某高陡邊坡穩(wěn)定性分析及加固后評價

張紅章，何麗娟，范衛(wèi)琴，朱春筍

（1.三明學院 建筑工程學院，福建 三明 365004；2.湖北省水利水電科學研究院，湖北 武漢 430070；3.重慶永固建筑科技發(fā)展有限公司，重慶 404100）

某高陡邊坡穩(wěn)定性分析及加固后評價

張紅章1，何麗娟2，范衛(wèi)琴1，朱春筍3

（1.三明學院 建筑工程學院，福建 三明 365004；2.湖北省水利水電科學研究院，湖北 武漢 430070；3.重慶永固建筑科技發(fā)展有限公司，重慶 404100）

闡述了某高陡邊坡加固前后的穩(wěn)定狀態(tài)及預應(yīng)力錨索加固方式，運用了極射赤平投影的理論分析法、FLAC3D有限差分數(shù)值分析法以及現(xiàn)場監(jiān)測法等手段對高陡邊坡穩(wěn)定性進行了分析和評價，結(jié)果表明這三種方法能夠有效分析高陡邊坡的穩(wěn)定性并相互印證，同時表明預應(yīng)力錨索對高陡邊坡豎直位移和水平位移等方面具有良好的加固和約束作用。

高陡邊坡；極射赤平投影；數(shù)值分析；監(jiān)測

工程建設(shè)過程中因地形地質(zhì)等條件限制極易形成高陡邊坡，給工程建設(shè)安全和經(jīng)濟效益帶來較大影響，深入開展高陡邊坡失穩(wěn)機制、邊坡加固和預測預報的基礎(chǔ)研究，對于推動邊坡加固治理技術(shù)發(fā)展、防治高陡邊坡誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害具有重要的理論與實際意義[1]。針對邊坡失穩(wěn)破壞地研究，國內(nèi)外學者常采用的研究手段有理論研究、數(shù)值模擬、模型試驗以及現(xiàn)場監(jiān)測等[2]。本文采用極射赤平投影圖理論分析法結(jié)合工程地質(zhì)地貌特征，分析了22 m高陡邊坡的穩(wěn)定性；利用FLAC3D有限差分軟件數(shù)值分析法，分析了加固前后邊坡豎直和水平位移的變化及變化速率等情況；采用現(xiàn)場監(jiān)測手段，分析加固后邊坡的豎直位移、水平位移及裂縫等開展情況，研究預應(yīng)力錨索框架梁加固22 m高陡邊坡技術(shù)上的可行性。

1 工程概況

三明市區(qū)西南部泉三高速公路安置片房小區(qū)西側(cè)，因石料開采形成了長約210 m，最高約22 m坡度近乎垂直的巖土質(zhì)陡崖，坡頂靠近正在施工的205國道沙縣后底至永安吉山公路改線工程。據(jù)勘測表層為坡積粉質(zhì)粘土，下伏碎塊狀強風化～中風化巖，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水很豐富。部分段落巖體倒懸，存在“探頭巖”，在裂隙面切割組合作用下，倒懸?guī)r體可能會發(fā)生崩塌、掉塊等病害；局部段落巖塊脫離母巖，形成凹型巖腔，破壞了巖體邊坡整體穩(wěn)定性；坡體巖面陡傾，且軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，在降雨或外荷載影響下可能發(fā)生崩塌或沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑移等病害；巖體被節(jié)理裂隙面切割成大小不一的楔型塊體，坡面浮石、松動的巖塊較多，裸露的巖石經(jīng)長年風化作用后在重力及雨水作用下會產(chǎn)生掉塊、落石等病害，威脅坡腳附近住宅區(qū)。

1.1 地形地貌特征

本段落屬于剝蝕丘陵區(qū)地貌，項目所在地為經(jīng)過人為改造后的呈直立陡崖狀或倒傾狀的巖體邊坡，最高約22 m；巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，滲水嚴重。坡腳距離安置房外墻約4～12 m，坡頂靠近正在施工的205國道工程。

1.2 地質(zhì)地層概況

據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及臨近鉆孔揭露，場區(qū)上覆殘坡積土（Qel+dl），下伏基巖為燕山期（γ52）花崗巖，巖石風化強烈，裂隙發(fā)育，巖體較破碎。

1.3 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及場地地震效應(yīng)

