李 靖

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430071）

0 引 言

山區(qū)水利水電、礦山和交通建設(shè)常需要大規(guī)模挖方，形成不同規(guī)模的挖方高邊坡，強(qiáng)烈的卸荷作用會(huì)極大地改變初始地形，對(duì)邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生極大的不利影響[1-3]。阻滑段的卸荷使得挖方高邊坡整體和局部安全保障面臨挑戰(zhàn)[4-5]。

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330—2013）和《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD30—2015）對(duì)于一般邊坡的安全控制措施主要依靠坡率法+平臺(tái)相結(jié)合的方法，再增補(bǔ)錨桿索、樁錨、截排水等其他剛?cè)峤Y(jié)合的加固及輔助措施，即坡率+平臺(tái)措施是基礎(chǔ)，坡率是根本，其他措施的有效性建立在坡率法能保證自穩(wěn)的基礎(chǔ)上，否則面臨極高的安全風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)于挖方形成的高邊坡的研究主要集中在：①挖方高邊坡的靜動(dòng)力穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[6-9]；②挖方高邊坡的變形破壞機(jī)理[10-14]；③挖方高邊坡的設(shè)計(jì)方法[15-18]；④挖方高邊坡的加固措施及優(yōu)化[19-22]；⑤挖方高邊坡的安全監(jiān)測(cè)[23-26]。因此，挖方高邊坡的研究主要集中在由此造成的安全控制方面。

依托已經(jīng)產(chǎn)生顯著變形破壞跡象的高速公路路塹高邊坡，采用極限平衡法[27]探討坡率和平臺(tái)對(duì)于該路塹高邊坡穩(wěn)定性的影響機(jī)制，獲取最佳的平臺(tái)寬度和設(shè)定位置；利用FLAC3D數(shù)值建模探討平臺(tái)寬度和不同位置設(shè)定寬平臺(tái)對(duì)路塹高邊坡的變形破壞特征的影響機(jī)制，獲取寬平臺(tái)對(duì)路塹高邊坡穩(wěn)定性的調(diào)控機(jī)制。

1 典型路塹高邊坡

1.1 典型路塹邊坡

由于開(kāi)挖形成7級(jí)路塹高邊坡，7，6，5，4，3，2，1級(jí)坡由上至下開(kāi)挖揭露的地層依次為：①第四系全新殘破積粉質(zhì)黏土，褐紅色，硬塑，含少量巖石風(fēng)化碎屑，6級(jí)坡中部-7級(jí)坡出露；②二疊系下統(tǒng)沙子坡上段強(qiáng)風(fēng)化泥巖，灰紅色，薄層構(gòu)造，巖芯多呈碎塊狀，2級(jí)坡頂部-6級(jí)坡中部出露；③二疊系下統(tǒng)沙子坡上段中風(fēng)化泥巖，灰紅色，薄層構(gòu)造，巖芯多呈碎塊狀，1級(jí)坡-2級(jí)坡頂部出露（表1，圖1）。

表1 路塹高邊坡各地層巖土力學(xué)參數(shù)

圖1 深挖形成的路塹高邊地質(zhì)概況Fig.1 High cutting slope derived from deep excavation

造成路塹高邊坡變形破壞的根本原因在于阻滑段開(kāi)挖卸荷部分的抗力大于坡面既有措施的加固力；滑移范圍的擴(kuò)大化說(shuō)明錨桿索的坡面有限深度加固作用顯著，深大滑移面的下滑力大于等于抗力，坡體發(fā)生變形破壞，運(yùn)動(dòng)特征明顯。

1.2 計(jì)算方案

利用極限平衡法，1級(jí)坡-2級(jí)坡，坡率1∶0.50，坡高10 m；3級(jí)坡-4級(jí)坡，坡率1∶0.75，坡高10 m；5級(jí)坡-7級(jí)坡，坡率1∶1.00，5，6級(jí)坡高10 m，7級(jí)坡高度8 m，下陡上緩），寬平臺(tái)尺寸分別為2，3，5，7，10 m，寬平臺(tái)分別設(shè)置在2級(jí)坡、3級(jí)坡、4級(jí)坡、5級(jí)坡、6級(jí)坡、7級(jí)坡平臺(tái)位置（圖1）。目的是獲取最佳平臺(tái)寬度和位置，同時(shí)為FLAC3D計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

