大型土坡寬平臺優(yōu)化設(shè)計研究

陳國俊，王 浩，泮 俊，趙 耀，陳秀暉

(1．福州大學 環(huán)境與資源學院，福建 福州 350108;2．中國公路工程咨詢集團有限公司中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司，北京 100195)

大型土坡寬平臺優(yōu)化設(shè)計研究

陳國俊1，王 浩1，泮 俊2，趙 耀1，陳秀暉2

(1．福州大學 環(huán)境與資源學院，福建 福州 350108;2．中國公路工程咨詢集團有限公司中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司，北京 100195)

對一大型土坡加固設(shè)計的寬平臺設(shè)置寬度、最優(yōu)位置、多個寬平臺組合方案及其實施效果進行優(yōu)化分析，揭示了邊坡寬平臺分解效應(yīng)的力學機理和演化規(guī)律，得出以下結(jié)論：通過在大型邊坡中部設(shè)置寬平臺，將其潛在整體剪切變形帶分解成相對獨立的非貫通剪切帶，可將邊坡整體失穩(wěn)機制轉(zhuǎn)化為被寬平臺分割形成的若干塊體的局部失穩(wěn)，從而實現(xiàn)寬平臺的分解效應(yīng);隨著分解平臺寬度遞增，邊坡整體穩(wěn)定度穩(wěn)步提高，當寬平臺增至一定寬度以后，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)趨于穩(wěn)定，可據(jù)此確定最優(yōu)平臺寬度;寬平臺的高度位置選擇在邊坡中上部實施效果較顯著，當寬平臺位置過于靠下時常常難以發(fā)揮作用;多個寬平臺組合效果與邊坡坡體結(jié)構(gòu)特征、寬平臺的設(shè)置寬度、設(shè)置位置和設(shè)置個數(shù)等因素有關(guān)，實際工作中需要大量的計算對比綜合確定;寬平臺設(shè)置方案可以采用較少的加固工程量使邊坡支護取得更好的實施效果，并且更有利于保證邊坡實施過程中的安全。

大型邊坡 穩(wěn)定性 寬平臺 分解效應(yīng)

我國東南沿海丘陵山區(qū)廣泛分布全風化花崗巖類風化殼，埋深1.5～40.0 m［1］。近年來，隨著高速公路和高速鐵路建設(shè)快速發(fā)展，為滿足高等級線型設(shè)計要求，在巨厚層花崗巖或凝灰熔巖風化殼內(nèi)大填大挖，形成較多50 m以上的大型土質(zhì)邊坡。這種邊坡體積巨大，受施工過程擾動較大，由于常伴生施工工作面受限、錨固力不足等問題，尚難以提供與其規(guī)模相稱的加固技術(shù)以實現(xiàn)對邊坡穩(wěn)定性的可靠控制［2-3］。因此，采用在邊坡關(guān)鍵部位設(shè)置寬平臺，以分解高大邊坡，并加強邊坡關(guān)鍵部位的變形控制，體現(xiàn)邊坡防護“有的放矢、主次分明”的設(shè)計思路。

傳統(tǒng)的路塹邊坡設(shè)計一般采用分級挖方的方案，單級高度為8～10 m，級間設(shè)1～3 m平臺。臺階的設(shè)置有利于邊坡養(yǎng)護及地表排水，并可加強對崩塌落石的停積作用［4］。周應(yīng)華等［5］對均質(zhì)邊坡分級開挖寬平臺設(shè)計因子相關(guān)性和寬平臺優(yōu)選值進行了研究;言志信等［6］研究了多級平臺寬度對邊坡地震動力響應(yīng)及破壞機制的影響。

總體而言，路塹邊坡平臺寬度的設(shè)計往往根據(jù)規(guī)范要求進行常規(guī)設(shè)定，較少就寬平臺對邊坡穩(wěn)定性的影響和定量評價開展系統(tǒng)研究，本文以一大型土坡為例，開展寬平臺設(shè)計方案優(yōu)選分析和機理研究。

