沖溝區(qū)域巖石高邊坡卸載穩(wěn)定性分析

呂玉凱

(北車建設工程有限責任公司，北京　100078)

沖溝區(qū)域巖石高邊坡卸載穩(wěn)定性分析

呂玉凱

(北車建設工程有限責任公司，北京100078)

摘要:以沖溝區(qū)域巖石高邊坡?lián)鯄坶_挖工程為例，采用數(shù)值模擬分析法，研究了邊坡卸載的穩(wěn)定性問題，并提出了邊坡開挖的支護措施，經(jīng)現(xiàn)場驗證，發(fā)現(xiàn)跳槽開挖在控制圍巖變形和塑性區(qū)范圍方面效果良好。

關鍵詞:高邊坡，沖溝區(qū)域，數(shù)值模擬，穩(wěn)定性

一般來講，高邊坡是指高度大于30 m的巖質邊坡或大于20 m的土質邊坡［1］。我國西南地區(qū)邊坡具有高度陡峭、地應力大和變形歷史復雜等特點，剪應力往往集中在軟硬巖之間，形成了潛在的破壞面;與此同時，巖石高邊坡的穩(wěn)定性是一個動態(tài)演化的地質歷史過程，期間伴隨時效變形的發(fā)生，邊坡潛在滑動面不斷地孕育、發(fā)展演化，最終進入累進性破壞而貫穿的過程。巖石高邊坡穩(wěn)定性的評價不僅是一個強度穩(wěn)定性問題，更為重要的是一個變形穩(wěn)定性問題;因此，控制住巖石高邊坡的變形，則其潛在滑動面的演化就會在“孕育”或者“發(fā)展”階段結束，從而無法演化到最終的累進性破壞階段［2］?；谶吰路€(wěn)定性評價［3，4］基礎上，利用數(shù)值模擬［5］在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等領域的優(yōu)勢，可以研究邊坡巖體開挖位移形態(tài)及量值、邊坡巖體開挖變形時間效應［6］;通過現(xiàn)場監(jiān)測點動態(tài)數(shù)據(jù)分析，掌握邊坡巖體的變形規(guī)律，從而達到設計優(yōu)化的目的。重慶軌道交通四號線車輛段施工地質條件復雜，高邊坡多處于沖溝區(qū)域，且?guī)r石破碎，施工開挖面積大;加之即將進入雨季時節(jié)，需及時建立永久擋土墻以確保后續(xù)主體建筑施工安全，因此擋土墻基槽開挖及邊坡卸載速度也相應加快，如何維護基槽開挖過程中邊坡巖體穩(wěn)定是急需解決的問題。針對上述情況，文章展開了如下的研究。

1　工程概況

重慶四號線一期工程車輛段規(guī)劃用地約為37.87 hm2，場地自然地勢北高南低，南部發(fā)育一條深度為70 m～100 m的南北方向“V”形沖溝。場地巖層產(chǎn)狀為順層巖層，開挖邊坡上方海爾路主要通行大型裝載車輛，邊坡圍巖破碎。場地內地層由人工填土、粉質粘土和砂質泥巖、砂巖組成。人工填土主要以素填土為主，最大厚度12.0 m左右;粉質粘土主要分布于場地西側的相對低洼地段，最大厚度7.0 m左右;砂質泥巖表層強風化帶厚度約為1.0 m～2.5 m，中風化巖芯完整性較好，基本為Ⅳ級巖體;砂巖強風化層厚度約為0.50 m～1.50 m，中風化巖芯完整性較好，主要以薄層～中厚層形式賦存，以Ⅳ級巖體為主。場地地下水為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。如圖1所示，車輛段巖石高邊坡擬采用板肋式、排樁式錨桿、樁板式、衡重式和扶壁式5種擋土墻進行永久支護;修建擋土墻涉及到大面積的邊坡基槽開挖工作，其中靠近沖溝一側的衡重式擋墻擬建高度約為31 m，基槽開挖深度也較深，給邊坡卸載時圍巖穩(wěn)定控制提出了更大的挑戰(zhàn)。

2　數(shù)值模擬

選取靠近沖溝一側的16—16基槽開挖位置進行高邊坡卸載數(shù)值模擬研究，如圖2所示。

如圖3所示，16號位置處的高邊坡模型尺寸為195 m×150 m× 80 m(長×寬×高)，本構為Mohr-Coulomb模型;文章通過4種方案進行研究: 1)無支護形式對基槽順序開挖; 2)無支護形式對基槽進行跳槽開挖; 3)錨桿支護對基槽順序開挖; 4)錨桿支護并對基槽進行跳槽開挖;在最先開挖的基槽內布設位移監(jiān)測點。

