高邊坡分級(jí)開(kāi)挖與支護(hù)方案研究

陳愿成

(江西省地礦局贛南地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，江西 贛州 341000)

0 引 言

邊坡失穩(wěn)是在外界各種因素的共同作用下，由局部小范圍的變形逐漸延伸擴(kuò)大最終演變?yōu)檎w破壞的災(zāi)變過(guò)程，在此過(guò)程中，控制邊坡變形得到因素也是“動(dòng)態(tài)”變化的[1-3]。長(zhǎng)期以來(lái)，在邊坡施工時(shí)為了方便都是先將邊坡直接開(kāi)挖到底，然后再進(jìn)行支護(hù)或者根本不支護(hù)，這樣的行為就是對(duì)邊坡缺乏“動(dòng)態(tài)變化理論”的考慮，將會(huì)導(dǎo)致邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生失穩(wěn)破壞，造成工期的延長(zhǎng)和成本的增加[4-7]。

本文以贛深高速道路的高邊坡為例，對(duì)該邊坡進(jìn)行多級(jí)開(kāi)挖，并對(duì)該邊坡進(jìn)行多級(jí)支護(hù)，對(duì)比分析未支護(hù)和及時(shí)支護(hù)后的邊坡在多級(jí)開(kāi)挖后的穩(wěn)定性。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 工程概況

贛深高速道路寬24.50 m，雙向四車(chē)道，贛深高速公路RK1058+600右側(cè)路塹邊坡高約60 m。該坡體地質(zhì)情況復(fù)雜，屬于典型的多級(jí)復(fù)雜性土坡。照片1為該滑坡全貌圖。

1.2 地質(zhì)概況

1.2.1 氣象及水文

工作區(qū)氣候濕潤(rùn)溫和，雨量豐沛；春早、夏熱；秋、冬連續(xù)綿雨，日照少，濕度大；為勘察區(qū)氣候的基本特征。場(chǎng)地處于斜坡地帶，滑坡區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)泉水(井)點(diǎn)，無(wú)地表水體。

照片1 滑坡全貌圖

1.2.2 地形地貌

滑坡區(qū)位于一條近于東西向的山溝北坡較厚的崩塌堆積體上，地貌為一斜坡地形，總體北西側(cè)高、南東側(cè)低，斜坡自然坡度角30°～40°，坡向?yàn)?42°。場(chǎng)地地貌上為剝蝕中山地貌形態(tài)。

1.2.3 地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)地表工程地質(zhì)測(cè)繪及鉆探成果表明：上部土層主要為粉質(zhì)黏土，中間主要為砂質(zhì)粘性土，下伏基巖主要為弱風(fēng)化砂巖。

1.3 模型建立

贛深高速公路RK1058+600右側(cè)路塹邊坡二次開(kāi)挖擬采用從上到下大面積削坡的方式，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，二次開(kāi)挖的時(shí)候分為八級(jí)開(kāi)挖，第一～三級(jí)坡比為1∶1.25，第四～六級(jí)坡比為1∶1，第七、八級(jí)坡比為1∶0.75，臺(tái)階寬度為2.00 m。邊坡開(kāi)挖模型如圖2所示。邊坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖2 邊坡開(kāi)挖模型

巖性重度/(kN/m3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)彈性模量/GPa粉質(zhì)黏土19.628320.8砂質(zhì)黏性土20.832351.2弱風(fēng)化砂巖25.4450452.8

1.4 原坡體穩(wěn)定性計(jì)算求解

為了方便結(jié)果的描述，對(duì)邊坡開(kāi)挖面上幾個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

當(dāng)坡體沒(méi)有進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，利用有限元強(qiáng)度折剪法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析，得到坡體的安全系數(shù)為1.248，圖4為未開(kāi)挖坡體變形圖。

2 邊坡無(wú)支護(hù)分級(jí)開(kāi)挖結(jié)果分析

對(duì)坡體按上述開(kāi)挖方式從上往下進(jìn)行逐級(jí)開(kāi)挖，每一步開(kāi)挖之后利用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算其安全系數(shù)。因篇幅有限，只列出開(kāi)挖步四和開(kāi)挖步八的坡體變形圖，圖5和圖6分別為開(kāi)挖步四和開(kāi)挖步八的坡體變形圖。

圖4 未開(kāi)挖坡體變形圖

圖5 坡體變形圖(開(kāi)挖步四)

圖6 坡體變形圖(開(kāi)挖步八)