利用有限差分法，在FLAC3D平臺(tái)[28]，設(shè)計(jì)了3個(gè)相同位置不同平臺(tái)寬度工況，考察平臺(tái)寬度的影響，工況1各平臺(tái)寬度均為2 m；工況2：將5 m寬平臺(tái)設(shè)置在4級(jí)坡坡腳位置；工況3將10 m寬平臺(tái)設(shè)置在4級(jí)坡腳位置。為考察5 m寬平臺(tái)數(shù)量的影響，在6級(jí)坡增設(shè)1個(gè)5 m寬平臺(tái)工況。

圖2 坡頂變形開(kāi)裂情況Fig.2 Ruptures at the top of high cutting slope

FLAC3D模型計(jì)算條件下如下：①邊界條件：模型側(cè)邊法向約束，底面全約束，表面自由；②本構(gòu)模型：采用理想彈塑性本構(gòu)模型；③破壞準(zhǔn)則：摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則；④計(jì)算參數(shù)：數(shù)值模擬參數(shù)選用該邊坡各地層巖土力學(xué)參數(shù)（見(jiàn)表1）；⑤初始條件：首先進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，后續(xù)通過(guò)移除單元體實(shí)現(xiàn)7級(jí)坡的7個(gè)開(kāi)挖步的動(dòng)態(tài)模擬，探討平臺(tái)寬度和位置造成的變形運(yùn)動(dòng)機(jī)制的變化，揭示寬平臺(tái)的增穩(wěn)機(jī)理和安全調(diào)控機(jī)制。

圖3 計(jì)算模型Fig.3 Numerical model for basic computing scheme

2 基于極限平衡法的平臺(tái)最優(yōu)參數(shù)

2.1 平臺(tái)寬度對(duì)穩(wěn)定性的影響

采用簡(jiǎn)化Bishop方法，坡頂最后一道裂縫位置-距離坡頂約25 m位置剪入，坡腳剪出口控制在一級(jí)坡坡腳位置，自動(dòng)搜索潛在滑面并計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)（圖4）。

圖4 平臺(tái)寬度-穩(wěn)定性系數(shù)演化曲線Fig.4 Curve of safety factor and platform width

從圖4可以看出，下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)0.93，隨著寬平臺(tái)位置的確定后，穩(wěn)定性系數(shù)隨著寬度的增加逐步增加，3～5 m增幅最顯著；4級(jí)坡位置設(shè)置寬平臺(tái)的穩(wěn)定性系數(shù)演化曲線處于最頂端，增幅也是最大，5 m寬度的增幅脈沖最顯著，之后穩(wěn)定性系數(shù)曲線有個(gè)變緩段，增幅曲線有個(gè)低估，之后再增加，這里存在一個(gè)改善效率的問(wèn)題，即平臺(tái)越寬上部卸荷方量越大，征地范圍增加，基于費(fèi)效比原則，5 m寬度平臺(tái)在經(jīng)濟(jì)性和安全性綜合考察下最優(yōu)。

2.2 寬平臺(tái)位置對(duì)穩(wěn)定性的影響

平臺(tái)寬度確定后，穩(wěn)定性系數(shù)隨著平臺(tái)高度的降低先增后減，寬平臺(tái)位置-穩(wěn)定性系數(shù)曲線10 m寬度曲線最高>7 m>5 m>3 m>2 m寬度曲線，穩(wěn)定性系數(shù)最高點(diǎn)在4級(jí)坡位置；增幅最大的是5 m寬平臺(tái)>10 m>7 m>3 m>2 m寬平臺(tái)曲線，最高點(diǎn)在4級(jí)坡位置。因此，5 m寬度平臺(tái)在4級(jí)坡位置經(jīng)濟(jì)性和安全性綜合考察下最優(yōu)。寬平臺(tái)的機(jī)理在于通過(guò)寬平臺(tái)之上的卸荷使得其下邊坡受力改善，影響邊坡穩(wěn)定的高度要素降低，這是寬平臺(tái)的增穩(wěn)機(jī)制。之所以是5 m最優(yōu)，而不是其他寬度，這與上部坡體的材料屬性密切相關(guān)，也與坡體開(kāi)挖造成的擾動(dòng)范圍和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的改變有關(guān)，5 m之后增幅有個(gè)收窄的變化，綜合考慮費(fèi)效比平衡，確定5 m平臺(tái)寬度最優(yōu)，后續(xù)分析在此基礎(chǔ)上進(jìn)行（圖5）。