經(jīng)本次地質(zhì)調(diào)繪、區(qū)域性地質(zhì)資料及鉆探表明：場區(qū)未見有斷裂構(gòu)造發(fā)育，場區(qū)區(qū)域性構(gòu)造較穩(wěn)定。

根據(jù)國標《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2015)福建省區(qū)域劃一覽表可知，該區(qū)域抗震設(shè)防烈度為6度，相應(yīng)的地震加速度為 0.05 g，基本地震動反應(yīng)譜特征周期為 0.35 s，區(qū)域地質(zhì)相對穩(wěn)定。

1.4 水文地質(zhì)條件

全區(qū)地勢自西北向東傾斜，位于武夷山脈與戴云山脈之間的匯水區(qū)，沙溪河谷梅列盆地為市區(qū)，年平均降雨量1500～1900 mm，降雨充沛。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，場地內(nèi)地下水、地表水發(fā)育。地下水主要為花崗巖風化層中的孔隙裂隙水，受大氣降水的補給，水位季節(jié)性變化大，順著溝谷向地勢低方向排泄。地下水對混凝土及混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性。

1.5 不良地質(zhì)現(xiàn)象

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及相關(guān)地質(zhì)測繪資料，臺江村菩薩山安置地自采陡崖區(qū)域范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)滑坡、泥石流、巖溶等地質(zhì)災(zāi)害；坡頂為205國道正在施工，坡腳靠近安置房小區(qū)；表層坡體為坡積粉質(zhì)粘土，下伏碎塊狀強風化～中風化巖，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水豐富。目前，邊坡主要存在以下幾種不良地質(zhì)現(xiàn)象：（1）部分段落巖體倒懸，存在“探頭巖”，在裂隙面切割作用下，倒懸?guī)r體可能會發(fā)生崩塌、掉塊等病害；（2）局部段落巖塊脫離母巖，形成凹型巖腔，破壞了巖體邊坡整體穩(wěn)定性；（3）坡體巖面陡傾，且軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，在降雨或外荷載影響下可能發(fā)生崩塌或沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑移等病害；（4）巖體被節(jié)理裂隙面切割成大小不一的楔型塊體，坡面浮石、松動的巖塊較多，裸露的巖石經(jīng)長年風化作用后在重力及雨水作用下會產(chǎn)生掉塊、落石等病害，威脅坡腳附近住宅區(qū)的安全。

1.6 地質(zhì)情況

該段邊坡最高約22 m，坡體基本為基巖出露；巖面稍外傾，多組結(jié)構(gòu)面發(fā)育 （J1：150°∠45°，1～3條/m，無明顯填充，存在裂隙，裂隙位置有水滲出；J2：290°∠55°，2～3條/m，無明顯填充，節(jié)理張開約1 mm，有少量水滲出；J3：145°∠29°，7～8 條/m，張開 2～3 mm，無填充；J4：295°∠78°；J5：20°∠89）；局部巖塊脫落形成凹型巖腔，上部有一凸出危巖；坡面少量植被發(fā)育，裂隙處少量滲水。

2 巖體穩(wěn)定性分析

該段邊坡最高約22 m，坡體基本為基巖出露；邊坡十分陡峭，近乎直立，部分段落巖體倒懸、存在“探頭危巖”，局部段巖體脫落，發(fā)育有凹型巖腔；坡面發(fā)育有多組不利節(jié)理面，多處裂隙可見滲水；在不利工況條件下，該段邊坡易發(fā)生掉塊，崩落等不良地質(zhì)災(zāi)害。量取該段幾組優(yōu)勢節(jié)理面進行極射赤平投影圖分析，如圖1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：節(jié)理面J1和J2、J2和J3、J2和J4、J3和J4、J3和J5、J1和J5形成的組合交線傾向與邊坡傾向相同，但傾角小于邊坡傾角，因此邊坡為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。同時，該區(qū)域巖體受多組結(jié)構(gòu)面切割形成不穩(wěn)定塊體，且局部段巖塊脫落形成凹巖腔。節(jié)理裂隙和軟弱結(jié)構(gòu)面破壞了巖體的完整性，且坡面裂隙多處可見滲水，巖體可能沿著順傾節(jié)理面發(fā)生滑移破壞等病害。

