彭浩然廖小平胡平周文皎魏家旭

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中鐵科學(xué)研究院有限公司，成都 610036；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；4.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司，昆明650501

為確保路塹邊坡施工建設(shè)的安全及其道路運(yùn)營(yíng)投入的穩(wěn)定，對(duì)未發(fā)生災(zāi)害的邊坡應(yīng)做好有力支護(hù)，對(duì)已經(jīng)發(fā)生災(zāi)害的邊坡應(yīng)做好徹底整治［1-2］。同時(shí)，可借助數(shù)值分析軟件對(duì)邊坡穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行有效評(píng)估，從而更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐［3-7］。王浩等［8］依托典型路塹高邊坡病害案例，研究了多次滑動(dòng)狀態(tài)下的變形破壞特征及防治工程對(duì)策，采用節(jié)理有限元法模擬了邊坡漸進(jìn)破壞演化過(guò)程，分析了滑動(dòng)成因機(jī)制，并多方面闡述了滑坡治理成果。李庶林等［9］運(yùn)用強(qiáng)度折減法，針對(duì)三道莊的高陡邊坡滑坡開展穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)，并系統(tǒng)地論證了滑坡治理加固的工程效果。喻永祥等［10］以雪浪山橫山寺西側(cè)高邊坡為研究對(duì)象，結(jié)合離散單元法計(jì)算在不同工況下邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)和破壞機(jī)理，利用模擬計(jì)算結(jié)果和后期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，確保了工程治理措施的有效性。

本文參考以上文獻(xiàn)采用的模擬方法及研究思路，以云南香麗高速公路金沙江大橋麗江岸重力錨碇基坑西坡為例，采用有限差分軟件對(duì)該路塹邊坡加固防治的重要階段進(jìn)行模擬分析，并利用強(qiáng)度折減法，評(píng)估其穩(wěn)定性狀態(tài)及防治工程效果。

1 工程概況

云南香麗高速公路金沙江大橋麗江岸重力錨碇基坑邊坡錨碇區(qū)地屬麗江市龍?bào)脆l(xiāng)長(zhǎng)勝村上莫古喜緩坡地帶［11］。原地形為一大型沖溝，溝谷內(nèi)堆積有多處不良地質(zhì)體，地貌高低起伏，凹凸不平。溝內(nèi)開挖面揭露主要為碎石土，黏土充填，含水豐富。

原設(shè)計(jì)邊坡為五級(jí)坡，高約48 m，每級(jí)坡高10 m，平臺(tái)寬2 m，各級(jí)邊坡依次布設(shè)錨索框架結(jié)構(gòu)，錨索長(zhǎng)度20~25 m。2016年8月，當(dāng)開挖至第3級(jí)平臺(tái)時(shí)，邊坡大面積垮塌，對(duì)重力錨碇基坑的施工安全造成嚴(yán)重威脅。

對(duì)滑坡展開進(jìn)一步分析調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該滑坡位于重力錨碇西側(cè)邊坡溝槽內(nèi)，斜坡表層分布松散體。當(dāng)開挖至原設(shè)計(jì)3級(jí)平臺(tái)處，沿溝槽發(fā)生堆積體滑坡，滑體厚度約15 m，滑動(dòng)體積約14.4萬(wàn)m3，滑體物質(zhì)主要為碎石土。該滑坡主要表現(xiàn)為沿基巖頂面的堆積體滑動(dòng)，滑面Ⅰ傾角約16°。但隨著邊坡變形持續(xù)擴(kuò)展以及滑移體的蠕動(dòng)擠壓，很可能會(huì)誘發(fā)深層滑動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生沿強(qiáng)~中風(fēng)化交界面的潛在滑動(dòng)，潛在滑面Ⅱ傾角約20°。

因此，亟須對(duì)該邊坡滑坡進(jìn)行整治加固，變更原設(shè)計(jì)方案，采用兩排抗滑樁+錨索的加固措施。下排抗滑樁設(shè)置在原邊坡2級(jí)平臺(tái)，共22根樁，上排抗滑樁設(shè)置在坡體中部，共18根樁，抗滑樁均采用圓形樁，旋挖成孔。樁頂以下布設(shè)多排錨索，均設(shè)置在腰梁上，邊坡設(shè)計(jì)加固斷面（K79+980）如圖1所示。