圖5 寬平臺(tái)位置-穩(wěn)定性系數(shù)演化曲線Fig.5 Curves of safety factor and wide platform location

3 寬平臺(tái)對(duì)路塹高邊坡調(diào)控機(jī)制

3.1 路塹邊坡變形特征

隨著邊坡開(kāi)挖至5級(jí)坡、4級(jí)坡和3級(jí)坡，在5級(jí)坡的坡腳位置的剪應(yīng)變逐步往坡頂發(fā)展，尚未貫通；開(kāi)挖至2級(jí)坡，則5級(jí)坡、4級(jí)坡、3級(jí)坡坡腳的剪應(yīng)變?cè)茍D分別發(fā)展貫通，3個(gè)潛在滑動(dòng)面；開(kāi)挖至1級(jí)坡，則5級(jí)坡、4級(jí)坡、3級(jí)坡、2級(jí)坡分別發(fā)展貫通，4個(gè)潛在滑動(dòng)面。開(kāi)挖至3級(jí)坡坡體尚能保持整體穩(wěn)定，開(kāi)挖至2級(jí)坡或再往下開(kāi)挖會(huì)造成路塹高邊坡多級(jí)滑動(dòng)整體失穩(wěn)（圖6）。

路塹高邊坡的破壞主要是下部2級(jí)坡和1級(jí)坡的開(kāi)挖造成的，之前雖有變形和運(yùn)動(dòng)但邊坡尚能保持整體穩(wěn)定，之后不能保持整體穩(wěn)定呈現(xiàn)多級(jí)滑移。

3.2 寬平臺(tái)對(duì)路塹高邊坡調(diào)控機(jī)制

邊坡安全特性的表征包括強(qiáng)度和變形兩方面，穩(wěn)定性系數(shù)描述了邊坡的整體和局部穩(wěn)定性，變形指標(biāo)描述了坡面和坡體深部的運(yùn)動(dòng)特征和穩(wěn)定狀態(tài)，兩類(lèi)指標(biāo)是互補(bǔ)關(guān)系，目前尚沒(méi)有與安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的變形標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于變形描述的穩(wěn)定狀態(tài)更多的是觀察變形趨勢(shì)或者增速（圖7）。

圖6 路塹邊坡變形破壞特征云圖Fig.6 Contour of high cutting slope’s deformation features

由圖7（a）～（c）塑性區(qū)可知，隨著4級(jí)坡平臺(tái)寬度的增加，原設(shè)計(jì)下2級(jí)坡到頂部貫通整體滑動(dòng)的破壞特征得到有效控制，5 m平臺(tái)上下部分的塑性區(qū)貫通的趨勢(shì)得到控制，下部邊坡塑性區(qū)連續(xù)性降低，上部塑性區(qū)的連通性相對(duì)下部要高，但是總體上還是沒(méi)有貫通，證明5 m寬平臺(tái)的設(shè)置對(duì)于路塹高邊坡的整體穩(wěn)定性調(diào)控顯著；4級(jí)坡平臺(tái)寬度增加到10 m，下部1～4級(jí)坡的塑性區(qū)范圍控制比5 m平臺(tái)的情況要顯著，但上部4～7級(jí)坡塑性區(qū)的范圍控制情況比5 m平臺(tái)的差。這說(shuō)明平臺(tái)寬度的安全調(diào)控效果以5 m為宜，不是越寬越好。