1 研究工點概況

本文研究實例為典型丘陵坡地，地形概貌見圖1。工程勘察查明場地土層主要是風化深度40～50 m的凝灰熔巖殘坡積土。由于坡腳國道和民房建設(shè)的開挖作用，已形成小型路塹坍滑和較大規(guī)模的圓弧滑動，場地地質(zhì)環(huán)境較為脆弱，邊坡穩(wěn)定性較差。

圖1 邊坡場區(qū)地形地貌

由于高速公路選線及坡腳省道改建需要，在邊坡坡腳重新開挖，形成坡度25°～30°、總長約180 m、總高約110 m的大型土質(zhì)邊坡。為保證邊坡處治方案合理可靠，設(shè)計單位采用室內(nèi)試驗和參數(shù)反演相結(jié)合的方法反復論證，確定了典型土層物理力學參數(shù)，見表1。

表1 邊坡土層計算參數(shù)

在邊坡坡形坡率設(shè)計的多方案計算論證中發(fā)現(xiàn)，采用工程類比法和相應(yīng)規(guī)范提出的常規(guī)平臺寬度及坡率建議值確定的邊坡坡形，即使采用全坡面錨固設(shè)計也難以保證施工過程穩(wěn)定及永久安全。因此，結(jié)合邊坡地形特征提出了寬平臺分解設(shè)計方案，確定了坡形坡率設(shè)計總體方案，如圖2所示，采用了上緩下陡的折線坡形，分10級刷方。坡率設(shè)計為第1級1∶1.0，第2～3 級1∶1.25，第4 ～10 級1∶1.5。在常規(guī)平臺2 m 寬度的前提下，在邊坡中段第5級坡頂設(shè)置寬為12 m的平臺，并利用挖方塹頂?shù)膶捑徟_地將總高110 m的斜坡劃分為上、中、下三段。

圖2 邊坡設(shè)計總體方案

2 寬平臺分解效應(yīng)研究

通常認為，邊坡的臺階設(shè)置有利于排水、防護、加固系統(tǒng)的施工組織和養(yǎng)護作業(yè)，并有利于邊坡施工期間降低局部變形破壞的影響。研究還發(fā)現(xiàn)臺階邊坡比直線形邊坡具有更好的整體穩(wěn)定性，特別是在處理高邊坡問題時，在坡體中部設(shè)計寬平臺，可以將一個高邊坡化解為兩個以上相對獨立的邊坡段，控制邊坡體積規(guī)模，以減少坡腳應(yīng)力集中發(fā)展，達到分解高大邊坡的目的［7］。寬平臺的這種作用機制稱為分解效應(yīng)。

2.1 最優(yōu)平臺寬度的確定

為進一步闡明寬平臺設(shè)置對邊坡整體穩(wěn)定性的影響規(guī)律，本文采用具有分析邊坡復雜多滑面全局搜索能力的模擬退火算法(Simulated Annealing Algorithm)開展不同寬度平臺組合下邊坡潛在滑面的快速搜索，在圖2所示的邊坡第5級坡頂設(shè)寬平臺，起始寬度為12 m，并以2 m遞增平臺寬度，得到邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨平臺寬度變化曲線，如圖3所示。

圖3 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨平臺寬度變化曲線

由圖3可見，平臺寬度與穩(wěn)定安全系數(shù)的關(guān)系呈“雙段線性”特征。當分解平臺寬度＜22 m時，隨著平臺寬度遞增，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs由12 m寬平臺的0.98，呈近似線性增長趨勢;當平臺寬度增大至22 m時，F(xiàn)s達到最大值1.02;進一步加寬平臺后，邊坡穩(wěn)定系數(shù)略低于1.02，呈平穩(wěn)波動狀態(tài)。

當邊坡平臺寬度＜22 m時，最不利滑面均表現(xiàn)為塹頂拉裂、沿基覆界面滑動和坡腳剪出的整體失穩(wěn);當平臺寬度增大至22 m時，潛在最不利滑面轉(zhuǎn)變?yōu)橛善履_向上延伸至寬平臺中后部拉裂的下段坡體圓弧形破壞(如圖4所示)，為局部破壞面，穩(wěn)定安全系數(shù)為1.02，相應(yīng)由塹頂貫穿至坡腳的整體破壞面 Fs=1.027＞1.02，即局部穩(wěn)定性低于整體穩(wěn)定性;平臺寬度繼續(xù)增大后，潛在最不利滑面均在寬平臺下部的局部坡體內(nèi)產(chǎn)生。

