楊瑞娟，蘇曉亮

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081）

隨著國家“一帶一路”和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的進(jìn)一步實(shí)施，高速公路通車?yán)锍滩粩嘣龆啵豢杀苊獾臅?huì)遇到大量因工程開挖而形成的高陡深路墊邊坡。同時(shí)受自然環(huán)境和工程要求開挖山體往往無法通過直接放坡來減緩邊坡高度和坡體的順層臨空，而是以較高陡的形式進(jìn)行開挖。針對順層邊坡的破壞特征，運(yùn)用彈塑性理論和有限元法，建立了順層巖質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性的模擬分析模型[1]，依據(jù)強(qiáng)度折減法的思想，將地震荷載特征以及離散元法及順層巖質(zhì)邊坡的特點(diǎn)結(jié)合，提出了一種求解地震荷載作用下順層巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)的方法[2]，通過從巖體的力學(xué)角度,闡述了巖體結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度特性及其力學(xué)效應(yīng)及影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析的不平衡推理傳遞。發(fā)現(xiàn)該類邊坡的變形破壞模式主要有潰屈破壞[3]、滑移- 拉裂[4]、滑移- 彎曲[5]、剪切滑移[6]。根據(jù)順層邊坡的變形破壞特征，以貴州某高速特大橋拱座基坑邊坡為例，通過現(xiàn)場調(diào)查及室內(nèi)試驗(yàn)，分析其變形破壞機(jī)制，并用有限元對加固防護(hù)后的邊坡穩(wěn)定性和防護(hù)機(jī)理進(jìn)行全面、科學(xué)的評(píng)價(jià)，可為工程建設(shè)的順利進(jìn)行和降雨工況下可能的局部加固處理提供合理的依據(jù)，同時(shí)，也可為同類順層巖質(zhì)高邊坡加固方案設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

貴州某高速特大橋采用410 m 鋼管混凝土拱橋+預(yù)應(yīng)力砼T 梁，橫跨V 型觀音寺河河谷，遵義岸拱座開挖山體腰部坡體。邊坡在開挖臨空過程中，發(fā)生了沿巖層面蠕滑，山體頂部開裂等情況，為了確保邊坡穩(wěn)定和遵義岸拱座以及23#和24#墩的安全，進(jìn)行防護(hù)工程方案研究。

2 地質(zhì)概況

2.1 地形、地貌

該特大橋遵義岸坡體北東向?yàn)橛^音寺河，該河谷為典型的“V”形谷，底寬約40～70 m。岸坡整體較陡，自然坡度角在40～50°。橋區(qū)大部基巖裸露，植被發(fā)育，主要為樹林及灌木叢，整個(gè)坡體軸線地面高程在953.4～649.6 m 之間，相對高差303.8 m。

2.2 地層巖性

該特大橋拱座區(qū)域覆蓋層為粘土（Qel+dl），呈黃褐色，可塑狀，局部含少量灰?guī)r碎石，厚0～2 m，場區(qū)零星分布?；鶐r為三疊系下統(tǒng)茅草鋪組（T1m），薄～中厚層狀灰?guī)r夾薄層泥膜、泥質(zhì)白云巖夾層。根據(jù)孔內(nèi)電視成像資料，灰?guī)r層間泥質(zhì)薄膜，發(fā)育間距為10～50 cm，層厚為0.5～8 mm，吸水后易軟化，淺部結(jié)合程度差，深部呈閉合狀，見圖1。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

研究區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)臺(tái)地黔北臺(tái)隆遵義斷拱畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)?；拥谌?jí)臺(tái)階位置存在泥質(zhì)白云巖軟弱夾層，巖層強(qiáng)風(fēng)化層厚度約2～5 m，巖層產(chǎn)狀265～267°∠45～48°。發(fā)育一組平行于臨空面的節(jié)理J1，產(chǎn)狀為193°∠76°，性質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化卸荷裂隙。

2.4 水文地質(zhì)

研究區(qū)屬長江流域赤水河水系及其支流。橋梁在里程樁號(hào)ZK21+482～K21+522 與觀音寺河相交，河寬約20～60 m，深度約0.5～2.0 m，常年徑流，測時(shí)流量約20～40 L/s，調(diào)訪最高洪水位653.20 m。

研究區(qū)地下水類型為第四系松散土層孔隙裂隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性。

3 拱座邊坡變形破壞特征及破壞機(jī)制

根據(jù)現(xiàn)場開挖揭露情況，施工便道開挖已形成高約6 m 的薄～中厚層狀灰?guī)r順層邊坡，順層邊坡沿巖層面產(chǎn)生蠕滑變形，山體頂部出現(xiàn)裂縫。邊坡巖體巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖層間分布多層泥質(zhì)薄膜，結(jié)合程度差，深部呈閉合狀，發(fā)育間距為10～50 cm，層厚為0.5～8 mm，吸水后易軟化。調(diào)查期間，巖層層間一直存在地下水滲出，工程地質(zhì)條件較差，見圖2。