3 加固設(shè)計

根據(jù)邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)及現(xiàn)場實際情況，對該坡體采取了綜合加固治理的方法，具體如下：清除坡面浮石，松動巖體，適當修整坡面；局部凹腔采用C20素混凝土鑲補；對凸出圍巖進行解小清除；采用預應(yīng)力錨桿地梁結(jié)合系統(tǒng)錨桿進行防護，錨桿間距2.0 m×3.0 m，具體內(nèi)容詳見圖2。

圖1 極射赤平投影圖

圖2 邊坡加固設(shè)計圖

4 有限元分析評價

4.1 模型單元

模擬采用FLAC3D有限差分軟件，該軟件適合模擬巖土體的漸進破壞和崩塌現(xiàn)象，本次計算中采用的結(jié)構(gòu)形式主要有錨索單元和巖土體。

（1）錨索單元：由幾何參數(shù)、材料參數(shù)和水泥漿特性來定義。錨索構(gòu)件假設(shè)為兩節(jié)點之間具有相同橫截面及材料參數(shù)的直線段，任意曲線的錨索則可以由多個錨索構(gòu)件組合而成，在模型中錨索是彈塑性材料，在拉、壓中屈服，但不能抵抗彎矩。

（2）巖土實體單元：采用計算程序中的矩形網(wǎng)格，這種矩形網(wǎng)格賦上相應(yīng)參數(shù)即可模擬巖土體。

4.2 模型尺寸

[3-8]，建模如下：205國道及其下方路基厚度為 3 m，國道路基下斜率為1∶0.75的邊坡高20 m，其下新建邊溝有厚3 m土層，模型總寬度為62 m，因為錨索布置的間距為2×3 m，為節(jié)約計算時間且只考慮在XZ平面內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變情況，在長度方向即模型Y方向上取3 m為一個單元來進行計算，如圖3所示。邊坡從上而下，依次布置5層、傾角為25°、錨固段長度均為6 m、總長分別為24、20、16、12和12 m的錨索，如圖4所示。計算中采用能模擬松散或膠結(jié)的粒狀材料的摩爾-庫倫塑性模型，這種模型能較好的模擬邊坡穩(wěn)定方面的問題。

圖3 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

圖4 錨索在模型中的位置

4.3 材料參數(shù)

對于巖土體，需要對其體積模量、剪切模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角、厚度及密度賦值，在具體計算時，按式（1）和式（2）將彈性模型轉(zhuǎn)換為剪切模量G和體積模量K：

式中：v 為泊松比(無量綱)；E0為彈性模量（MPa）；K 為體積模量（MPa）；G 為剪切模量（MPa）。

錨索構(gòu)件有兩個自由度，對每個軸向位移相應(yīng)有軸向力，可以用一維本構(gòu)夠模型來描述錨索的軸向特性，軸向剛度 K與加固橫截面 A、彈性模量 E及構(gòu)件長度 L的關(guān)系如式（3）：

具體計算之后的模型相關(guān)性能參數(shù)如表1所示。

表1 模型相關(guān)參數(shù)

4.4 試驗結(jié)果及分析

通過FLAC3D分析程序，得到支護前后的豎向位移及水平位移云圖，如圖5～8所示，其中，Z方向位移以向上為正，X方向位移以向右為正。由圖5加固前豎向位移云圖可知，加固前邊坡坡面處豎直方向最大位移位于1/3坡高位置附近，最大位移達9.69×10-2m，且?guī)r土體的失穩(wěn)滑動趨勢明顯，由圖6加固后豎向位移云圖可知，加固后邊坡坡面處豎直方向最大位移位置未發(fā)生較大變化，但坡面處豎直方向最大位移僅5×10-3m，為原來的約1/20，且下滑趨勢不明顯，說明加固后邊坡的豎直方向穩(wěn)定性得到了很好的改善。由圖7加固前水平位移云圖可知，加固前邊坡坡面處水平方向最大位移位于坡腳附近，最大值達到1.6×10-3m，且?guī)r體整體有較明顯的滑動趨勢；由圖8加固后水平位移云圖可知，加固后邊坡坡面處水平方向最大位移位置發(fā)生了較大改變，由坡腳變化至坡頂附近，且水平位移最大值減小至原來的約1/2，僅為7×10-4m，且?guī)r體滑動趨勢明顯改善。