2.1 不同開(kāi)挖時(shí)步對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響

表2為不同開(kāi)挖時(shí)步邊坡安全系數(shù)計(jì)算值，圖7為安全系數(shù)隨邊坡開(kāi)挖過(guò)程變化的曲線圖。

由圖7可知，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，坡體的安全系數(shù)總體呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，部分存在波折。未開(kāi)挖前，邊坡的安全系數(shù)為1.248，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；開(kāi)挖第一步，邊坡的安全系數(shù)變?yōu)?.221，說(shuō)明開(kāi)挖對(duì)邊坡的擾動(dòng)影響很大，使邊坡應(yīng)力重分布；但開(kāi)挖第二步后，邊坡的安全系數(shù)有所回升，其原因可能為：一是開(kāi)挖部分土體后，使得邊坡的自重減小，下滑力減小，從而穩(wěn)定性提高；二是新開(kāi)挖部分坡體的推動(dòng)力不足以使下部未開(kāi)挖部分的坡體發(fā)生變形，這意味這下部未開(kāi)挖部分坡體可以充當(dāng)類(lèi)似于擋土墻的作用，阻止上部坡體發(fā)生下滑。到開(kāi)挖第三步結(jié)束后，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到局部開(kāi)挖最大值，但隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，邊坡安全系數(shù)呈明顯下滑的趨勢(shì)，原因是坡腳被大面積開(kāi)挖，削弱了其支撐力，造成上部坡體可能整體滑動(dòng)，形成推動(dòng)式滑坡。直到最終開(kāi)挖結(jié)束，邊坡的安全系數(shù)降為1.115，開(kāi)挖結(jié)束后邊坡安全系數(shù)明顯降低，可見(jiàn)這種開(kāi)挖無(wú)支護(hù)施工方法具有較大的潛在危險(xiǎn)。

表2 不同開(kāi)挖時(shí)步邊坡安全系數(shù)計(jì)算值

圖7 邊坡安全系數(shù)隨開(kāi)挖過(guò)程變化曲線圖

2.2 不同開(kāi)挖時(shí)步邊坡豎向位移變化過(guò)程分析

邊坡按照從上到下逐級(jí)開(kāi)挖后，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移進(jìn)行分析，邊坡的豎向位移大部分向下，直到開(kāi)挖至第五步后，測(cè)點(diǎn)5～8顯現(xiàn)出向上回彈的趨勢(shì)，表3為坡體逐級(jí)開(kāi)挖過(guò)程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移結(jié)果。

表3 未支護(hù)前邊坡分級(jí)開(kāi)挖后監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移結(jié)果 cm

圖8 邊坡上測(cè)點(diǎn)UY增量(豎向位移)與開(kāi)挖時(shí)步關(guān)系圖

由圖8結(jié)果可知：(1)測(cè)點(diǎn)1～4的豎直位移先增大后減小，測(cè)點(diǎn)5～6的豎直位移先增大后減小再增大，最后趨于穩(wěn)定，測(cè)點(diǎn)7～8在前四步增量不明顯；(2)所有測(cè)點(diǎn)在第五步開(kāi)挖之后，豎向位移量值均出現(xiàn)回落。

2.3 不同開(kāi)挖時(shí)步邊坡水平位移變化過(guò)程分析

邊坡按照從上到下逐級(jí)開(kāi)挖后，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移進(jìn)行分析，開(kāi)挖過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)的水平位移均指向坡體外側(cè)，表明邊坡巖體在坡床的作用下有被“擠出”的趨勢(shì)，表4為坡體逐級(jí)開(kāi)挖過(guò)程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移結(jié)果。

由圖9結(jié)果可知：(1)測(cè)點(diǎn)1的水平位移在前3步隨開(kāi)挖步的增加逐漸增大，但從第四步開(kāi)始逐漸穩(wěn)定；(2)測(cè)點(diǎn)2～3的水平位移量值較測(cè)點(diǎn)1相差不大，且從第四步起逐漸回落，總的變形量較小；(3)測(cè)點(diǎn)4～6則表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在第四步開(kāi)挖之后逐漸趨于穩(wěn)定；(4)測(cè)點(diǎn)7～8的水平位移較其余的測(cè)點(diǎn)都要小，除前兩步開(kāi)挖對(duì)其有影響外，第四步開(kāi)挖后，其水平位移增量逐漸趨于穩(wěn)定。

2.4 小 結(jié)

采用開(kāi)挖后無(wú)支護(hù)方式開(kāi)挖邊坡，邊坡開(kāi)挖第一步到第三步，邊坡的最大水平位移在原坡腳處，到開(kāi)挖第四步，邊坡的最大水平位移出現(xiàn)在第四步開(kāi)挖完后的現(xiàn)坡腳處。說(shuō)明采用這種施工方法開(kāi)挖邊坡，前三步邊坡可能的失穩(wěn)情形主要是沿原坡面產(chǎn)生滑動(dòng)，而到第四步后，邊坡可能的失穩(wěn)情形變?yōu)檠匦麻_(kāi)挖面發(fā)生滑動(dòng)。

采用開(kāi)挖后無(wú)支護(hù)方式開(kāi)挖邊坡，豎向位移最大值發(fā)生在開(kāi)挖部分的坡頂處，每級(jí)開(kāi)挖前一級(jí)邊坡存在回彈現(xiàn)象。

表4 未支護(hù)前邊坡分級(jí)開(kāi)挖后監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移結(jié)果 cm

圖9 邊坡上測(cè)點(diǎn)UX增量(水平位移)與開(kāi)挖時(shí)步關(guān)系圖

綜上所述，邊坡在開(kāi)挖完前三步后，位移變化不明顯，安全系數(shù)趨于穩(wěn)定，但在第四步后位移逐漸增大，安全系數(shù)開(kāi)始減小，此時(shí)邊坡處于最不穩(wěn)定狀態(tài)。

