陳勁舟，王亞軍，葉紹其，岳萬友，段妙奇

(1.武漢工程大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074； 2.中鐵大橋局集團第五工程有限公司，江西 九江 332001)

0 引 言

邊坡是自然界和人類工程活動中常見的地質環(huán)境體，廣泛存在于中國的高速公路建設、大中型橋梁建設以及山體隧道建設中[1]。西部山區(qū)是國家公路交通網布設的大力推進區(qū)，該區(qū)域地貌主要以山區(qū)丘陵居多，地質條件復雜，高海拔、晝夜溫差大是其主要特點，同時也是滑坡、泥石流等地質災害的頻發(fā)區(qū)。在此復雜的山區(qū)環(huán)境中進行大范圍的機械化施工，無疑給公路、橋梁等工程的建設增加難度[2-3]。因此，需要對部分山區(qū)線路進行規(guī)劃設計，而采取的規(guī)劃方案多數(shù)是通過開鑿隧道、挖填路基的方式實現(xiàn)，這就導致了山區(qū)挖方邊坡的出現(xiàn)。伴隨著對邊坡開挖和擾動的愈發(fā)頻繁，各類型邊坡的失穩(wěn)破壞問題隨之而來[4-5]。

邊坡工程的穩(wěn)定關系到整個工程建設進度、安全和費用，是施工環(huán)節(jié)中的重中之重[6]。目前，邊坡安全事故頻發(fā)，其大部分原因在于進行工程活動時，未將環(huán)境因素的影響考慮到總的設計方案中，忽視了復雜地質環(huán)境條件在高陡坡施工中的作用，從而造成了安全隱患[7]。正確認識山區(qū)邊坡的地形地貌、地質特點、變形模式，建立針對項目沿線邊坡的穩(wěn)定性評價體系，是保障工程安全不可或缺的前提，也是評判邊坡穩(wěn)定與否的重要體現(xiàn)。這對于確保工程順利建設和減少不必要的經濟損失具有重要意義[8-10]。

云南省玉溪至楚雄高速公路綠汁江大橋是一座典型的山區(qū)河谷大橋，如圖1所示。橋兩岸斜坡地形陡峭，無公路通過，氣候多變，地質條件復雜。Midas/GTS NX是一款針對巖土工程開發(fā)的數(shù)值模擬軟件，該軟件以C語言編程和有限元分析兩個功能為基礎，擁有強大的前后處理能力，能夠對大部分的巖土體進行分析，尤其在對露天邊坡、山體隧道等工程進行模擬計算時，結果更加接近真實情況。而本文的研究對象是綠汁江大橋玉溪岸橋隧結合部邊坡，其特殊的地理位置及復雜的環(huán)境條件是Midas有限元軟件應用的最佳選擇。因此，類比相似的工程經驗，本文選擇運用極限平衡和Midas/GTS NX數(shù)值計算對施工期該邊坡的穩(wěn)定程度進行分析。

圖1 綠汁江大橋位置Fig.1 Location map of Lvzhijiang Bridge

1 工程概況

1.1 地理位置

云南綠汁江大橋為單跨780 m的懸索式大橋。該場區(qū)相對高差640 m，地形落差極大，河谷縱深長，為典型的V型峽谷地貌，地形條件復雜。邊坡位于綠汁江左側東岸，屬大栗樹隧道與綠汁江大橋結合區(qū)域，地處玉楚高速K102+300～K102+600之間，主要為大栗樹隧道出口與綠汁江大橋0號橋臺之間的邊坡，如圖2所示。

圖2 邊坡現(xiàn)狀Fig.2 Current situation of slope

1.2 地層巖性與產狀

根據地質勘察資料，邊坡區(qū)域的上覆土層為第四系殘坡積層(含碎石黏土)，下伏基巖為前震旦系上昆陽群綠汁江組(Olm)灰-深灰色薄中至厚層狀、厚層狀白云質灰?guī)r、白云巖，偶夾板巖，巖體的節(jié)理裂隙為極發(fā)育程度。巖層產狀為 130°∠87°。

