáng)度折減有限元法。

2.1 極限平衡理論法

極限平衡理論是經(jīng)典的定量分析方法，該方法是基于摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則發(fā)展而來，通過對(duì)邊坡作出一系列簡(jiǎn)化假設(shè)，將土體中的超靜定問題轉(zhuǎn)化為靜定問題，并采用包括但不限于瑞典圓弧法、畢肖普法、Morgenstern-Price法等對(duì)邊坡進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。具體過程：首先對(duì)邊坡坡體進(jìn)行滑坡趨勢(shì)判斷，并沿滑坡趨勢(shì)將邊坡巖體進(jìn)行條分，再對(duì)條分塊體進(jìn)行平衡方程求解，并以此作為邊坡穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)，最后應(yīng)用邊坡分析軟件進(jìn)行分析，得出邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)。但采用極限平衡理論分析計(jì)算式，需要對(duì)模型進(jìn)行滑移面假設(shè)，工程實(shí)踐中，這種方法局限性較大，且只適用于二維模型分析。

2.2 強(qiáng)度折減有限元法

傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法為了便于分析計(jì)算，做了大量的近似假設(shè)，而沒有考慮土層內(nèi)部的應(yīng)變關(guān)系以及擋土結(jié)構(gòu)的作用。因此，傳統(tǒng)分析方法不能得到滑動(dòng)體的應(yīng)力分布、變形等情況，也不能得到巖土體本身的變形和擋土結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡變形和穩(wěn)定性的影響。上述缺陷使得傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析方法的工程應(yīng)用范圍受限，特別是在大型重要的邊坡工程中，傳統(tǒng)方法只能作為初步計(jì)算和估計(jì)依據(jù)。采用有限元法克服了傳統(tǒng)的分析方法，不僅滿足了力的平衡條件，而且還能滿足土壤的應(yīng)力、變形和擋土結(jié)構(gòu)。

本文在坡腳建筑物施工的邊坡穩(wěn)定性分析過程中，采用強(qiáng)度折減有限元法進(jìn)行分析計(jì)算。該方法既能滿足工程的實(shí)際需求，也可滿足靜力許可、應(yīng)變相容條件，且在計(jì)算過程中無需假定滑動(dòng)面，不需進(jìn)行條分，模型能夠自動(dòng)輸出潛在的滑動(dòng)面，不僅能模擬復(fù)雜的地質(zhì)地層，還不受邊坡形狀即材料材質(zhì)的限制，適宜三維邊坡穩(wěn)定性分析。具體的計(jì)算過程：

(1)本構(gòu)模型的選擇。邊坡穩(wěn)定性分析中，采用強(qiáng)度折減有限元法計(jì)算時(shí)，本構(gòu)模型的選擇十分重要。常見的本構(gòu)模型有：摩爾-庫倫模型，劍橋模型以及D-P本構(gòu)模型等。無論何種本構(gòu)模型，其適用條件均有所不同，分析計(jì)算結(jié)果也有所差異。本文在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，選擇應(yīng)用最為廣泛的修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型。

(2)邊界條件的計(jì)算和確定。采用強(qiáng)度折減有限元法計(jì)算時(shí)，由于該方法對(duì)于巖土邊界考慮更多，因此其考慮邊界范圍大小對(duì)結(jié)果的影響較極限平衡理論法更敏感。本文根據(jù)邊坡的實(shí)際情況，將模型邊界條件設(shè)為左右兩側(cè)水平約束，下部設(shè)為固定。

(3)計(jì)算參數(shù)的選擇。根據(jù)平面應(yīng)變有限元模型，計(jì)算單元采用8節(jié)點(diǎn)平面單元，需要輸入土體巖石內(nèi)摩擦角、粘聚力、重度、彈性模量、泊松比等5個(gè)參數(shù)。