因此，研究決定擬在第三步開(kāi)挖完成后開(kāi)始對(duì)邊坡實(shí)施加固措施，然后從第四步開(kāi)始，每開(kāi)挖一級(jí)支護(hù)一級(jí)。每級(jí)邊坡均采用3排12.00 m長(zhǎng)HRB335Φ32全長(zhǎng)珠江錨桿進(jìn)行淺層支護(hù)，錨桿與水平方向的傾角均為15°，錨桿設(shè)計(jì)錨固力50 kN，預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)錨固力1 000 kN，各錨桿支護(hù)措施間距均取2.00 m。圖10為擬加固方案示意圖。

3 邊坡及時(shí)支護(hù)分級(jí)開(kāi)挖結(jié)果分析

3.1 及時(shí)支護(hù)后邊坡安全系數(shù)變化

在開(kāi)挖完第三步后，及時(shí)對(duì)坡體進(jìn)行支護(hù)，表5為支護(hù)后邊坡安全系數(shù)變化值。

由圖11可以看出，及時(shí)支護(hù)后，邊坡的安全系數(shù)在每一步都大幅增加，雖然在開(kāi)挖后期安全系數(shù)逐漸減小，但是減小幅度較小，還是比開(kāi)挖前的坡體安全系數(shù)大，因此及時(shí)支護(hù)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性非常有利。

圖10 邊坡擬加固方案

開(kāi)挖時(shí)步012345678安全系數(shù)1.2481.2211.2241.2121.1911.1621.1501.1441.15

圖11 及時(shí)支護(hù)后邊坡安全系數(shù)隨開(kāi)挖過(guò)程變化曲線圖

3.2 及時(shí)支護(hù)后邊坡豎向位移變化過(guò)程分析

在開(kāi)挖完第三步后，及時(shí)對(duì)坡體進(jìn)行支護(hù)，表6為支護(hù)后邊坡各測(cè)點(diǎn)豎向位移隨開(kāi)挖步變化過(guò)程表。

表6 支護(hù)后邊坡分級(jí)開(kāi)挖后監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移結(jié)果 cm

由表6可知，邊坡及時(shí)支護(hù)情況下各測(cè)點(diǎn)UY增量(豎向位移)與開(kāi)挖時(shí)間步和無(wú)支護(hù)情況下基本一致，但是邊坡開(kāi)挖后及時(shí)支護(hù)情況下各測(cè)點(diǎn)最終UY值(豎向位移)較未及時(shí)支護(hù)情況要小，也反映了邊坡開(kāi)挖后及時(shí)支護(hù)對(duì)穩(wěn)定邊坡減小豎向位移有重要意義。

3.3 及時(shí)支護(hù)后邊坡水平位移變化過(guò)程分析

在開(kāi)挖完第三步時(shí)，及時(shí)對(duì)坡體進(jìn)行支護(hù)，表7為支護(hù)后邊坡各測(cè)點(diǎn)水平位移隨開(kāi)挖步變化過(guò)程表。

表7 支護(hù)后邊坡分級(jí)開(kāi)挖后監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移結(jié)果 cm

由表7中結(jié)果可以得到，邊坡及時(shí)支護(hù)情況下各測(cè)點(diǎn)UX增量(水平位移)與開(kāi)挖時(shí)間步與無(wú)支護(hù)情況下基本一致，但是邊坡開(kāi)挖后及時(shí)支護(hù)情況下各測(cè)點(diǎn)最終UX(水平位移)值較未及時(shí)支護(hù)情況要小，也反映了邊坡開(kāi)挖后及時(shí)支護(hù)對(duì)穩(wěn)定邊坡減小水平位移有重要意義。

4 結(jié) 論

根據(jù)對(duì)改建邊坡分別在無(wú)支護(hù)和有支護(hù)情況下開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析，主要結(jié)論如下：

(1)采用開(kāi)挖后無(wú)支護(hù)方式開(kāi)挖邊坡，邊坡的安全系數(shù)隨著開(kāi)挖的進(jìn)行總體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，可見(jiàn)這種施工方法具有較大的潛在危險(xiǎn)。同時(shí)采用及時(shí)支護(hù)方式開(kāi)挖的邊坡安全系數(shù)在開(kāi)挖早期有所降低，但后期逐漸增加，因此這種方式對(duì)邊坡的穩(wěn)定性極為有利。

(2)對(duì)比計(jì)算分析無(wú)支護(hù)和有支護(hù)情況下對(duì)邊坡進(jìn)行分級(jí)開(kāi)挖，計(jì)算結(jié)果表明，開(kāi)挖過(guò)程中如果對(duì)坡體進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，坡體的水平位移最大值和豎直位移最大值均有所下降。

(3)研究開(kāi)挖過(guò)程中的邊坡變形規(guī)律及其穩(wěn)定性，尋求合理的開(kāi)挖支護(hù)方法及邊坡加固措施，對(duì)于確保擴(kuò)建邊坡工程的安全穩(wěn)定有著重要意義。

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