由圖7（d）～（f）剪應(yīng)變?cè)茀^(qū)可知，原設(shè)計(jì)下2級(jí)坡、3級(jí)坡、4級(jí)坡、5級(jí)坡坡腳發(fā)育多級(jí)滑面，以2級(jí)坡坡腳的滑面運(yùn)動(dòng)特征最顯著，為優(yōu)勢(shì)滑面；4級(jí)坡設(shè)定5 m寬平臺(tái)下，僅5級(jí)坡位置存在未貫通潛在滑面；4級(jí)坡設(shè)定10 m寬平臺(tái)下，5級(jí)坡和7級(jí)坡發(fā)育多級(jí)滑面，運(yùn)動(dòng)特征顯著，說(shuō)明4級(jí)坡設(shè)定5 m寬平臺(tái)對(duì)于路塹高邊坡的安全調(diào)控效果最佳，剪應(yīng)變?cè)茍D的變化與塑性區(qū)揭示的結(jié)論類(lèi)似。

開(kāi)挖至6級(jí)坡以后，水平位移曲線有一小幅增加趨勢(shì)，其中10 m寬平臺(tái)位移增幅最大，表現(xiàn)為急劇抬升和脈沖增幅，說(shuō)明上部邊坡已經(jīng)發(fā)生較大運(yùn)動(dòng)變形，10 m寬平臺(tái)下的上部邊坡的變形穩(wěn)定狀態(tài)較差，最大位移由0.9 mm增加到12.6 mm，隨后小幅增加趨于平穩(wěn)。2 m平臺(tái)，開(kāi)挖至3級(jí)坡以后，水平位移曲線急劇抬升，增幅急劇增大，4.5 mm到15.9 mm再到36.5 mm，增幅11.4 mm和20.7 mm，說(shuō)明邊坡變形失穩(wěn)。5 m寬平臺(tái)，水平位移隨著開(kāi)挖一直小幅增加，5級(jí)坡、4級(jí)坡開(kāi)挖增幅相對(duì)較大，隨后趨穩(wěn)。開(kāi)挖完成后的最大水平位移5 m寬平臺(tái)6.0 mm<10 m寬平臺(tái)20.9 mm<2 m寬平臺(tái)36.5 mm。不同開(kāi)挖步下水平位移最大值揭示的5 m寬平臺(tái)安全調(diào)控效果最佳（圖8）。

圖7 平臺(tái)寬度對(duì)路塹高邊坡破壞特征的改變Fig.7 Deformation and failure features of high cutting slope changed by wide platform

圖8 不同平臺(tái)寬度下開(kāi)挖位移曲線Fig.8 Curve of horizontal displacement and excavation platform under different platform width conditions

5 m寬平臺(tái)數(shù)量的增加，對(duì)上部邊坡的塑性區(qū)控制和剪應(yīng)變?cè)茍D揭示的潛在滑移控制效果顯著，證明有限寬度寬平臺(tái)對(duì)路塹高邊坡整體和局部穩(wěn)定狀態(tài)的安全調(diào)控效果顯著，推薦最佳寬度5 m（圖9）。

這部分塑性和變形分析的結(jié)論是對(duì)極限平衡法分析結(jié)論的驗(yàn)證和精細(xì)化修正，邊坡上部一般為下滑段，下部為阻滑段，平臺(tái)寬度越大，邊坡整體綜合坡率越低，卸荷造成下滑力減小，下部阻力不變，則邊坡越趨穩(wěn)定。隨之帶來(lái)的開(kāi)挖方量增加，開(kāi)挖擾動(dòng)加劇，用地增加，若平臺(tái)寬度持續(xù)增加，高邊坡將演化為相對(duì)獨(dú)立的幾個(gè)有限高度邊坡，每部分的穩(wěn)定性增強(qiáng)，整體穩(wěn)定程度提高。綜合考慮高邊坡穩(wěn)定性和寬平臺(tái)的費(fèi)效比，邊坡平臺(tái)并非越寬越多越好，探究合理寬度和設(shè)置寬平臺(tái)的數(shù)量有利于邊坡的優(yōu)化。

4 寬平臺(tái)對(duì)路塹高邊坡的增穩(wěn)機(jī)理

4.1 寬平臺(tái)對(duì)高邊坡的增穩(wěn)機(jī)理

阻斷機(jī)制，高邊坡的整體性和高度造成的規(guī)模效應(yīng)被有效阻斷，將高邊坡分割為幾個(gè)有限高度的邊坡，各部分的穩(wěn)定性由于高度的降低得到極大改善；消能機(jī)制，寬平臺(tái)的消能機(jī)制有助于控制局部崩塌、坍滑造成的勢(shì)能轉(zhuǎn)化動(dòng)能產(chǎn)生的威脅范圍擴(kuò)大化問(wèn)題，在露天礦領(lǐng)域邊幫安全控制上得到極好的應(yīng)用和體現(xiàn)；增穩(wěn)機(jī)理，寬平臺(tái)的設(shè)置造成上部卸荷，下滑力減小，下部的抗滑力由于減重會(huì)有削弱，但總上有利于抗滑性能的提升和改善，在變形破壞特征和位移響應(yīng)得到驗(yàn)證。