圖1　車輛段邊坡及擬建擋墻位置分布圖

圖2　16號高邊坡地形示意圖

圖3　模型圖

圖4中0～2 000步為第Ⅰ開挖階段，2 000步～3 000步為第Ⅱ階段，3 000步～4 000步為第Ⅲ階段。在第Ⅰ階段，4種開挖方式中測點的水平位移均呈快速增大趨勢，錨桿支護跳槽開挖位移量最大，錨桿支護順序開挖最小;第Ⅱ階段，跳槽開挖方式下的測點水平位移緩慢增加，而采用順序開挖水平位移急劇增大，且有支護比無支護位移量要小;在第Ⅲ開挖階段，跳槽開挖位移仍緩慢增加，而順序開挖則急劇加大;采用跳槽和順序開挖，測點最大水平位移量差0.027 m;采用有、無錨桿支護順序開挖最大水平位移量差0.009 8 m;在水平位移控制方面，跳槽開挖比錨桿支護效果要好。

圖4　測點1水平位移曲線

如圖5所示，測點2在第Ⅰ開挖階段，水平位移開始急劇增大，然后增長變緩，位移值較小，4種開挖形式變化規(guī)律基本一致;采用順序開挖較跳槽開挖水平位移要稍小。

圖5　測點2水平位移曲線

如圖6所示，在第Ⅰ階段，4種方式垂直位移先是急劇增大，后趨于平穩(wěn)，在開挖臨近測點處時，垂直位移會有小幅度降低的突變，隨著繼續(xù)開挖，垂直位移平穩(wěn)發(fā)展;跳槽開挖和錨桿支護措施均對基槽底部垂直位移控制效果不明顯。

圖6　測點3垂直位移曲線

從圖7可以發(fā)現(xiàn)4種開挖方式的塑性區(qū)面積由大到小依次為: c→a→b→d;采用跳槽開挖在邊坡塑性區(qū)控制效果上要優(yōu)于錨桿支護方式;塑性區(qū)影響邊坡上方約54 m范圍。由于土質邊坡、散體結構和碎裂結構邊坡的穩(wěn)定性一般受最大剪應力面控制［1］，通過其塑性區(qū)演化趨勢，可以判斷出潛在滑動面位置，在施工中有針對性的加強監(jiān)測，并減少危險區(qū)域開挖面暴露時間，從而達到增加圍巖穩(wěn)定性的目的。

3　支護措施

大量實例表明在典型的沖溝區(qū)，高邊坡沿垂直方向具有明顯的垂向分帶性演化特征;從沖溝邊坡的底部到頂部，將會依次出現(xiàn)應力約束、表生改造、時效變形及失穩(wěn)破壞4個階段［2］，見圖8。

邊坡開挖類似于沖溝快速下切過程［7］，為此，本工程采取了如下措施來確保邊坡圍巖的穩(wěn)定: 1)加大邊坡放坡坡率、施加坡腳開挖面錨桿支護，增強圍巖間的整體性; 2)基坑開挖到位及時封底澆筑，避免開挖面長時間暴露，減緩邊坡從表生改造向時效變形演化進程; 3)錨桿支護對于有震動響應的邊坡，有著較好的安全防范效果［8］;嚴格采用機械配合人工開挖，將邊坡的擾動降到最低; 4)清理坡面表層浮土，嚴禁在坡面上加載，延緩時效變形向破壞區(qū)演化進程; 5)加強監(jiān)測，并有專人對易滑坡位置進行不間斷巡視，發(fā)現(xiàn)異常，立即停止施工，并疏散相關人員。

圖7　塑性區(qū)演化云圖

圖8　典型沖溝邊坡的演化階段的垂直分帶

4　結語

文章對沖溝區(qū)域巖石高邊坡卸載演化特征進行了理論和數(shù)值模擬分析，經(jīng)工程實踐驗證，效果良好，并得到如下結論:

1)錨桿支護通過增強巖體間的整體性，能夠延緩時效變形向破壞區(qū)演化進程。2)跳槽開挖在控制邊坡巖體位移和塑性區(qū)演化方面均效果顯著。3)控制時效變形演化是保證邊坡巖體穩(wěn)定的關鍵。采用坡頂卸載、增大放坡坡率及降低開挖擾動可以減緩邊坡巖體從表生改造向時效變形的演化進程;及時對開挖后的邊坡進行注漿封閉，來控制其表生改造演化，從而最大限度提高邊坡巖體穩(wěn)定性。4)采用跳槽開挖和錨噴支護的組合形式對邊坡巖體卸載過程進行臨時支護，具有工藝簡單、實施方便、施工快捷和成本較低的優(yōu)點，對類似工程具有指導意義。

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Analysis on high rock slope unloading stability in gully area

Lv Yukai
( Beiche Construction Engineering Co.，Ltd，Beijing 100078，China)

Abstract:Taking high slope retaining wall trench excavation engineering in gully area as an example，applying numerical simulation analysis method，the paper studies slope unloading stability issue，and puts forward slope excavation bearing measures.Through in-situ examination，it finds out that trench excavation has great effect in controlling surrounding rock deformation and plastic region scope.

Key words:high slope，gully area，numerical simulation，stability

作者簡介:呂玉凱(1982-)，男，工程師

收稿日期:2015-11-22

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0060-03

中圖分類號:TU413.62

文獻標識碼:A