江河濱，鄧祥明

(廣西南天高速公路有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

路塹邊坡滑動(dòng)破壞因其發(fā)生廣泛且可造成嚴(yán)重災(zāi)害，一直被視為攸關(guān)公路、鐵路等工程施工和運(yùn)營(yíng)安全的經(jīng)典課題之一[1]。目前普遍采用的研究方法有剛體極限平衡法[2-3]和強(qiáng)度折減法[4]，經(jīng)驗(yàn)豐富的工程技術(shù)人員可通過(guò)這兩種方法計(jì)算得到較為合理的邊坡安全系數(shù)，從而指導(dǎo)邊坡工程的開(kāi)挖和加固設(shè)計(jì)。然而，在計(jì)算路塹邊坡的安全系數(shù)時(shí)，通常以路塹邊坡開(kāi)挖完成后的最終狀態(tài)作為邊坡安全系數(shù)計(jì)算的初始條件，而對(duì)邊坡開(kāi)挖過(guò)程產(chǎn)生的工程擾動(dòng)及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響考慮較少。

開(kāi)挖擾動(dòng)是路塹邊坡滑動(dòng)破壞的主要誘發(fā)因素之一[5-6]。許多學(xué)者通過(guò)模擬邊坡開(kāi)挖過(guò)程，并以位移增量、應(yīng)力釋放量、應(yīng)變?cè)隽?、塑性區(qū)分布、自定義損傷變量等參量作為邊坡開(kāi)挖擾動(dòng)的表征量，研究了邊坡開(kāi)挖過(guò)程中坡體受到的擾動(dòng)程度及其分布規(guī)律，為邊坡的變形和穩(wěn)定性控制、加固措施的優(yōu)化等提供了重要參考[7-9]。

為了進(jìn)一步揭示路塹邊坡開(kāi)挖擾動(dòng)下的失穩(wěn)演化過(guò)程和優(yōu)化加固措施，本文以廣西某在建高速公路多級(jí)路塹邊坡為依托，采用有限元方法模擬分析了邊坡開(kāi)挖擾動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，采用強(qiáng)度折減法研究了邊坡安全系數(shù)隨開(kāi)挖擾動(dòng)的變化規(guī)律，基于開(kāi)挖擾動(dòng)響應(yīng)規(guī)律提出了路塹邊坡加固措施并通過(guò)計(jì)算安全系數(shù)驗(yàn)證了其有效性。

1 工程概況

廣西在建的某高速公路ZK52+800～ZK53+300段左側(cè)深挖路塹邊坡，位于河池市南丹縣羅富鎮(zhèn)羅屯村木橋屯附近東南約500 m。線路順南北走向的山體東面山腰中部及沖溝地帶展布，公路采用整體式路基并以路塹的方式從山坡中部穿過(guò)。邊坡自然坡面為剝蝕低山地貌，自然坡角約為30°～40°，地表橫坡較陡。覆蓋層為灰黃色硬塑狀殘坡積粉質(zhì)黏土，地表植被茂密且未見(jiàn)不良地質(zhì)發(fā)育，下伏基巖為灰黑色中厚層夾薄層狀中風(fēng)化灰?guī)r，巖體較完整，自然邊坡穩(wěn)定性好。邊坡地質(zhì)剖面及開(kāi)挖設(shè)計(jì)如圖1所示，坡體巖土力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 邊坡剖面及開(kāi)挖設(shè)計(jì)圖

表1 坡體巖土力學(xué)參數(shù)表

邊坡開(kāi)挖至四級(jí)平臺(tái)時(shí)發(fā)生滑塌，滑動(dòng)面位置見(jiàn)下頁(yè)圖2，邊坡滑塌的特征為：滑塌的寬度約70 m，高約45 m，厚約4～5 m，方量約10 000 m3?；芽p呈圈椅狀，后緣裂縫寬10～20 cm，裂縫邊界明顯，滑動(dòng)方向基本朝向路基方向，在三級(jí)平臺(tái)處剪出。

圖2 邊坡滑塌示意圖

2 數(shù)值模擬條件

根據(jù)圖1中邊坡的地質(zhì)概況及開(kāi)挖設(shè)計(jì)圖，在有限元軟件Phase2中建立邊坡動(dòng)態(tài)開(kāi)挖模型，見(jiàn)下頁(yè)圖3。坡體的巖土力學(xué)參數(shù)采用表1中的參數(shù)。研究方案為：

圖3 邊坡開(kāi)挖模擬模型示意圖

(1)根據(jù)邊坡的開(kāi)挖-回填施工過(guò)程，開(kāi)展邊坡施工動(dòng)態(tài)模擬，并分別以最大剪應(yīng)變累積量和最大剪應(yīng)變?cè)隽繛楸碚髁糠治鲞吰碌拈_(kāi)挖擾動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。