該邊坡巖體結(jié)構(gòu)為硬質(zhì)巖夾多層泥質(zhì)薄膜和軟質(zhì)巖的陡傾角順層邊坡，工程地質(zhì)條件較差。邊坡在開挖過程中，降雨沿節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面下滲，不斷軟化軟弱夾層，致使夾層及層間膠結(jié)物強(qiáng)度急劇降低。同時(shí)，基坑開挖后，導(dǎo)致邊坡巖層產(chǎn)生順層臨空，在重力作用下沿軟弱層面產(chǎn)生順層蠕滑變形，坡頂產(chǎn)生拉張裂縫。

綜上，邊坡工程地質(zhì)條件差為基礎(chǔ)條件，降雨和工程活動(dòng)是邊坡順層滑移的誘發(fā)因素，該邊坡變形壞模式為蠕滑- 拉裂型。進(jìn)一步施工開挖，邊坡可能發(fā)生大規(guī)模沿層面順層滑移失穩(wěn)破壞。

4 邊坡防護(hù)方案的有限元分析

4.1 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案一為抗滑樁+減載+坡面豎梁錨索、獨(dú)立錨索防護(hù)+左幅24#、右幅23#墩樁基加長的防護(hù)形式，具體斷面圖見圖3。

設(shè)計(jì)方案二為抗滑樁+擋墻+豎梁錨索、獨(dú)立錨索加固的防護(hù)形式，具體斷面圖見圖4。

4.2 計(jì)算模型及參數(shù)選取

根據(jù)邊坡的結(jié)構(gòu)特征和物質(zhì)組成將模型進(jìn)行概化，邊坡模型中覆蓋層及基巖、混凝土回填均采用實(shí)體單元來模擬，而結(jié)構(gòu)單元中錨索采用植入式桁架，抗滑樁采用梁單元模擬，最不利巖層層面采用接觸面來模擬。主要材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

該特大橋?qū)儆谥匾Y(jié)構(gòu)物，施工過程中和運(yùn)營期不僅對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有要求，而且對于變形量控制也有嚴(yán)格規(guī)定?？紤]到拱座基坑邊坡巖體為硬質(zhì)巖夾泥膜、軟質(zhì)巖結(jié)構(gòu)，在降雨情況下屬于極易產(chǎn)生順層滑坡，故對降雨情況下兩種邊坡防護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

（1） 拱座開挖后邊坡整體水平位移分布

拱座開挖后兩種防護(hù)方案下邊坡水平位移云圖和穩(wěn)定性系數(shù)。當(dāng)采用方案一作為邊坡防護(hù)方案預(yù)加固時(shí)，拱座開挖后坡體整體穩(wěn)定性系數(shù)高于方案二，安全儲(chǔ)備更高，而位移相對方案二稍大，潛在滑動(dòng)帶范圍深于方案二。方案一抗滑樁樁最大位移位于樁中上部約為4.2 mm，而方案二的抗滑樁最大位移位于樁頂處，約為4.5 mm。

（2） 施工后邊坡整體水平位移分布

方案一拱座開挖后坡體整體穩(wěn)定性系數(shù)高于方案二，安全儲(chǔ)備更高，坡體整體位移也較方案二小。方案一抗滑樁樁最大位移約為0.9 mm，拱座最大位移約為0.92 mm，影響范圍內(nèi)的橋墩最大水平位移0.3 mm，方案二的抗滑樁最大位移約為4.5 mm，拱座最大位移約為1.4 mm，影響范圍內(nèi)的橋墩最大水平位移0.3 mm。兩種方案下抗滑樁、拱座、邊坡體最大水平位移均為1～1.5 mm 之間，滿足相關(guān)結(jié)構(gòu)的變形控制要求。

通過對比分析可以看出，兩種方案均能保證

邊坡穩(wěn)定性，且滿足變形控制要求。但是方案一比方案二可節(jié)省投資約190 萬元，按照安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)原則，故推薦方案一作為該拱座基坑邊坡的防護(hù)方案。

5 結(jié)論

（1） 坡體結(jié)構(gòu)為硬質(zhì)巖夾多層泥質(zhì)薄膜和軟質(zhì)巖的陡傾角順層邊坡，工程地質(zhì)條件較差，此類邊坡極易產(chǎn)生順層滑移，工程建設(shè)中應(yīng)對此類邊坡采用強(qiáng)支擋防護(hù)。

（2） 工程地質(zhì)條件差是順層巖質(zhì)邊坡發(fā)生失穩(wěn)的基本條件，降雨和工程活動(dòng)是邊坡順層滑移的主要誘發(fā)因素，此類邊坡變形壞模式一般為蠕滑- 拉裂型。

（3） 有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，此類邊坡采用坡腳支擋加清方分區(qū)加固方案更符合安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)要求。