某高速公路多級(jí)邊坡穩(wěn)定性分析

(河北省高速公路石黃管理處，河北 石家莊 050006)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，高速建設(shè)步伐日益加快。在高速公路建設(shè)過(guò)程中，經(jīng)常遇到邊坡滑塌的情況，為了保障建設(shè)和運(yùn)行安全，需對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于邊坡穩(wěn)定性分析問(wèn)題，諸多學(xué)者進(jìn)行了很多有價(jià)值的探討和總結(jié)。邊坡穩(wěn)定性研究經(jīng)歷了由經(jīng)驗(yàn)到理論、由定性到定量、由單一到綜合評(píng)價(jià)、由傳統(tǒng)方法到新理論、新技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，取得了大量的研究成果?？傮w來(lái)說(shuō)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法主要包括極限平衡法、模型試驗(yàn)法、極限分析法、數(shù)值模擬法以及依據(jù)概率理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的各類模糊分析等方法[1]。孫超偉等[2]采用 Hoek-Brown 有限元強(qiáng)度折減法，提出一套求解 Hoek-Brown 準(zhǔn)則下巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)的穩(wěn)定性圖表。盧應(yīng)發(fā)等[3]提出了推移式和牽引式邊坡的多種破壞機(jī)理及推移式邊坡形式。李寧等[4]指出了現(xiàn)有穩(wěn)定性分析方法的優(yōu)劣性，提出了新的有限單元法求解邊坡穩(wěn)定性方法。史卜濤等[5]基于廣義插值物質(zhì)點(diǎn)法以及彈塑性土體模型，提出了物質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)度折減法，并用于邊坡穩(wěn)定性分析。韓龍強(qiáng)等[6]推導(dǎo)了 Hoek-Brown 破壞準(zhǔn)則中3個(gè)強(qiáng)度參數(shù)折減系數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。楊金旺等[7]針對(duì)順層巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，提出降強(qiáng)法與傾斜抬升超載法相結(jié)合的地質(zhì)力學(xué)模型綜合試驗(yàn)方法。陳國(guó)慶等[8]提出基于動(dòng)態(tài)和整體強(qiáng)度折減法的邊坡動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。肖銳鏵等[9]針對(duì)大型邊坡可能具有多個(gè)滑動(dòng)方向和多級(jí)滑動(dòng)面的特點(diǎn)，提出安全度分區(qū)的方法。趙煉恒等[10]基于能耗分析理論，采用不同邊坡綜合安全系數(shù)定義方式，根據(jù)虛功原理推導(dǎo)了安全系數(shù)的目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式。

在邊坡現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)方面，利用地質(zhì)雷達(dá)掃描巖質(zhì)邊坡內(nèi)部情況，探測(cè)碎裂帶、空洞等內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造，在邊坡加固和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)過(guò)程中常被采用，是目前邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的常規(guī)方法之一[11]。利用地質(zhì)雷達(dá)掃描巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以定性地了解邊坡結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，但由于邊坡的構(gòu)造非常復(fù)雜，采用定性的分析方法遠(yuǎn)不能判斷邊坡的實(shí)際穩(wěn)定狀態(tài)和潛在滑移面，因此，結(jié)合定量分析進(jìn)行綜合性評(píng)估是必要的。數(shù)值模擬分析法，相對(duì)于傳統(tǒng)的極限平衡法，具有很多優(yōu)點(diǎn)，采用數(shù)值模擬可以獲得邊坡內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律、塑性區(qū)、潛在滑移面等一些重要參量，并且可方便地分析不同對(duì)策措施下邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題[12]。

本文采用工程物探與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析此處邊坡的穩(wěn)定性，采用地質(zhì)雷達(dá)手段得到邊坡內(nèi)部巖體破碎程度，利用數(shù)值反演分析得到邊坡極限平衡法相關(guān)計(jì)算參數(shù)，綜合利用地質(zhì)雷達(dá)與數(shù)值模擬方法計(jì)算此處邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題，本次采用巖土工程應(yīng)用較為廣泛的Flac3D軟件進(jìn)行計(jì)算。

