某高速K103+240～580邊坡開挖與支護過程分析

楊樹寶，代帆，周灝

（1重慶市地質災害防治工程勘查設計院，重慶 400700；2寶石機械成都裝備制造分公司，四川成都 610000）

0 引言

近年來，隨著西部大開發(fā)的不斷深入，各類工程建設向西南山區(qū)不斷發(fā)展，由于各種因素影響，高邊坡工程問題日漸突出[1]。同時國內(nèi)外不少學者、專家及工程地質技術人員，從工程地質學[2]、巖體力學、巖土工程學[3]和土力學等學科并結合現(xiàn)代計算機技術開展了卓有成效的研究工作，并取得了豐富的邊坡工程經(jīng)驗，促進了理論和實踐兩方面的進步和發(fā)展[4]。例如巨能攀、趙建軍、鄧輝等[5]依托皖南山區(qū)湯屯高速公路，提出了一套操作性強的公路高邊坡優(yōu)化設計研究方法；周宏元、曾智勇[6]探討了預應力鋼筋錨桿框架梁加固與坡腳墻組合形成的輕型支護結構對土質或軟質巖路塹的加固效果；趙晉乾、李天斌[7]，聶春龍[8]，許云華[9]等運用二維數(shù)值模擬軟件分析了路塹邊坡不同條件下的穩(wěn)定性；楊溢[10]，湯正東[11]，楊國俊[12]等運用三維數(shù)值軟件分析了邊坡的應變特征。

本文以某高速公路K103+240～580段邊坡為例，探討“重力式抗滑擋墻+框架錨索”聯(lián)合支護體系對高邊坡的加固效果，為該支護體系對類似工程進行處置提供一定科學依據(jù)和借鑒價值。

1 邊坡區(qū)工程地質條件

邊坡位于某高速公路K103+240～580段，屬暖溫帶季風濕潤氣候區(qū)，降水量一般在793.0～984.6mm之間，年平均降水851.7mm。地形起伏較小，高程1750～1840m，相對高差在60～70m，斜坡坡度一般為21～26°。邊坡處于羅州～赫章背斜北西翼，巖層產(chǎn)狀為70～83°∠5°～38°。 下覆基巖主要為峨眉山玄武巖組（P2β）玄武巖和茅口組（P1m）石灰?guī)r。地表水發(fā)育一般，地下水類型主要為基巖裂隙水，局部為松散堆積層孔隙水。

2 邊坡基本特征[13-14]

2.1 形態(tài)特征

該段邊坡位于高速公路右側，1#邊坡和2#邊坡兩段組成，見邊坡平面圖1。

圖1 某高速公路k103+240～580段邊坡平面圖

1#邊坡平面呈“圈椅”形狀，橫長約240m，坡高35～40m，坡向135°，該段邊坡發(fā)生滑塌嚴重區(qū)域（HP1），平面呈“舌”狀，主滑方向為135°，縱長約55m，橫寬約80m，平面面積約0.31×104m2，前后緣相對高差26～28m，滑體厚約11m，體積3.3×104m3。

2#邊坡平面呈“舌”形狀，縱長約100m，高約31～36m，坡向128°。該邊坡內(nèi)發(fā)育兩處滑坡分別為HP2和HP2-1?；翲P2平面呈“舌”形狀，主滑方向為125°，縱長約40m，橫寬約72m，平面面積約0.18×104m2，前后緣相對高差30～34m，滑體厚約6m，體積0.96×104m3。 滑塌HP2-1平面呈“舌”形狀，主滑方向125°，縱長約20m，橫寬約62m，平面面積約0.11×104m2。前后緣相對高差11～13m，滑體厚約4m，體積0.28×104m3。

2.2 邊坡結構特征

1#邊坡由逆斷層F1將下覆基巖分為灰?guī)r區(qū)和玄武巖區(qū)兩段。其中組灰?guī)r區(qū)上覆紅黏土，厚7～11m紅褐色，可塑～軟塑狀，下覆基巖為灰?guī)r，中厚層狀構造，巖層產(chǎn)狀130～150°∠32～42°，層面粗糙。灰?guī)r巖溶發(fā)育，區(qū)內(nèi)發(fā)育多處溶溝、槽，寬約2～5m，深約11～18m，溝槽內(nèi)局部填充紅褐色軟塑狀粘性土夾玄武巖角礫；玄武巖區(qū)，受斷層影響，形成斷層破碎帶，巖體十分破碎。上部為粘土含強風化玄武巖角礫，灰黃色，硬塑～可塑狀，厚約12～14m；下部為碎石角礫土，灰黃色，稍密～松散，碎石含量55～65%，粒徑5～20cm。下覆基巖主要為強風化玄武，局部夾大塊強風化灰?guī)r，粒徑一般40～70cm，碎塊石為次棱角狀～圓狀，表面較光滑，厚度大于15m。