圖1 K79+980斷面邊坡加固示意

2017年6月，在抗滑樁施工完成并實(shí)施了第一次邊坡開挖之后，通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)邊坡再次出現(xiàn)位移，同時(shí)抗滑樁樁頂處發(fā)生較大位移。由于錨索腰梁及時(shí)施作并發(fā)揮作用，坡體變形得以控制，邊坡恢復(fù)穩(wěn)定。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型參數(shù)的確定

選取具有代表性的剖面K79+980建立數(shù)值模型，模型全長(zhǎng)235.0 m，高131.5 m，寬20.0 m。為有效提高計(jì)算效率、合理優(yōu)化計(jì)算精度，該基坑邊坡模型共劃分12 980個(gè)單元，14 714個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型底面采用三向零位移邊界，側(cè)面均為水平零位移邊界，土體材料取理想彈塑性Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，開挖部分則采用內(nèi)置空模型。結(jié)合實(shí)際工程情況，考慮設(shè)置兩層滑面，分別為強(qiáng)風(fēng)化板巖與上覆堆積層之間的堆積體界面（滑面Ⅰ）、強(qiáng)~中風(fēng)化板巖間的風(fēng)化界面（滑面Ⅱ）。除此之外的巖體結(jié)構(gòu)面及次要影響因素暫不考慮在模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)，地下水作用綜合反映并折算在其巖土強(qiáng)度參數(shù)中。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)試驗(yàn)成果及穩(wěn)定狀態(tài)反分析方法，綜合確定該邊坡巖土體和各級(jí)滑面的力學(xué)參數(shù)，見表1、表2。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

表2 滑面物理力學(xué)參數(shù)

2.2 加固防治多過(guò)程分析

采用強(qiáng)度折減法計(jì)算得出自然條件下斜坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.24，處于穩(wěn)定狀態(tài)，與實(shí)際工程情況相符。分四個(gè)階段分析研究該邊坡的變形特征，并評(píng)價(jià)其支護(hù)加固效果，分析過(guò)程為：加固抗滑樁→第一次邊坡開挖→加固腰梁及預(yù)應(yīng)力錨索→第二次邊坡開挖。

2.2.1 加固抗滑樁

在邊坡設(shè)計(jì)中，下排樁采用直徑2.5 m的旋挖圓形樁，樁長(zhǎng)45 m，樁間距5 m，深入穩(wěn)定巖層以下數(shù)十米；上排樁采用直徑1.5 m的旋挖圓形樁，樁長(zhǎng)35 m，樁間距5 m，深入基巖以下近10 m，抗滑樁結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖2 抗滑樁結(jié)構(gòu)布置

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及樁-土界面性質(zhì)，綜合確定抗滑樁的結(jié)構(gòu)參數(shù)，見表3。表中黏聚力及剛度取值均按單位長(zhǎng)度計(jì)，切向耦合彈簧剛度和黏聚力參數(shù)反映樁土界面的剪切應(yīng)力作用，法向耦合彈簧剛度和黏聚力參數(shù)反映樁土界面之間的法向力學(xué)作用。

表3 抗滑樁結(jié)構(gòu)參數(shù)

運(yùn)用強(qiáng)度折減法計(jì)算抗滑樁加固后邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.35，相較于自然斜坡更安全。這表明加固抗滑樁對(duì)穩(wěn)定邊坡起到重要支護(hù)作用，同時(shí)為后續(xù)坡腳處開挖重力錨碇基坑提供有力保障。

2.2.2 第一次邊坡開挖

在加固抗滑樁后，對(duì)邊坡實(shí)施第一次開挖?，F(xiàn)場(chǎng)第一次開挖三級(jí)邊坡后，坡體及樁頂均產(chǎn)生了不同程度的位移。由于及時(shí)加固完成腰梁錨索，邊坡變形得以有效控制。