(4)模型計(jì)算。完成上述步驟后，便可直接進(jìn)行模型計(jì)算。

3 臨近建筑物場(chǎng)地開挖對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性的影響

3.1 數(shù)值模型的建立

3.1.1 計(jì)算模型

為了解坡腳建筑物開挖施工對(duì)既有路基邊坡穩(wěn)定性的影響，以K92+303區(qū)段邊坡為研究對(duì)象，采用有限元分析軟件MIDAS GTS NX，通過建立模型，對(duì)邊坡坡腳建筑物施工開挖進(jìn)行模擬分析。分析時(shí)邊坡模型按實(shí)際比例進(jìn)行設(shè)置，其中一級(jí)邊坡坡高8.0 m，二級(jí)邊坡坡高3.8 m，坡率均為1∶1.25，數(shù)值模型最佳尺寸如圖4所示。一、二級(jí)邊坡坡腳至一側(cè)距離約為1.25h，上下邊界總高度大于 2h，其中h為坡高，此時(shí)計(jì)算精度較為理想。根據(jù)工程勘察資料及專項(xiàng)補(bǔ)充勘察資料，并參考其他工程經(jīng)驗(yàn)，模型有限元力學(xué)計(jì)算參數(shù)見表2。

圖4 有限元網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?/p>

表2 有限元力學(xué)計(jì)算參數(shù)

3.1.2 計(jì)算工況

坡腳建筑物場(chǎng)地開挖施工時(shí)，影響路基邊坡穩(wěn)定性的因素主要包含坡腳場(chǎng)地基坑開挖深度和坡腳支護(hù)方式等。因此，本文分析時(shí)主要考慮了不同開挖深度下及不同基坑支護(hù)工況下，坡腳基坑開挖對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及坡腳建筑物的實(shí)際情況，按表3所示工況進(jìn)行計(jì)算分析。

表3 數(shù)值模型計(jì)算工況

3.2 模型計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 不同開挖深度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

圖5(a)～(c)分別為自然狀態(tài)下、圍護(hù)樁支護(hù)條件下開挖深度為6m、圍護(hù)樁支護(hù)條件下開挖深度為10m的邊坡位移云圖。由圖5可見，隨著基坑開挖深度的增加，邊坡應(yīng)力、位移方向逐漸發(fā)生改變，坡腳應(yīng)力及位移也逐漸增大，各工況下求得的安全系數(shù)也逐漸發(fā)生變化，其中自然狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)為1.42，最大塑性應(yīng)變區(qū)位于坡腳，未產(chǎn)生危險(xiǎn)滑動(dòng)面。但隨著基坑開挖深度的增大，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)逐漸降低，開挖至6m時(shí)，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)降低至1.27；當(dāng)基坑開挖深度增加至10m時(shí)，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)降低至1.09，嚴(yán)重威脅到邊坡的安全使用，這與現(xiàn)場(chǎng)病害調(diào)查發(fā)現(xiàn)在坡腳及坡頂處出現(xiàn)大量裂縫的情況較一致(現(xiàn)場(chǎng)坡腳開挖深度約10m)。

圖5 不同開挖深度時(shí)邊坡應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

3.2.2 有無錨索加固對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

圖6為采用錨索+圍護(hù)樁加固后開挖深度6m、10m的邊坡位移云圖。對(duì)比分析無錨索加固的工況可以發(fā)現(xiàn)，隨著基坑開挖深度的增加，錨索+圍護(hù)樁加固條件下不同開挖深度的邊坡應(yīng)力、位移整體變化趨勢(shì)一致，各工況下求得的安全系數(shù)變化也相近。但不同于只有圍護(hù)樁支護(hù)的工況，當(dāng)采用錨索+圍護(hù)樁對(duì)基坑進(jìn)行加固之后，其邊坡應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生顯著變化，其中采用錨索+圍護(hù)樁加固的基坑開挖深度為6m狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)提升至1.45，出現(xiàn)少量塑性區(qū)，但未產(chǎn)生危險(xiǎn)的滑動(dòng)面。采用錨索+圍護(hù)樁加固的基坑開挖深度為10m狀態(tài)下邊坡安全系數(shù)提升至1.28，出現(xiàn)部分塑性區(qū)。

圖6 采用錨索及圍護(hù)樁加固后邊坡應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

3.2.3 水平位移

為掌握路基邊坡的變形情況，路段管養(yǎng)單位在路基邊坡的平臺(tái)位置及路肩位置進(jìn)行了沉降、表面位移和深層水平位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況如圖7所示。