2#邊坡上覆殘坡積粘土，黃褐色、灰黃色，含少量強風化玄武巖碎石角礫，硬塑～可塑狀，厚2～4m；下覆基巖主要以玄武巖為主，灰黃色、灰白色，強風化呈土狀。坡體主要發(fā)育兩組裂隙，分別為陡傾坡內(nèi)裂隙，走向與邊坡坡向近垂直的裂隙。

2.3 變形破壞特征

1#邊坡變形特征主要表現(xiàn)在區(qū)域內(nèi)發(fā)生滑動的滑坡HP1后緣發(fā)育多條張拉裂縫，裂縫寬約0.8～1.2m，局部下挫，可見最大深度約1.5m，延伸長度55～65m，呈圓弧狀。

1#邊坡變形特征主要為滑坡HP2后緣拉裂下挫2.2～2.8m，滑坡兩側形成多處剪切裂縫，長度22～28m。另外，滑塌體HP2-1后緣發(fā)育多條拉裂縫，裂縫從坡頂位置向南西方向發(fā)育，發(fā)育長度約65m，裂縫寬度2～5cm，局部下挫25～45cm。且在滑坡前緣，滑體在前緣剪出口位置向邊坡臨空方向已經(jīng)剪出6～12cm。

3 邊坡支護措施[13-14]

根據(jù)邊坡結構特征、邊坡變形特征、穩(wěn)定性狀態(tài)，結合公路沿線其他邊坡設計施工情況，對該段邊坡分三段進行治理。分別以2-2’、3-3’、4-4’作為代表剖面進行設計，在對邊坡進行四級放坡后，均采用“重力式抗滑擋墻+框架錨索”的聯(lián)合支護方式進行支護。

具體方案為：對邊坡進行四級放坡，第一級坡率為1∶0.75，采用重力式抗滑擋土墻支護；第二級坡率為1∶1.25削坡，高度8m，采用錨索框格梁支護；第三級坡率為1∶1.25，采用框格錨索（桿）支護，錨索長度25m，格構間距4m×4m；第四級坡率為1∶1.5，采用框格錨桿支護，錨桿長度5m，格構間距3m×3m。邊坡外及減載平臺設截排水溝。見治理措施剖面圖2。

圖2 某高速公路k103+240～580段邊坡4-4’治理工程剖面圖

3.1 計算參數(shù)及邊界條件選取

根據(jù)前期勘察資料及試驗數(shù)據(jù)，結合現(xiàn)場調研資料及工程地質類比，綜合確定邊坡各巖土體的物理力學參數(shù)如表1。

表1 邊坡巖土體物理力學參數(shù)

據(jù)區(qū)域地質資料及現(xiàn)場勘察資料顯示，邊坡所處區(qū)域巖土應力場以重力場為主，尤其該邊坡處于地殼淺表層，其它構造應力場影響微弱。因此，本次有限元計算模擬邊界條件采用邊界節(jié)點固定約束類型。

3.2 模型構建及計算方法選取

綜合考慮邊坡巖土組成及巖體結構特征等邊坡實際工程地質條件，在假定邊坡巖體應力、應變之間的本構關系為彈塑性，巖體的破壞服從摩爾－庫侖準則的基礎上進行模型建立。本次有限元計算中，有限元單元的劃分以三節(jié)點、三角形單元為主，輔以少量四節(jié)點、四邊形單元，整個有限元計算網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 有限元計算網(wǎng)格模型

3.3 穩(wěn)定性分析

在Mohr-Coulomb強度準則的基礎上，采用Mohgenstem-Prince法評價滑坡的穩(wěn)定性，結果見圖4。

圖4 穩(wěn)定性計算結果圖

模型采用自動搜索滑面，滑面沿后緣裂縫至擬建擋墻頂部貫通，與實際滑面位置相符。穩(wěn)定性系數(shù)為0.665，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。若不及時支護，滑坡將失穩(wěn)。所以此路塹邊坡必須進行護坡處理才能滿足要求。

3.4 邊坡開挖后應力應變特征分析

數(shù)值分析成果圖展示了一級邊坡開挖后邊坡巖土的應力應變特征，從圖5中可見。

圖5 （a）開挖后最大主應力特征

圖5 （b） 開挖后X-Y應變特征

圖5 （c）開挖后最大剪應變特征

圖5 （d）開挖后最大應變特征

（1）應力特征：據(jù)圖5（a）可見，一級邊坡開挖后，坡體內(nèi)部最大主應力方向仍然保持與重力方向近于一致，但在坡體表面最大主應力方向發(fā)生一定偏轉，與坡面近于平行，邊坡最大主應力約1800kPa。

（2） 應變特征：一級邊坡開挖后，據(jù)圖5（b）可見，X-Y方向應變特征近垂直斜坡坡面，從后緣裂縫位置到前緣擋墻頂部位置逐漸增大，沿滑帶表現(xiàn)出“外凸內(nèi)凹”的突變現(xiàn)象，最大變形達16mm；據(jù)圖5（c）可見，受重力場作用，剪應變方向近平行于坡面，在基覆界面處形成變形集中帶，最大剪應變約35mm；據(jù)圖5（d）可見，受重力場作用，最大應變方向近平行于坡面，滑帶處應變有一定程度的增加，在基覆界面處形成變形集中帶，最大剪應變約34mm。