(2)在邊坡開(kāi)挖施工動(dòng)態(tài)模擬的基礎(chǔ)上，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡開(kāi)挖至每一個(gè)平臺(tái)處時(shí)對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)，研究邊坡開(kāi)挖過(guò)程中安全系數(shù)的變化規(guī)律。

(3)通過(guò)對(duì)比邊坡開(kāi)挖擾動(dòng)響應(yīng)和開(kāi)挖過(guò)程中安全系數(shù)的變化情況，分析開(kāi)挖擾動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并基于此提出邊坡加固措施。

3 基于最大剪應(yīng)變的邊坡開(kāi)挖擾動(dòng)規(guī)律分析

邊坡開(kāi)挖擾動(dòng)的表征方式有很多，常用的有塑性區(qū)分布、應(yīng)變?cè)隽?、位移增量、?yīng)力增量、自定義損傷變量等，這些參量在一定程度上都可以揭示邊坡的開(kāi)挖擾動(dòng)程度。根據(jù)邊坡滑塌的地質(zhì)調(diào)查可知，該邊坡以剪切滑動(dòng)為主，因此考慮以最大剪應(yīng)變作為邊坡開(kāi)挖擾動(dòng)的表征量來(lái)研究該邊坡的開(kāi)挖擾動(dòng)規(guī)律。

圖4為邊坡開(kāi)挖過(guò)程中坡體最大剪應(yīng)變累積量的分布情況。邊坡剛開(kāi)挖時(shí)，受擾動(dòng)的區(qū)域主要分布在開(kāi)挖面周?chē)玳_(kāi)挖到一級(jí)平臺(tái)和二級(jí)平臺(tái)時(shí)，受擾動(dòng)的區(qū)域主要集中在一級(jí)平臺(tái)和二級(jí)平臺(tái)附近，見(jiàn)圖4(a)和圖4(b)；隨著邊坡往下開(kāi)挖，受擾動(dòng)影響的區(qū)域逐漸增大，例如開(kāi)挖到三級(jí)平臺(tái)時(shí)，四級(jí)平臺(tái)處的未開(kāi)挖坡體已經(jīng)受到不同程度的擾動(dòng)，見(jiàn)圖4(c)；當(dāng)開(kāi)挖至邊坡下部時(shí)，開(kāi)挖擾動(dòng)的影響進(jìn)一步增大，最終導(dǎo)致邊坡開(kāi)挖區(qū)域的上覆土層幾乎全部受到不同程度的擾動(dòng)，見(jiàn)圖4(d)和圖4(e)。

(a)開(kāi)挖至一級(jí)平臺(tái)

圖5為邊坡開(kāi)挖過(guò)程中坡體最大剪應(yīng)變?cè)隽康姆植记闆r。此處的最大剪應(yīng)變?cè)隽勘硎镜氖情_(kāi)挖至第i+1級(jí)平臺(tái)處的最大剪應(yīng)變累積量與開(kāi)挖至第i級(jí)平臺(tái)處的最大剪應(yīng)變累積量的差值。通過(guò)分析最大剪應(yīng)變?cè)隽靠梢缘玫矫恳患?jí)平臺(tái)的開(kāi)挖對(duì)坡體的擾動(dòng)范圍和擾動(dòng)程度。由圖5可知：邊坡上部一級(jí)平臺(tái)和二級(jí)平臺(tái)開(kāi)挖完成后，坡體受擾動(dòng)的范圍僅集中分布在一級(jí)平臺(tái)和二級(jí)平臺(tái)之間的上覆土層區(qū)域，見(jiàn)圖5(a)和圖5(b)；邊坡開(kāi)挖中部三級(jí)平臺(tái)和底部時(shí)，坡體受擾動(dòng)的區(qū)域遍布二級(jí)平臺(tái)至四級(jí)平臺(tái)之間的所有上覆土層，見(jiàn)圖5(c)～(e)。

(a)開(kāi)挖至一級(jí)平臺(tái)

4 邊坡開(kāi)挖擾動(dòng)失穩(wěn)演化

圖6展示了邊坡開(kāi)挖至不同階段時(shí)采用極限平衡法計(jì)算得到的安全系數(shù)。由圖6可知：邊坡開(kāi)挖至上部一級(jí)平臺(tái)和二級(jí)平臺(tái)時(shí)，安全系數(shù)由1.12降低至1.11，只降低了0.01，說(shuō)明邊坡上部一、二級(jí)平臺(tái)的開(kāi)挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較小。隨著邊坡下挖，邊坡的安全系數(shù)分別降低至1.07、1.01和0.96，即從二級(jí)平臺(tái)開(kāi)挖至三級(jí)平臺(tái)時(shí)安全系數(shù)降低了0.04，從三級(jí)平臺(tái)開(kāi)挖至四級(jí)平臺(tái)時(shí)安全系數(shù)降低了0.06，從四級(jí)平臺(tái)開(kāi)挖至路基時(shí)安全系數(shù)降低了0.06。對(duì)比邊坡上部一、二級(jí)平臺(tái)開(kāi)挖后安全系數(shù)的變化情況，邊坡中部和底部開(kāi)挖后安全系數(shù)的減小幅度較大，由此說(shuō)明邊坡中部和底部的開(kāi)挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較大。邊坡開(kāi)挖至路基時(shí)，安全系數(shù)已降低至1.0以下，說(shuō)明邊坡此時(shí)極容易發(fā)生滑塌，這一計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際中邊坡開(kāi)挖至坡角發(fā)生滑塌的情況基本一致。