4.2 寬平臺(tái)高邊坡加固

寬平臺(tái)的設(shè)置使得路塹高邊坡在不考慮加固措施下從原來(lái)的的失穩(wěn)（Fs<1.0）到基本可以維持自穩(wěn)（Fs>1.0）。

4級(jí)+6級(jí)坡設(shè)置5 m寬平臺(tái)加固效果最佳，即土石方量增加有限，但穩(wěn)定性系數(shù)在不考慮加固措施下可保證坡體自穩(wěn)（表2）。

圖9 5 m寬平臺(tái)數(shù)量造成的路塹高邊坡變形特征變化Fig.9 Deformation characteristics of high cutting slope changed by number of wide platforms with 5 m width

表2 不同寬平臺(tái)下路塹邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及挖方量

5 結(jié) 論

1）穩(wěn)定性系數(shù)隨著平臺(tái)寬度單調(diào)遞增，寬平臺(tái)的穩(wěn)定貢獻(xiàn)隨著平臺(tái)高度逐步遞減，寬平臺(tái)位置-穩(wěn)定性系數(shù)曲線最外側(cè)高點(diǎn)曲線為4級(jí)坡位置5 m寬平臺(tái)曲線；平臺(tái)寬度-穩(wěn)定性系數(shù)增幅曲線增幅脈沖最大的是5 m寬平臺(tái)，路塹高邊坡穩(wěn)定性揭示的最優(yōu)寬平臺(tái)為5 m寬設(shè)定在4級(jí)坡平臺(tái)位置。

2）路塹高邊坡在開(kāi)挖到2級(jí)坡形成5級(jí)坡、4級(jí)坡、3級(jí)坡坡腳到頂部貫通的3個(gè)潛在滑動(dòng)面；開(kāi)挖至1級(jí)坡，形成5級(jí)坡、4級(jí)坡、3級(jí)坡、2級(jí)坡坡腳到頂部貫通的4個(gè)潛在滑動(dòng)面，即開(kāi)挖至3級(jí)坡坡體尚能保持整體穩(wěn)定，開(kāi)挖至2級(jí)坡或再往下開(kāi)挖會(huì)造成路塹高邊坡多級(jí)滑動(dòng)整體失穩(wěn)。

3）相對(duì)于原設(shè)計(jì)開(kāi)挖下5級(jí)坡、4級(jí)坡、3級(jí)坡、2級(jí)坡發(fā)育4級(jí)滑動(dòng)和4級(jí)坡設(shè)定10 m寬平臺(tái)下5級(jí)坡、7級(jí)坡發(fā)育2級(jí)滑面，4級(jí)坡設(shè)定5 m寬平臺(tái)下，僅5級(jí)坡位置存在未貫通潛在滑面，寬平臺(tái)的阻斷機(jī)制顯著；開(kāi)挖完成后的最大水平位移5 m寬平臺(tái)6.0 mm<10 m寬平臺(tái)20.9 mm<2 m寬平臺(tái)36.5 mm，說(shuō)明4級(jí)坡設(shè)定5 m寬平臺(tái)對(duì)于路塹高邊坡的安全調(diào)控效果最佳。

4）寬平臺(tái)對(duì)于路塹高邊坡的安全調(diào)控機(jī)制在于阻斷機(jī)制、消能機(jī)制和減滑增阻的增穩(wěn)機(jī)制。平臺(tái)寬度不是越大越好，以5 m為宜；加固效果排序?yàn)?個(gè)5 m寬平臺(tái)>1個(gè)5 m寬平臺(tái)>1個(gè)10 m寬平臺(tái)>2 m寬平臺(tái)，可以考慮間隔設(shè)置5 m寬平臺(tái)。