（3）綜合分析：滑坡應力場特征在一定程度上表現(xiàn)出明顯的受重力場控制的斜坡應力場特征；滑坡應變場特征明顯，滑面及基覆界面處應變值較大。若不支護，滑坡將從擬建擋墻頂部剪出。

3.5 邊坡按設計削坡后應力應變場特征

數(shù)值分析成果圖（圖6）展示了邊坡按照設計削坡后邊坡應力應變場的分布特征，從應力應變成果圖中分析可見。

圖6 （a）削坡后最大主應力特征

圖6 （b）削坡后X-Y應變特征

圖6 （d）削坡后最大應變特征

（1）應力特征：據(jù)圖6（a）可見，削坡后，邊坡最大主應力變化不大，最大值約為1800kPa。

（2） 應變特征：據(jù)圖6（b）可見，削坡后，X-Y方向應變特征變化明顯，應變集中帶向坡內(nèi)基覆界面處遷移，最大應變值減小了2mm，為14mm；據(jù)圖6（c）可見，削坡后，滑帶兩側的剪應變方向近平行于坡面，滑帶處應變出現(xiàn)突變，形成了兩個應變集中帶，分別位移三級削坡邊坡前緣和斜坡內(nèi)部基覆界面處，各應變集中帶出最大剪應變約30mm和28mm；據(jù)圖6（d）可見，削坡后，最大應變方向在三級邊坡附近表現(xiàn)為“外凹內(nèi)突”，向內(nèi)轉變?yōu)榻叫杏谄旅?，應變集中帶向坡?nèi)遷移，形成于基覆界面處，最大剪應變約28mm。

（3）綜合分析：按照設計坡率削坡后，邊坡坡體內(nèi)應力應變場較第一級邊坡開挖時坡體內(nèi)應力應變場發(fā)生一定變化。因分級削坡量較大，急劇減少了滑面上方的土體質量，重力減低明顯，對坡面附近應力應變場產(chǎn)生了一定范圍的改變，致使應變明顯降低。削坡一定程度上控制住了滑坡的變形。

3.6 邊坡支護后應力場及變形特征

圖7展示了重力式抗滑擋墻+錨索框架梁支護后，邊坡應力應變場的分布特征。

圖7 （a）邊坡支護后最大主應力特征

圖7 （b）邊坡支護后X-Y應變特征

圖7 （c）邊坡支護后最大剪應變特征

圖7 （d）邊坡支護后最大應變特征

（1） 應力特征：據(jù)圖7（a）分析可見，采用”重力式抗滑擋墻+框架錨索”支護后，最大主應力等值線圖變現(xiàn)為“外凹內(nèi)凸”，附近最大主應力有一定程度的增加，特別是在擋墻頂部后緣發(fā)生突變；錨桿附近最大主應力變化不大。

（2） 應變特征：據(jù)圖7（b）可見，支護后，X-Y方向應明顯降低，較削坡后，最大X-Y應變值減小了6mm，為8mm；據(jù)圖7（c）可見，支護后，剪應變值進一步降低，較削坡后，三級削坡邊坡前緣的應變集中帶基本消失，只有斜坡內(nèi)部基覆界面處的應變集中帶，最大剪應變約26mm；據(jù)圖7（d）可見，支護后，近坡面最大應變明顯降低，較削坡后，最大應變值減小了4mm。

（3）總體分析：“重力式抗滑擋墻+框架錨索”支護措施對邊坡變形的作用效果明顯，保證了邊坡的穩(wěn)定性。

4 結論

某高速公路K103+240～580段以路塹邊坡形式通過，一級邊坡開挖坡度較大，造成前緣臨空側巖土體變薄，為滑坡下滑形成有利的前緣剪出條件，致使滑坡失穩(wěn)。為此提出了在一定的坡率放坡條件下，采用“重力式抗滑擋墻+框架錨索”的聯(lián)合支護方案。通過geo-studio數(shù)值模擬軟件對邊坡開挖-削坡-支護過程的分析，得出以下主要結論與認識：

（1）邊坡穩(wěn)定性差，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。若不及時支護，滑坡將失穩(wěn)。一級邊坡開挖引起的應力場改變是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要原因，其中邊坡巖土結構及邊坡所處的工程地質環(huán)境是邊坡發(fā)生失穩(wěn)的重要因素。

（2）削坡可引起邊坡應力應變場的明顯變化，削坡急劇減少了滑面上方的土體質量，重力減低明顯，對坡面附近應力應變場產(chǎn)生了一定范圍的改變，致使應變明顯降低。削坡一定程度上控制住了滑坡的變形。

（3）“重力式抗滑擋墻+框架錨索”支護體系，對邊坡變形起到有效的控制，確保了邊坡穩(wěn)定及保證了公路施工安全和其正常運營。且該支護體系結構受力良好，經(jīng)濟適用，在此類邊坡中具有推廣應用價值。

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