1 工程概況

選取六級(jí)半深路塹邊坡，中線最大挖方高度34 m，邊坡最大挖方高度約55 m。邊坡坡率自下到上依次為1∶0.5、1∶0.5、1∶0.5、1∶0.5、1∶0.5、1∶0.75、1∶1，每級(jí)邊坡高8 m，邊坡平臺(tái)寬2 m。邊坡整體巖性為混合巖，上部四、五、六級(jí)臺(tái)階存在大面積強(qiáng)烈變質(zhì)現(xiàn)象，巖體呈薄片狀，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體破碎，下部臺(tái)階巖體呈塊狀，主要兩組節(jié)理張開、無(wú)充填，膠結(jié)程度差，其傾角較大，走向與邊坡走向以小角度相交，易發(fā)生傾倒破壞和局部楔形體滑移。

2 邊坡工程物探分析

采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)物探掃描。地質(zhì)雷達(dá)是利用地下物質(zhì)介電常數(shù)的不同來(lái)探測(cè)地下目標(biāo)體的一種物探手段[13]。地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試采用點(diǎn)測(cè)法[14]，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的取樣點(diǎn)數(shù)為1 024，天線頻率為100 MHz，測(cè)試深度最大為15 m，主要測(cè)試對(duì)象為三級(jí)至六級(jí)臺(tái)階巖體，距離每級(jí)臺(tái)階底部約1.5 m高的位置處均布置一條測(cè)線。4個(gè)臺(tái)階的地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試波形圖見圖1～圖3。

圖1 三級(jí)臺(tái)階巖體地質(zhì)雷達(dá)波形圖

圖2 四級(jí)臺(tái)階巖體地質(zhì)雷達(dá)波形圖

圖3 五、六級(jí)臺(tái)階巖體地質(zhì)雷達(dá)波形圖

根據(jù)圖1～圖3的波形可知：

(1)在測(cè)線范圍內(nèi)，三級(jí)臺(tái)階雷達(dá)波形較平穩(wěn)，巖體結(jié)構(gòu)優(yōu)于四級(jí)、五級(jí)、六級(jí)臺(tái)階巖體，對(duì)于三級(jí)臺(tái)階而言，測(cè)線中部巖體質(zhì)量差于兩側(cè)巖體；

(2)四級(jí)、五級(jí)、六級(jí)臺(tái)階巖體較破碎，由雷達(dá)反射波可知，由坡面至15 m深度范圍內(nèi)的反射波振幅較大且具有連續(xù)性，表明15 m范圍內(nèi)的巖體破碎程度與坡面巖體接近，因此，可判斷測(cè)線范圍內(nèi)四級(jí)、五級(jí)、六級(jí)臺(tái)階巖體在距離坡面至少15 m深度范圍內(nèi)的巖體仍為風(fēng)化嚴(yán)重、完整性差、強(qiáng)度較低的破碎巖體。

3 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析

3.1 強(qiáng)度準(zhǔn)則的選擇

數(shù)值模型采用Hoek-Brown準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。Hoek-Brown準(zhǔn)則綜合考慮巖塊強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)等多種因素的影響，能夠更好地反映巖體的非線性破壞特征，已被巖土工程的學(xué)者們廣泛應(yīng)用到裂隙巖體的穩(wěn)定性分析中。廣義的Hoek-Brown準(zhǔn)則的表達(dá)式為

(1)

式中，mb為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)m的值，m反映巖石的軟硬程度，其取值范圍在0.000 000 1～25之間，對(duì)嚴(yán)重?cái)_動(dòng)巖體取0.000 000 1，對(duì)完整的堅(jiān)硬巖體取25；s反映巖體破碎程度，其取值范圍在0～1之間，對(duì)破碎巖體取0.0，對(duì)完整巖體取1.0；α為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，取值范圍在0.5～0.6之間，塊狀巖體取0.5，破碎巖體取0.6；σc表示巖塊的飽和單軸抗壓強(qiáng)度。

3.2 計(jì)算剖面的選取

選取垂直坡面的剖面作為計(jì)算剖面，剖面位置見圖4。參照實(shí)際邊坡建立數(shù)值計(jì)算模型，共分為六級(jí)臺(tái)階，每級(jí)邊坡高度為8.0 m，臺(tái)階寬度均為2.0 m，從下至上每級(jí)臺(tái)階的坡率分別為1∶0.5、1∶0.5、1∶0.5、1∶0.5、1∶0.5、1∶0.75、1∶1。計(jì)算剖面見圖5。