圖4 22 m平臺非圓弧穩(wěn)定性分析

上述研究表明，當平臺寬度增加至22 m時，潛在最不利破壞機制由邊坡整體破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閷捚脚_下段邊坡的局部破壞，即使再增加平臺寬度也無法有效提高邊坡穩(wěn)定性，體現(xiàn)了寬平臺的分解效應(yīng)，且22 m為該位置分解平臺的最優(yōu)寬度。

為進一步研究大型土坡寬平臺分解效應(yīng)的力學機理，采用彈塑性有限元程序Phase2對該寬平臺設(shè)置方案進行模擬分析。圖5和圖6分別給出了分解平臺寬度22 m時坡體內(nèi)剪切應(yīng)變及塑性區(qū)的分布云圖。

圖5 22 m寬平臺邊坡剪切應(yīng)變云圖

圖6 22 m寬平臺邊坡塑性區(qū)分布云圖

由圖5和圖6可知:邊坡坡腳以壓剪破壞為主，沿基覆界面向上部延伸發(fā)展，坡頂以張剪破壞為主，沿基覆界面向下部延伸發(fā)展，但兩者未連通形成整體破壞面;在中部分解寬平臺內(nèi)側(cè)形成局部拉張屈服區(qū)，并與坡腳壓剪破壞面呈連通趨勢。潛在最不利破壞面體現(xiàn)為邊坡下段局部滑動和邊坡整體滑動并存，且局部滑動穩(wěn)定度稍低，與采用Slide軟件計算的結(jié)果十分吻合。說明在邊坡中部設(shè)22 m寬平臺時，在該大型土坡內(nèi)確實可以實現(xiàn)明顯的分解效應(yīng)，且存在最優(yōu)寬度值。

2.2 最優(yōu)平臺位置的確定

為確定大型土坡寬平臺的最優(yōu)設(shè)置位置，在第4，6級2個不同位置分別設(shè)置寬平臺，研究邊坡潛在破壞機制和穩(wěn)定狀態(tài)的變化規(guī)律。

在第4級坡頂設(shè)置寬平臺時最優(yōu)平臺寬度及邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果見圖7(a)，研究發(fā)現(xiàn)在第4級坡頂位置無論如何增加平臺寬度，邊坡均表現(xiàn)為整體失穩(wěn)破壞，基覆界面對邊坡的變形破壞模式產(chǎn)生明顯的控制效益，但寬平臺的分解效應(yīng)難以實現(xiàn)。

在第6級坡頂設(shè)置寬平臺時最優(yōu)平臺寬度及邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果見圖7(b)。研究發(fā)現(xiàn)當平臺寬度增加至16 m時，沿寬平臺向下產(chǎn)生局部滑動破壞的穩(wěn)定安全系數(shù)小于邊坡整體滑動破壞的穩(wěn)定安全系數(shù)，即由于寬平臺的分解效應(yīng)影響，邊坡首先產(chǎn)生局部變形破壞。

圖7 不同位置設(shè)置寬平臺時最優(yōu)平臺寬度及穩(wěn)定性計算結(jié)果(單位:m)

對比圖4、圖7發(fā)現(xiàn):寬平臺位置越偏上，最優(yōu)平臺寬度越小且越容易采用較小的刷方將邊坡整體分解成相對獨立的上下兩個塊體;寬平臺位置越偏下，最優(yōu)平臺寬度也越大，且實現(xiàn)平臺分解效應(yīng)的刷方量越大，甚至由于坡體結(jié)構(gòu)和地層界面的影響而無法實現(xiàn)寬平臺的分解功能。就該研究實例來說，在第6級坡頂設(shè)16 m寬度以上的平臺時，邊坡下段Fs=0.979;因此，若要保持施工期間邊坡臨時穩(wěn)定，宜在第5級坡頂位置設(shè)置寬平臺。