(a)開(kāi)挖至一級(jí)平臺(tái)

此外，結(jié)合對(duì)圖4和圖5的分析，可以進(jìn)一步得出邊坡安全系數(shù)隨開(kāi)挖擾動(dòng)的變化規(guī)律：邊坡上部土體的開(kāi)挖對(duì)坡體產(chǎn)生的擾動(dòng)影響范圍較小，邊坡的安全系數(shù)變化較小，此時(shí)邊坡的穩(wěn)定性與自然坡面的穩(wěn)定性較為接近，邊坡發(fā)生滑動(dòng)的可能性較??；而邊坡中部和底部土體的開(kāi)挖對(duì)坡體產(chǎn)生的擾動(dòng)影響范圍較大，邊坡中部和底部每一級(jí)臺(tái)階的開(kāi)挖都會(huì)使邊坡安全系數(shù)發(fā)生較大幅度的降低，最終可能會(huì)誘發(fā)邊坡滑塌。

5 基于開(kāi)挖擾動(dòng)效應(yīng)的邊坡加固措施研究

從邊坡開(kāi)挖擾動(dòng)響應(yīng)的分析中可以看出，邊坡上部開(kāi)挖時(shí)，坡體受到的擾動(dòng)影響較小，邊坡較為穩(wěn)定；而當(dāng)開(kāi)挖至邊坡中部和底部時(shí)，坡體受開(kāi)挖擾動(dòng)影響的區(qū)域急劇增大，邊坡安全系數(shù)降低幅度較大?；谶@一認(rèn)識(shí)，考慮從降低邊坡開(kāi)挖擾動(dòng)的角度設(shè)計(jì)加固措施，即在邊坡開(kāi)挖擾動(dòng)最大的區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)，從而達(dá)到減小開(kāi)挖擾動(dòng)影響、提高邊坡穩(wěn)定性的目的。

為此，基于上述開(kāi)挖擾動(dòng)分析，對(duì)該路塹邊坡作出如下加固設(shè)計(jì)：全坡面采用錨桿(索)格梁+掛網(wǎng)噴播防護(hù)形式，采用Ⅱ型錨索，錨索長(zhǎng)25 m，錨固段長(zhǎng)12 m，設(shè)計(jì)錨固力為500 kN，入射角為20°；在邊坡滑塌剪出處增設(shè)10 m抗滑樁，10 m抗滑樁以冠梁連接，在冠梁處設(shè)一道Ⅱ型錨索，樁后回填碎石至原開(kāi)挖線，與樁頂齊平；在各級(jí)平臺(tái)及樁頂回填碎石面，滑塌體坡面要求進(jìn)行硬化封閉，并對(duì)坡面及滑塌后緣的裂縫采用砂漿封填，同時(shí)設(shè)置平臺(tái)排水溝。

為了驗(yàn)證上述加固方案的有效性，對(duì)按照上述加固方案對(duì)加固后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算，見(jiàn)圖7。由圖7可知：加固后的邊坡安全系數(shù)提高至1.36，大于規(guī)范要求的1.20，因此加固后的邊坡穩(wěn)定性超過(guò)了規(guī)范要求，加固方案有效。

(a)邊坡加固計(jì)算模型

6 結(jié)語(yǔ)

本文以廣西某高速公路多級(jí)路塹邊坡為依托，分析了邊坡開(kāi)挖擾動(dòng)響應(yīng)及失穩(wěn)演化規(guī)律，基于開(kāi)挖擾動(dòng)規(guī)律提出了支護(hù)措施并驗(yàn)證了其有效性，得到如下結(jié)論：

(1)路塹邊坡上部臺(tái)階的開(kāi)挖對(duì)坡體擾動(dòng)較小，邊坡穩(wěn)定性變化較?。欢胁亢偷撞颗_(tái)階的開(kāi)挖對(duì)坡體擾動(dòng)較大，此時(shí)邊坡穩(wěn)定性降低幅度較大，并可能造成邊坡失穩(wěn)。

(2)合理的加固措施可以減小邊坡開(kāi)挖擾動(dòng)對(duì)穩(wěn)定性的不利影響，在坡體受開(kāi)挖擾動(dòng)影響較大的部位增設(shè)抗滑樁、錨索等支護(hù)措施可以高效地提高邊坡的穩(wěn)定性。