1.3 現(xiàn)狀概況

受場地地形條件限制，橋臺、隧道及隧道錨建設均需要開挖邊坡。由于該場地邊坡大多為高陡巖質邊坡，且邊坡下部為橋梁、隧道等重要結構物，破壞后果嚴重。按照設計方案，后期將在坡腳開挖綠汁江大橋橋塔錨索散索鞍基礎，該坡體狀態(tài)將再次改變，可能導致邊坡綜合體新的變形，影響工程安全，且坡體的穩(wěn)定狀態(tài)將難以判斷。而該區(qū)域涉及綠汁江特大橋0號橋臺、玉溪岸左右幅隧道錨、大栗樹隧道出口等關鍵工程，為保證施工安全，須對該坡體進行加固。故對該邊坡的穩(wěn)定性進行計算，根據計算結果再進行下一步施工。

2 穩(wěn)定性分析

2.1 計算剖面確定

根據勘測現(xiàn)場實際地形，沿玉溪岸橋軸線、隧道錨左右結構中心線共布設了3條縱向典型勘測線，并繪制出玉溪岸橋隧結合部邊坡平面布置(圖3)。根據該邊坡的變形情況，結合關鍵工程位置，本文選取右幅隧道錨中心線Ⅰ-Ⅰ’ 剖面進行坡體的穩(wěn)定性計算與分析。

圖3 玉溪岸橋隧結合部邊坡平面布置Fig.3 Layout of the slope at the junction of Yuxi bank bridge and tunnel

2.2 計算參數(shù)選取

根據地質勘察資料，參照JTG C20-2011《公路滑坡防治設計規(guī)范》，運用工程地質類比法，得出計算所需的相關參數(shù)，如表1所示。

表1 巖土體物理力學參數(shù)

2.3 基于極限平衡法的邊坡穩(wěn)定性分析

2.3.1 計算模型建立

極限平衡法計算模型是根據邊坡的地形、土質特征，將坡體剖面轉化為平面問題，從而建立計算模型。模型條分圖及分條塊受力如圖4所示。

圖4 條分圖及分條塊受力Fig.4 Slice graph and stress diagram of slice and block

2.3.2 穩(wěn)定性計算

Ⅰ-Ⅰ’剖面位于右幅隧道錨結構中心線處，分別在開挖完成、散索鞍基坑開挖后，開展天然和暴雨兩種工況下的穩(wěn)定性計算。

采用基于極限平衡的傳遞系數(shù)隱式解法進行計算。計算公式[11]如下：

K=

其中：

Rn=[(Wn(1-rU)cosαn-Asinαn-

RDn]tanφn+cnLn

(1)

Tn=Wn(sinαn+Acosαn)+TDn

(2)

(3)

上式中：Ψj為相鄰條塊間的傳遞系數(shù)(j=i)；Rn，Tn分別是條塊n所受垂直于滑面和平行于滑面的分力；RDn，TDn分別是條塊n所受滲透壓力產生的垂直于滑面和平行于滑面的分力(沒有地下水滲流時，可以不考慮)；W為條塊的重量，kN/m；c為黏聚力，kPa；φ為內摩擦角，(°)；L為條塊的滑面長，m；α為滑面傾角，(°)；A為地震加速度，cm/s2；rU為裂隙壓力比；K為穩(wěn)定系數(shù)。

暴雨工況時：

Rn=[Wn(1-rU)cosαn-Asinαn-

Nwi/cosαi]tanφn+cnLn

(4)

Tn=Wn(sinαn+Acosαn)+Nwisinβicos(αi-βi)

(5)

其中：

Nwi=γwhwLicosαi

(6)

式中：Nw為裂隙水壓力。

(1) 邊坡開挖完成穩(wěn)定性計算。根據坡體開挖過后的特征，結合對地表變形調查，觀測到坡體前后緣有斷裂帶和裂縫的出現(xiàn)；并對巖體進行物理勘探后，測得在勘測區(qū)存在軟硬質巖交界帶，且交界帶區(qū)域巖體整體完整性較差。因此，結合補充勘察提出的滑面，綜合判斷邊坡滑動面的位置，并對其作條分，如圖5所示。