1）自然工況

采用對(duì)第三級(jí)邊坡先整體開挖、再整體加固的模擬方案。第一次邊坡開挖高度近20 m，開挖土方量較大，容易危及邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。

在自然工況下第一次開挖后，邊坡的最大剪應(yīng)變?cè)隽俊⑺苄詤^(qū)分布及水平位移見圖3?？芍孩儆捎陂_挖松弛、卸荷回彈，坡體變形集中在邊坡開挖后的臨空側(cè)，以及依附于基巖頂面沿滑面Ⅰ末端向斜坡坡頂后緣延伸的剪切變形帶區(qū)域。②剪切屈服同樣集中在滑面Ⅰ末端向坡頂延伸的局部范圍，但此時(shí)屈服區(qū)還未與坡頂貫通，坡頂也尚未出現(xiàn)拉裂破壞。③水平位移主要發(fā)生在淺表堆積層界面以上，最大水平位移位于邊坡開挖臨空側(cè)頂部，達(dá)349.5 mm。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)開挖后坡體變形特征與模擬結(jié)果相符，并且其樁體附近巖土體的位移均在同一量級(jí)，說(shuō)明了該模型計(jì)算分析的合理性。

圖3 自然工況下邊坡第一次開挖后最大剪應(yīng)變?cè)隽?、塑性區(qū)分布、水平位移

上述變形特征表明，因坡體開挖，下部支撐削弱，沿滑面Ⅰ產(chǎn)生局部剪切變形，對(duì)邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。由于抗滑樁的支擋作用，坡體變形暫時(shí)得到一定程度的限制。

運(yùn)用強(qiáng)度折減法計(jì)算第一次開挖后自然工況下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.09。此時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)較低，一旦遭遇連續(xù)降雨或其他工況作用，很可能造成邊坡整體失穩(wěn)變形，發(fā)生更為嚴(yán)重的病害。

2）降雨工況

為研究開挖后邊坡在降雨工況條件下的穩(wěn)定性狀態(tài)，假設(shè)邊坡巖土體重度為飽和重度，各級(jí)各段滑面巖土體抗剪強(qiáng)度力學(xué)參數(shù)折減至原強(qiáng)度95%，模擬預(yù)測(cè)降雨對(duì)邊坡的影響。

在降雨工況下第一次開挖后，邊坡的最大剪應(yīng)變?cè)隽?、塑性區(qū)分布及水平位移見圖4?？芍孩偌羟凶冃稳约性谶吰麻_挖后的臨空側(cè)以及沿滑面Ⅰ向坡頂后緣延伸區(qū)域，但相較于自然工況，開挖臨空面附近土體變形呈持續(xù)增大趨勢(shì)，滑面Ⅰ末端的剪切變形帶與坡頂基本連通。②剪切屈服區(qū)范圍明顯增加，主要表現(xiàn)為沿滑面Ⅰ末端向坡頂剪切屈服貫通，并且在坡頂處出現(xiàn)拉裂屈服。③水平位移的產(chǎn)生依附于堆積層界面，并有沿堆積層界面向臨空面方向的滑移趨勢(shì)，變形程度及范圍相較于自然工況明顯增大，其中最大水平位移達(dá)613.7 mm，比自然工況增大了75.6%。

圖4 降雨工況下邊坡第一次開挖后最大剪應(yīng)變?cè)隽?、塑性區(qū)分布、水平位移

在模擬預(yù)測(cè)的降雨工況條件下，坡體變形已由局部發(fā)展到整體，形成了貫通坡體內(nèi)部的剪切變形帶。與此同時(shí)，后緣裂縫張開并伴有局部下錯(cuò)，不穩(wěn)定斜坡體對(duì)抗滑樁的擠壓作用變得更為明顯。經(jīng)計(jì)算，降雨工況下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)由自然工況的1.09減小到1.03，邊坡穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的坡體變形。