圖4 計(jì)算剖面位置

圖5 計(jì)算剖面單元網(wǎng)格

3.3 計(jì)算參數(shù)的獲取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查情況可知邊坡巖塊用手可掰斷，為強(qiáng)風(fēng)化巖體，巖體破碎，為軟巖，基本巖體質(zhì)量級(jí)別為V級(jí)。V級(jí)巖體的重力密度小于22.5 kN/m3，變形模量小于1.3 GPa，泊松比大于0.35，軟巖的單軸抗壓強(qiáng)度在5～15 MPa[4]。根據(jù)廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則中巖體參數(shù)取值規(guī)則，此處巖體破碎，巖塊之間嵌固松散，α取0.6，s取值為0。因此，主要反演的參數(shù)為mb、巖體抗壓強(qiáng)度和變形模量。

圖6 最大剪應(yīng)變?cè)茍D和位移矢量

經(jīng)過(guò)反演得到巖體參數(shù)如下：巖體密度為2 250 kg·m-3，彈性模量為210 MPa，泊松比為0.36，σc=14.5 MPa，mb=0.35，s=0，α=0.6。按照此參數(shù)計(jì)算得到的邊坡最大剪應(yīng)變?cè)茍D和位移矢量見圖6。由圖6可知，邊坡穩(wěn)定性受到影響主要為第二、三、四、五、六級(jí)及以上臺(tái)階，四、五、六級(jí)臺(tái)階不穩(wěn)定體的影響范圍自下至上依次分別是18.9 m、22.4 m、21.5 m，與地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)結(jié)果一致，說(shuō)明反演參數(shù)可靠。

3.4 治理措施分析

根據(jù)以上反演的巖體參數(shù)進(jìn)行治理方案分析，治理方案考慮普通錨桿加固巖體，錨固參數(shù)如為：錨桿選用直徑為25 mm，采用HRB335螺紋鋼筋，注漿體為M25砂漿，鉆孔直徑為90 mm，水泥漿與螺紋鋼筋粘接強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取2.1 MPa，巖體與注漿體界面粘接強(qiáng)度取280 kPa，錨桿與水平面夾角取20°，二、三級(jí)臺(tái)階錨桿長(zhǎng)度取12 m，縱、橫向間距為1.2 m，四、五、六級(jí)臺(tái)階采取長(zhǎng)短相間的布置形式，較長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度為22 m，橫向間距為1.3 m，豎向間距為2.6 m，較短錨桿的長(zhǎng)度為16 m，橫向間距為1.3 m，豎向間距為2.6 m。

基于以上參數(shù)得到的最大剪應(yīng)變?cè)茍D見圖7，位移云圖見圖8，安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖9。由圖7～圖9可知，錨桿可以較好地約束住坡體的塑性應(yīng)變和位移，治理措施有效。

圖7 治理后最大剪應(yīng)變?cè)茍D

圖8 治理后位移變?cè)茍D

圖9 治理后安全系數(shù)

4 結(jié)論

采用現(xiàn)場(chǎng)物探與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析邊坡的穩(wěn)定性是非常有效的方法，能夠滿足工程需要。本次采用地質(zhì)雷達(dá)手段得到邊坡內(nèi)部巖體破碎程度，利用數(shù)值反演分析得到邊坡極限平衡法相關(guān)計(jì)算參數(shù)，綜合利用地質(zhì)雷達(dá)與數(shù)值模擬方法計(jì)算此處邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題，得到以下結(jié)論。

(1)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果表明，三級(jí)臺(tái)階雷達(dá)波形較平穩(wěn)，巖體結(jié)構(gòu)優(yōu)于四級(jí)、五級(jí)、六級(jí)臺(tái)階巖體，四、五、六級(jí)臺(tái)階的破碎巖體范圍不小于15 m深度。

(2)通過(guò)數(shù)值反演分析方法得到，不穩(wěn)定體的影響范圍從第二級(jí)臺(tái)階起，四、五、六級(jí)臺(tái)階不穩(wěn)定體的影響范圍自下至上依次分別是18.9 m、22.4 m、21.5 m，與地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)結(jié)果一致，反演參數(shù)可靠。

(3)所采用的錨桿支護(hù)方案進(jìn)行邊坡支護(hù)可以較好地約束坡體的塑性應(yīng)變和位移，治理方案有效。