圖5 邊坡開挖完成Ⅰ-Ⅰ’剖面條分Fig.5 Section I-I ′after slope excavation

(2) 散索鞍基坑開挖完成穩(wěn)定性計算。根據坡體開挖后的特征，并結合補充勘察提出的滑面，對其進行條分，如圖6所示。

圖6 基坑開挖完成Ⅰ-Ⅰ’剖面條分Fig.6 Section I-I ′after foundation pit excavation

2.3.3 計算結果分析

通過參考相關規(guī)范規(guī)程和查閱已有施工資料，本文對暴雨工況下裂隙水壓力的變化過程定義為沿裂縫底與坡趾間呈線性變化，直至為0。將單束錨索作用的支護力取值為100 kN，并代入上述公式中進行計算。最終得到穩(wěn)定性系數(shù)如表2所示。

表2 Ⅰ-Ⅰ’剖面各工況下穩(wěn)定性系數(shù)

根據該坡體變形特征及坡體所處的狀態(tài)，結合穩(wěn)定性計算結果，參考GB/T 50585-2019《巖土工程勘察安全標準》和JTG C20-2011《公路工程勘察規(guī)范》，將極限平衡法下的邊坡評價標準劃分如下：①K<1.0不穩(wěn)定；② 1.0≤K<1.05欠穩(wěn)定；③ 1.05≤K<1.15基本穩(wěn)定；④K≥1.15穩(wěn)定。

根據上述評價標準，可知該剖面的穩(wěn)定性為：① 在天然工況下，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；② 僅在散索鞍基坑開挖后，暴雨工況下，安全系數(shù)為K=1.02<1.05，邊坡為欠穩(wěn)定狀態(tài)，需采取進一步加固措施。

2.4 基于數(shù)值計算的邊坡穩(wěn)定性分析

2.4.1 計算模型建立

本節(jié)針對 Ⅰ-Ⅰ’典型剖面，采用MIDAS/GTS NX有限元軟件，建立二維模型，分析計算各工況下邊坡的應力、位移以及塑性區(qū)的分布特征。Ⅰ-Ⅰ’剖面位于右幅隧道錨結構中心線位置，剖面走向北東281°31′34″，按設計開挖完成后仰坡為6級邊坡。根據上述原則建立模型，如圖7所示。模型尺寸為200 m×230 m。

天然工況下對模型底部進行水平及豎直方向的邊界約束，對模型左右側進行水平方向的邊界約束；暴雨工況下分別對模型進行初始水頭(左側水頭、右側水頭)、降雨邊界(坡頂降雨)、靜力邊界(水平及豎直方向的約束)的設置。

圖7 Ⅰ-Ⅰ’剖面計算模型Fig.7 Ⅰ-Ⅰ′ section calculation model

2.4.2 邊坡穩(wěn)定性計算

對于 Ⅰ-Ⅰ’剖面，主要對邊坡開挖完成、散索鞍基坑開挖后的兩種情況，進行天然和暴雨兩種工況下的分析。

(1) 邊坡開挖完成后，邊坡應力、位移及塑性區(qū)分布特征如圖8～9所示。

圖8 天然工況下邊坡開挖后的應力、位移及塑性區(qū)分布特征Fig.8 Distribution characteristics of stress, displacement and plastic zone of counterpressured soil after slope excavation under natural condition

圖9 暴雨工況下邊坡開挖后的應力、位移及塑性區(qū)分布特征Fig.9 Distribution characteristics of stress, displacement and plastic zone of counterpressured soil after slope excavation under rainstorm condition

(2) 散索鞍基坑開挖后，天然和暴雨兩種工況的邊坡主應力及位移矢量分布如圖10～11所示。

圖10 天然工況下散索鞍基坑開挖后的應力、位移及塑性區(qū)分布特征Fig.10 Distribution characteristics of stress, displacement and plastic zone of loose saddle foundation pit after excavation under natural condition

圖11 暴雨工況下散索鞍基坑開挖后的應力、位移及塑性區(qū)分布特征Fig.11 Distribution characteristics of stress, displacement and plastic zone of loose saddle foundation pit after excavation under rainstorm condition