圖5 支護前豎向位移云圖

圖6 支護后豎向位移云圖

圖7 支護前水平位移云圖

圖8 支護后水平位移云圖

綜合圖5～8可知，該高陡邊坡加固前在自重荷載作用下，坡體發(fā)生水平方向和豎直方向的失穩(wěn)破壞趨勢明顯，且以豎直方向位移過大發(fā)生失穩(wěn)為主，巖土體失穩(wěn)破壞較嚴重的位置均發(fā)生在坡高1/3至坡腳位置處，說明該邊坡發(fā)生局部崩塌的可能性較大；預應(yīng)力錨索對該高陡邊坡的水平位移和豎直位移的具有明顯的改善作用，對豎向位移值改善較為明顯，但對水平位移的分布狀態(tài)改善更為明顯。

5 加固后監(jiān)測評價

邊坡加固完成后，根據(jù)設(shè)計圖紙及規(guī)范要求，對該邊坡坡頂?shù)乃轿灰?、垂直位移、地表裂縫等項目進行了為期2年（1月/次）的連續(xù)監(jiān)測，水平位移累積值、豎向位移累計值及位移速率分別見圖9～12。由圖9～10可知，邊坡各觀測點累計水平位移2.30～3.01 mm之間，豎直位移-3.55～-5.01 mm之間（負值表示方向向下），水平位移及豎直位移值均較小，坡體較為穩(wěn)定；累積曲線斜率逐漸減小，說明水平位移與垂直位移值隨著監(jiān)測時間的推移逐漸減小，坡體越來越穩(wěn)定。由圖11～12可知，豎直位移與水平位移速率在邊坡加固9個月左右達到最大值（水平位移最大速率10×10-3mm/d，豎直位移最大速率10×10-3mm/d），此后位移速率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，且逐漸趨于穩(wěn)定。同時，邊坡在監(jiān)測期間未發(fā)現(xiàn)坡面裂縫及地表開裂的現(xiàn)象。

圖9 水平位移累積值

圖10 豎向位移累積值

圖11 水平位移速率

圖12 豎向位移速率

綜合以上，說明預應(yīng)力錨索對該高陡邊坡具有較好的加固改善作用，坡體處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。

6 結(jié)論

(1）高陡邊坡的穩(wěn)定性可結(jié)合巖土體的地質(zhì)地貌特征、地質(zhì)構(gòu)造、地震及不良地質(zhì)現(xiàn)象等條件，采用極射赤平投影的理論分析法、FLAC3D有限差分數(shù)值分析法以及現(xiàn)場監(jiān)測等手段來綜合評定，三種分析方法能夠相互印證。(2）通過FLAC3D有限差分法對高陡邊坡的分析可知，加固前該邊坡以豎直位移為主，滑動趨勢明顯，且有發(fā)生局部坍塌的可能性較大；預應(yīng)力錨索對該高陡邊坡的水平位移和豎直位移的具有明顯的改善作用，對豎向位移值改善較為明顯，但對水平位移的分布狀態(tài)改善更為明顯。(3）通過對加固后坡體的水平位移和豎向位移的長期監(jiān)測可知，預應(yīng)力錨索對該高陡邊坡具有較好的加固改善作用，加固后水平位移和豎直位移監(jiān)測值均較小，且監(jiān)測后期累積位移變化逐漸趨緩，位移變化速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

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Post Evaluation of Reinforcement and Stability Analysis of a High Steep Slope

ZHANG Hong-zhang1,HE Li-juan2,FAN Wei-qin1,ZHU Chun-sun3
（1.School of Architectural Engineering Sanming Univrsity,Sanming 365004,China;2.Hubei Water Resources Research Institution,Wuhan 430070,China;3.Chongqing Yonggu Building Science and Technology Development Co.Ltd.,Chongqing 404100,China）

The stable state of the high and steep slope before and after it is reinforced and the method of the reinforcement on the prestressed cable are expounded.The stability of high and steep slope is analyzed and evaluated by using the theory of stereographic projection,FLAC3D finite difference numerical analysis and field monitoring.The results shows that the three methods can effectively analyze the stability of high and steep slope and confirm each other.Meanwhile,it also shows that the prestressed cable has good reinforcement and restraint on high and steep slope of the vertical displacement and horizontal displacement etc.

high and steep slope;stereographic projection;numerical analysis;monitor

U416.14

A

1673-4343（2017）06-0077-06

10．14098/j．cn35－1288/z．2017．06．012

2017-07-16

福建省中青年教師教育科研項目（JA14294，JAT170538）

張紅章，男，湖北武漢人，講師。主要研究方向：道路與橋梁。

朱聯(lián)九）