綜合邊坡的變形特征及穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，抗滑樁雖然對(duì)抑制邊坡變形起到一定的防護(hù)作用，但受開挖擾動(dòng)及降雨作用的影響，下部坡體支撐受開挖削弱，滑面受雨水浸潤(rùn)軟化，抗滑力減??；同時(shí)，地下水位上升，坡體自重增加，下滑力增大，致使邊坡產(chǎn)生嚴(yán)重失穩(wěn)變形。因此，需要及時(shí)對(duì)邊坡施加其他治理手段和防護(hù)措施，否則一旦發(fā)生大規(guī)?；聻?zāi)害，治理難度將變得更大，費(fèi)用也更高。

2.2.3 加固腰梁及預(yù)應(yīng)力錨索

為及時(shí)治理邊坡病害，防止變形加劇，立即對(duì)邊坡采取了腰梁及預(yù)應(yīng)力錨索加固措施。在下排樁樁頂以下1、5、9、13、17 m設(shè)置5φ15.2預(yù)應(yīng)力錨索，上排樁樁頂以下1.5、4.5 m設(shè)置5φ15.2預(yù)應(yīng)力錨索，鉆孔孔徑150 mm，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa。錨索位于圓形抗滑樁的兩側(cè)，且均布置在腰梁上，腰梁高0.5 m、厚0.45 m，腰梁及預(yù)應(yīng)力錨索布置如圖5所示。

圖5 腰梁及預(yù)應(yīng)力錨索布置示意

結(jié)合本工程實(shí)際情況，分別選用梁結(jié)構(gòu)單元（beam）和錨結(jié)構(gòu)單元（cable）模擬腰梁及預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)。腰梁及預(yù)應(yīng)力錨索的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表4、表5，表中黏聚力及剛度取值均按單位長(zhǎng)度計(jì)。

表4 腰梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

表5 錨索結(jié)構(gòu)參數(shù)

邊坡在腰梁及預(yù)應(yīng)力錨索加固后的最大剪應(yīng)變?cè)隽俊⑺苄詤^(qū)分布及水平位移見圖6?？芍杭庸毯笃麦w剪切變形得到有效控制，塑性區(qū)分布顯著減少，同時(shí)滑帶末端未有任何變形跡象；最大水平位移由加固前的349.5 mm降低到102.5 mm，減小了70.7%，變形顯著降低。

圖6 腰梁及預(yù)應(yīng)力錨索加固后邊坡最大剪應(yīng)變?cè)隽?、塑性區(qū)分布、水平位移

運(yùn)用強(qiáng)度折減法計(jì)算加固后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.45，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

為進(jìn)一步研究在不同階段抗滑樁的變形特征，沿樁深每間隔1 m設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將不同模擬階段分別簡(jiǎn)化為自然工況（第一次邊坡開挖后）、預(yù)測(cè)降雨工況（第一次邊坡開挖后）、加固工況（加固腰梁及預(yù)應(yīng)力錨索），得到抗滑樁變形曲線見圖7。

圖7 抗滑樁變形曲線

由圖7可知：自然工況下抗滑樁產(chǎn)生了20 mm以上的撓度，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際發(fā)生的樁體位移變形狀態(tài)相符。從自然工況到預(yù)測(cè)降雨工況，兩排抗滑樁的樁身?yè)隙染休^大幅度提升，說(shuō)明降雨條件下抗滑樁需要承受更大的滑坡推力來(lái)抵抗坡體變形滑動(dòng)，因而產(chǎn)生的樁體位移更為顯著。在加固完成腰梁及預(yù)應(yīng)力錨索后，樁身?yè)隙让黠@降低，表明腰梁錨索與抗滑樁的協(xié)同作用抵抗坡體下滑力，樁錨變形協(xié)調(diào)作用充分發(fā)揮，進(jìn)而保障了坡體穩(wěn)定。另外，觀察上排樁的撓度曲線，發(fā)現(xiàn)樁體在預(yù)測(cè)降雨工況下產(chǎn)生了向滑動(dòng)方向的整體偏位，表現(xiàn)出被推歪的狀態(tài)，說(shuō)明上排樁深入基巖的長(zhǎng)度還稍有欠缺，故產(chǎn)生偏位轉(zhuǎn)動(dòng)。而下排樁的撓度曲線曲率隨樁深逐漸減小，樁體下部幾乎未發(fā)生任何位移，表明其埋深較大的嵌固端無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，樁體僅發(fā)生撓曲變形。相較于加固前，坡體變形和樁身?yè)锨谘杭邦A(yù)應(yīng)力錨索加固后均得到有效控制，邊坡穩(wěn)定系數(shù)由1.09提升到1.45，恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，因此對(duì)該邊坡實(shí)施腰梁錨索加固措施很有必要。