2.4.3 穩(wěn)定性結果分析

通過數(shù)值模擬分析得到的穩(wěn)定性系數(shù)見表3。

圖8～11及表3的結果顯示：Ⅰ-Ⅰ’剖面穩(wěn)定性受邊坡含水量影響較大，邊坡開挖及散索鞍基坑開挖增加了邊坡表面滑移范圍；天然工況下，邊坡總體處于穩(wěn)定狀態(tài)(穩(wěn)定性系數(shù)>1.15)；暴雨工況下，邊坡穩(wěn)定性降低，在散索鞍基坑開挖后，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)(穩(wěn)定性系數(shù)<1.05)。從應力、塑性區(qū)的分布可知，破壞主要發(fā)生在坡腳及基坑底部區(qū)域?？紤]到綠汁江大橋的性質與安全級別，需進行支護加固。

表3 Ⅰ-Ⅰ’剖面各工況下穩(wěn)定性系數(shù)

3 計算結果討論

(1) 從計算結果可以看出，Midas有限元法計算出的安全系數(shù)相對較大，極限平衡法計算出的安全系數(shù)相對保守。原因在于相對于傳統(tǒng)的極限平衡法，Midas提供的SRM分析法無需假定滑動面，其軟件自動搜索的滑動面即是一個完整的滑動帶，其影響范圍相對較大，對計算結果做出了貢獻；另外，SRM法建立平面模型的過程中，法向約束對于計算結果也產生了較大影響，從而致使兩種方法計算出的安全系數(shù)出現(xiàn)了偏差。

(2) Midas/GTS NX通過SRM分析法對邊坡進行了計算，從邊坡的位移云圖可以看出，開挖前后在邊坡坡腳及基坑區(qū)域出現(xiàn)了較為明顯的位移矢量變化，位移主要發(fā)生在洞口、第2級邊坡及基坑底部區(qū)域；在應力云圖中，邊坡開挖完成及散索鞍基坑開挖前，坡體的應力均沿著坡面均勻分布，伴隨著降水的增多，第2級、第3級邊坡的應力逐漸增大；散索鞍基坑開挖后，坡體應力向坡腳處集中；從塑性區(qū)云圖來看，清晰可見一條淺藍色的滑動帶從坡頂延伸到坡腳及基坑區(qū)域，但邊坡并沒有出現(xiàn)整體破壞，均處于安全范圍內。與極限平衡法相比，Midas/GTS NX有限元法能夠有效形成接近邊坡實際的失穩(wěn)現(xiàn)象，且滑動面是由真實數(shù)據計算所得，分析結果更加準確可靠，適用性更加廣泛。

(3) 由于該邊坡屬于施工期的穩(wěn)定性計算，在前期進行支護加固時，已主要對淺表層的結構面進行了加固。因此，此次計算不考慮加固區(qū)域結構面的影響。在考慮現(xiàn)場環(huán)境條件影響的前提下，結合坡體滑移面的情況，需要進行進一步的坡體加固。

4 結 論

運用極限平衡和數(shù)值計算兩種方法，對橋隧結合部邊坡施工期的穩(wěn)定性進行了分析研究，并得出以下結論。

(1) 從分析結果可知，相對于天然狀態(tài)，暴雨狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性更易發(fā)生變化。降水增多時，坡體安全系數(shù)減小，穩(wěn)定性相應降低。基坑開挖完成后，坡體的應力、位移增大且向坡腳處集中，暴雨狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)明顯降低，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) Midas/GTS NX數(shù)值計算中，出現(xiàn)了從坡頂延伸到坡腳的塑性區(qū)貫通帶，但邊坡并未發(fā)生失穩(wěn)破壞，整體處在穩(wěn)定范圍內，說明塑性區(qū)貫通帶的產生并不一定會使邊坡出現(xiàn)整體破壞的情況。

(3) 極限平衡法和Midas/GTS NX數(shù)值計算得出的分析結果基本一致，進而說明了兩種方法在橋隧結合部邊坡施工期穩(wěn)定性分析中的可行性，其結果對邊坡后續(xù)的穩(wěn)定性分析和支護過程均具有一定參考性。

(4) 對于復雜環(huán)境條件下邊坡的分析研究，在上述兩種方法基礎上，可以結合FLAC3D有限差分法程序，通過多種方法相結合的方式對邊坡進行綜合評價，有望使邊坡的穩(wěn)定性得到更準確地評判。