圖7 邊坡監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

以斷面K92+303為例，經(jīng)監(jiān)測(cè)得到的一級(jí)平臺(tái)水平位移曲線如圖8所示。從圖8可見，在坡腳建筑物場(chǎng)地基坑開挖施工的作用下，路基邊坡一級(jí)平臺(tái)發(fā)生明顯的水平位移，且該位移與深度有關(guān)。在一定的深度范圍內(nèi)，當(dāng)埋深小于7m位置時(shí)，深層水平位移較小，隨著埋深的加大，土體的深層水平位移隨之增大，在埋深為10 m位置處最大位移可達(dá)2mm，隨后隨著埋深的增大位移又逐漸減小直至減小為0。此外，隨著時(shí)間的增長，一級(jí)平臺(tái)下邊坡不同深層水平位移逐漸增長，并在10m深度處可見明顯的位移拐點(diǎn)，即此位置附近發(fā)生剪切變形。

圖8 K92+303一級(jí)平臺(tái)測(cè)斜孔水平位移曲線

左路肩深層水平位移曲線如圖9所示。從圖9可見，左側(cè)路肩深層水平位移變化曲線趨勢(shì)與一級(jí)平臺(tái)類似，不同的是，左側(cè)路肩最大水平位移發(fā)生在埋深為16 m的位置處，此位置附近發(fā)生剪切變形。

圖9 K92+303路肩測(cè)斜孔水平位移曲線

圖10為路基邊坡坡腳只有圍護(hù)樁支護(hù)工況下基坑開挖深度為10m時(shí)的一級(jí)平臺(tái)及左側(cè)路肩的水平位移曲線。由圖10可見，數(shù)值模型計(jì)算水平位移曲線整體趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)接近(現(xiàn)場(chǎng)坡腳基坑開挖深度約10m)。但在數(shù)值模型計(jì)算中，無論是一級(jí)平臺(tái)還是左側(cè)路肩，水平位移均為正值，且最大位移均大于實(shí)測(cè)水平位移，但整體偏差均在5%以內(nèi)。由此可見，數(shù)值分析計(jì)算能夠較好地模擬路基邊坡坡腳現(xiàn)場(chǎng)開挖施工影響的實(shí)際情況。

圖10 數(shù)值計(jì)算水平位移曲線

4 結(jié)論

本文依托廣佛肇高速公路路基邊坡工程，結(jié)合有限元軟件MIDAS GTS NX，利用強(qiáng)度折減法及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，分析了路基邊坡坡腳建筑物不同開挖深度及不同支護(hù)工況下邊坡的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的變化規(guī)律。主要結(jié)論：

(1)建筑物場(chǎng)地開挖對(duì)毗鄰的路基邊坡穩(wěn)定性有顯著影響，隨著建筑物基坑開挖深度的增加，邊坡穩(wěn)定性逐漸下降，當(dāng)基坑開挖深度增加至10m時(shí)，邊坡穩(wěn)定性下降超過23.24%，可能引發(fā)邊坡滑塌。

(2)采用錨索+圍護(hù)樁對(duì)坡腳基坑進(jìn)行組合加固時(shí)，能夠顯著提高邊坡的穩(wěn)定性，降低邊坡滑塌的風(fēng)險(xiǎn)概率。

(3)數(shù)值計(jì)算所得到的只有圍護(hù)樁支護(hù)工況下基坑開挖深度為10m時(shí)邊坡的深層水平位移變化趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，較好地反映了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況下邊坡的變形發(fā)展?fàn)顩r。

(4)邊坡坡腳的建筑物場(chǎng)地基坑開挖前，應(yīng)盡量控制建筑物基坑的開挖深度。對(duì)于開挖深度較大的情況下，需要提高基坑開挖支護(hù)強(qiáng)度，并進(jìn)行必要的邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算，保證足夠的坡腳基坑支護(hù)強(qiáng)度，避免因坡腳開挖引發(fā)路基邊坡失穩(wěn)破壞。