2.3 雙寬平臺組合效應(yīng)研究

對于大型土質(zhì)邊坡，設(shè)置單個寬平臺將邊坡分為規(guī)模較大的兩部分，邊坡局部穩(wěn)定性仍可能難以滿足設(shè)計要求，因此需要研究兩個以上的寬平臺設(shè)置方案，并分析其組合效應(yīng)。

經(jīng)多方案計算對比，重點選擇圖8所示的3種典型多平臺組合方案，平臺寬度取10～15 m，且兩級平臺寬度相同，綜合分析兩級寬平臺分解效應(yīng)的變化規(guī)律。

圖8 典型雙寬平臺組合方案示意

經(jīng)過多方案計算對比，可以實現(xiàn)寬平臺分解效應(yīng)的平臺寬度區(qū)間如圖9所示，圖10給出了 A，B，C 3種方案邊坡安全系數(shù)的動態(tài)變化。

圖9 寬平臺有效分解區(qū)域示意

圖10 雙寬平臺方案安全系數(shù)對比

由圖9及圖10可見:A類寬平臺組合方案在寬度變化范圍內(nèi)最不利破壞面均為整體破壞，無法實現(xiàn)寬平臺的分解，其安全系數(shù)初期增長較迅速，平臺寬度增至12 m以后則增長較緩慢。B類寬平臺組合方案在平臺寬度13～14 m時產(chǎn)生明顯的分解作用，其安全系數(shù)呈臺階式增長趨勢;C類寬平臺組合方案在平臺寬度11～14 m時產(chǎn)生分解作用，隨邊坡平臺寬度遞增，安全系數(shù)呈近似線性遞增趨勢，最終安全系數(shù)也最高。

總之，多級寬平臺組合分解效應(yīng)的實現(xiàn)與邊坡坡體結(jié)構(gòu)特征、平臺設(shè)置的位置和寬度等因素有關(guān)，實際工作中需要經(jīng)過大量計算對比綜合確定。

2.4 寬平臺設(shè)計效果評價

對該研究案例擬采用卸載刷方并結(jié)合單孔拉力700 kN級預(yù)應(yīng)力錨索框架進行加固，分別按常規(guī)平臺分級刷方加固、單寬平臺刷方加固和雙寬平臺刷方加固3個方案進行加固效果檢算分析，以定量校核和對比寬平臺設(shè)計效果。

常規(guī)平臺分級刷方加固方案詳見圖11(a)所示，在邊坡第1級設(shè)置擋墻與系統(tǒng)錨桿，第2～5級滿布4級預(yù)應(yīng)力錨索框架，并實施坡腳排水工程后，F(xiàn)s=1.215。

單寬平臺刷方加固方案如圖11(b)所示，在邊坡第5級增設(shè)單寬平臺，第1級設(shè)置擋墻和排水工程，并設(shè)3級預(yù)應(yīng)力錨索框架后，F(xiàn)s=1.308，實施效果較好。

圖11 不同平臺設(shè)置治理方案

雙寬平臺刷方加固方案如圖11(c)所示，在邊坡中部設(shè)置兩級寬平臺，僅需在第1級設(shè)置擋墻，以及在邊坡中部設(shè)兩級錨索框架，邊坡支護后Fs=1.323，工程措施最少，支護效果最好。

寬平臺設(shè)計方案能夠充分利用寬平臺分解效應(yīng)，以較少的工程造價達到邊坡穩(wěn)定的目的，在坡體上部卸載的情況下為邊坡施工期安全提供了足夠保障，并提高了邊坡處治方案的整體可靠性，降低了高邊坡運營安全風險。同時，結(jié)合植樹造林恢復綠地的思路可以基本還原邊坡的原始風貌，達到很好的設(shè)計效果。

3 結(jié)語

本文基于全局優(yōu)化搜索算法的極限平衡分析，以及與有限元法相驗證揭示了邊坡寬平臺分解效應(yīng)的力學機理和演化規(guī)律，研究了寬平臺設(shè)置寬度、最優(yōu)位置、多個寬平臺組合方案，并評價寬平臺方案的實施效果，得到如下結(jié)論:

1)通過在大型邊坡中部設(shè)置寬平臺，將其潛在整體剪切變形帶分解成相對獨立的非貫通剪切帶，將邊坡整體失穩(wěn)轉(zhuǎn)化為被寬平臺分割形成的若干塊體的局部失穩(wěn)，從而實現(xiàn)寬平臺的分解效應(yīng)。

2)隨著分解平臺寬度遞增，邊坡整體穩(wěn)定性穩(wěn)步提高，當寬平臺增至一定寬度以后，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)趨于穩(wěn)定，可據(jù)此確定最優(yōu)平臺寬度。

3)寬平臺的高度位置宜選擇在邊坡中上部，實施效果較顯著;當寬平臺位置過于靠下時，常常難以發(fā)揮作用。

4)多個寬平臺組合效果與邊坡坡體結(jié)構(gòu)特征、寬平臺的設(shè)置寬度、設(shè)置位置及個數(shù)等因素有關(guān)，實際工作中需要大量的計算對比綜合確定。

5)寬平臺設(shè)置方案可以采用較少的加固工程量使邊坡支護達到更好的實施效果，并且更有利于保證邊坡實施過程中的安全。

［1］劉祖富．擬建福廈高速鐵路全風化花崗巖物理力學性質(zhì)研究［J］．鐵道工程學報，2007(增 1):1-4．

［2］廖小平．類土質(zhì)路塹邊坡變形破壞類型及其穩(wěn)定性分析［J］．巖石力學與工程學報，2003，22(增 2):2765-2772．

［3］廖小平，楊偉震．福建山區(qū)高速公路邊坡工程與錨固技術(shù)［J］．公路，2005(8):79-84．

［4］黃潤秋，劉衛(wèi)華．平臺對滾石停積作用試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2009，28(3):516-524．

［5］周應(yīng)華，周德培．均質(zhì)邊坡分級開挖寬平臺設(shè)計初探［J］．山地學報，2007，25(3):381-384．

［6］言志信，郭斌，賀香，等．多級邊坡平臺寬度對邊坡地震動力響應(yīng)及破壞機制的影響［J］．巖土力學，2012，33(增 2):352-358．

［7］王浩．巖質(zhì)路塹高邊坡設(shè)計理論和方法研究［D］．北京:中國鐵道科學研究院，2007．

Study on optimal design on widened platform on large-scale soil slope

CHEN Guojun1，WANG Hao1，PAN Jun2，ZHAO Yao1，CHEN Xiuhui2

(1．College of Environment and Resources，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou Fujian 350108，China;2．Zhong Zi Hua Ke Traffic Construction Technology Co．，Ltd．，China Highway Engineering Consulting Corporation，Beijing 100195，China)

Research has been conducted toward the width and the optimal location of the widened platform，designed to reinforce the large slope，and toward the multi-platform combination scheme and the optimizing analysis for better outcomes．Based on that，the paper unveils the mechanical mechanism and the separating pattern for the resolving effect of the widened platform and the following can be concluded．The installation of widened platform breaks the potentially-integrated shear deformation area into relatively-separated parts，in other words it changes the stability-failure mechanism of the slope as a whole into that of different parts separated by the platform，so as to realise the separating effect．The stability of the slope goes up with the increase of the width of the platform and it later reaches a stable level，which determines the optimal width．The platform is recommended to be placed at the middle or at the upper part of the slope，which has been proved to deliver a better outcome．Otherwise，the result can not be guaranteed．The effect of multi-platform combination is in relation with factors like the slope structure，the width of the widened platform，the designated location and quantity;therefore large amount of calculations and comparison is required in its application．The widened-platform reinforcement scheme involved little amount of materials for an acceptable outcome and the method preferably ensures the construction safety during the process．

Large slope;Stability;Widened platform;Separating effect

U416．1+4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．01．19

1003-1995(2014)01-0067-05

2013-09-08;

2013-11-09

國家自然科學基金(41002127);交通運輸部建設(shè)科技項目(201331849A130);福建省交通科技項目(201242)

陳國俊(1988— )，男，福建龍巖人，碩士研究生。

(責任審編 李付軍)