在完成腰梁錨索結(jié)構(gòu)的加固后，對(duì)錨碇基坑西坡下排抗滑樁實(shí)施了深孔位移監(jiān)測(cè)，結(jié)果見圖8。可知：通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，測(cè)斜孔孔口以下13 m處的位移累計(jì)達(dá)到1.1 mm，其監(jiān)測(cè)孔位移較小，未發(fā)生明顯變形。綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者具有良好的一致性，說(shuō)明了數(shù)值反演分析能夠較為真實(shí)地揭示邊坡災(zāi)變過(guò)程，預(yù)測(cè)加固防護(hù)效果。

圖8 腰梁錨索加固后下排樁累計(jì)深部位移監(jiān)測(cè)曲線

2.2.4 第二次邊坡開挖

完成腰梁及預(yù)應(yīng)力錨索加固后，開挖第一、二級(jí)邊坡，坡率按1∶0.3設(shè)計(jì)。邊坡在第二次開挖后的最大剪應(yīng)變?cè)隽恳妶D9。可知：第二次邊坡開挖并未引起明顯的剪切變形，說(shuō)明腰梁及預(yù)應(yīng)力錨索的加固防治對(duì)邊坡穩(wěn)定起到積極作用。運(yùn)用強(qiáng)度折減法計(jì)算第二次邊坡開挖后的穩(wěn)定系數(shù)為1.43，相比開挖前僅損失0.02，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 第二次開挖后邊坡最大剪應(yīng)變?cè)隽?/p>

研究第二次邊坡開挖后在預(yù)測(cè)降雨工況條件下的穩(wěn)定性狀態(tài)，仍采用假設(shè)邊坡巖土體重度設(shè)為飽和重度，各級(jí)各段滑面巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)折減至原強(qiáng)度的95%的方法，用以模擬降雨對(duì)邊坡的影響。經(jīng)計(jì)算，第二次開挖降雨后邊坡的穩(wěn)定系數(shù)由自然條件下的1.43變化為1.40，滿足JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)高速公路邊坡非正常工況穩(wěn)定系數(shù)的規(guī)定。通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與后期運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其變形特性及坡體穩(wěn)定狀態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果相符，進(jìn)一步表明腰梁及預(yù)應(yīng)力錨索的加固防治措施具有必要性。

3 結(jié)論

1）邊坡開挖后，由于坡腳失去支撐，抗滑力主要由抗滑樁來(lái)承擔(dān)，產(chǎn)生的剪切變形主要集中在邊坡開挖后的臨空側(cè)以及依附于基巖頂面沿滑面Ⅰ末端向坡頂延伸的剪切變形帶區(qū)域。從開挖后的自然工況到預(yù)測(cè)降雨工況，坡體變形及樁身?yè)锨@著提升，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。僅依靠抗滑樁支擋難以防控坡體變形，亟須其他加固措施維持坡體穩(wěn)定。

2）在完成腰梁及預(yù)應(yīng)力錨索加固后，樁錨變形協(xié)調(diào)作用充分發(fā)揮，坡體位移及抗滑樁樁體位移均大幅降低。同時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)由加固前的1.09提升到1.45，即使在第二次開挖后的降雨工況下穩(wěn)定系數(shù)也保持在1.40，皆滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中的穩(wěn)定性要求。這一結(jié)果表明腰梁及預(yù)應(yīng)力錨索加固的有效性和必要性，為保障邊坡穩(wěn)定起到了關(guān)鍵作用。