典型路塹高邊坡開挖變形機制及應(yīng)對措施研究

任東偉，李 波，曾亮亮，郭 斌，張 朔

(1.云南省交投公路建設(shè)第五工程有限公司，云南 昆明 650200；2.云南鎮(zhèn)清高速公路建設(shè)指揮部，云南 臨滄 677000；3.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

隨著我國西南區(qū)域高速公路網(wǎng)“五縱五橫一邊兩環(huán)二十聯(lián)”規(guī)劃布局的提出，西南區(qū)域的高速公路建設(shè)進入了飛速發(fā)展階段，但實際工程中，由于工程地質(zhì)復(fù)雜、多山體、高海拔等因素的掣肘，許多路段需要通過開挖高陡路塹邊坡實現(xiàn)，而高陡路塹邊坡開挖變形及支護對邊坡整體穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響[1-6]。目前高陡路塹邊坡設(shè)計只是通過簡單的極限平衡方法對已成型的邊坡進行穩(wěn)定性計算，且施工多憑經(jīng)驗，往往忽視了在開挖過程中邊坡的變形破壞過程[7-9]，多數(shù)情況下都是發(fā)現(xiàn)問題解決問題，存在一定的危險性且影響工期，費時費力。因此，對于典型路塹邊坡開挖變形破壞機制的研究以及在施工過程中如何保證路塹高邊坡的穩(wěn)定性是工程中亟需解決的技術(shù)難題[10-15]。

為了研究典型路塹高邊坡開挖變形破壞機制及應(yīng)對措施，本文以鎮(zhèn)康至耿馬高速公路回龍寨服務(wù)區(qū)路塹深挖高邊坡為研究對象，采用大型商用軟件FLAC3D數(shù)值模擬等方法，研究開挖所造成的典型路塹高邊坡變形破壞過程，并通過施做加固措施研究其對高邊坡變形破壞的干預(yù)作用。

1 工程概況

1.1 工程簡介

鎮(zhèn)康(南傘)至耿馬(清水河)高速公路(簡稱鎮(zhèn)清高速公路)回龍寨服務(wù)區(qū)地處剝蝕溶蝕中山丘陵緩坡地貌，植被稀疏，地形較緩，植被茂盛，主要以甘蔗、灌木叢為主。上覆殘坡積黏土、粉質(zhì)黏土。未見基巖出露，周邊未見崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象。路塹深挖高邊坡位于鎮(zhèn)清高速K9+700.000—K9+992.931左側(cè)，挖方長度約136.58 m，中線最大挖深為52.07 m，形成邊坡最大高度約129.78 m。

K9+700.000左側(cè)深挖路塹邊坡為7級高邊坡，坡高約68 m，其中七級坡至五級坡的坡率為1∶1.00，四級坡和三級坡坡率為1∶0.75，二級坡和一級坡坡率為1∶0.50，從上至下依次開挖。K9+700.000左側(cè)深挖路塹邊坡防護橫斷面圖詳見圖1。

圖1 左側(cè)深挖路塹邊坡防護橫斷面圖

根據(jù)勘察設(shè)計資料確定各級邊坡土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，詳見表1。

表1 各次級邊坡巖土力學(xué)參數(shù)表

1.2 工程現(xiàn)狀及潛在安全問題

K9+700.000左側(cè)第五級邊坡于2019年2月開挖，在第五級邊坡防護時，坡頂甘蔗地清理后，發(fā)現(xiàn)4條裂縫，裂縫寬度分別約為15 cm、10 cm、10 cm、5 cm，裂縫長度分別約為70 m、65 m、50 m、25 m。坡頂后方45 m處存在220 kV高壓輸電塔，若邊坡處理不當(dāng)將威脅高壓鐵塔穩(wěn)定性。坡頂構(gòu)筑物及坡體現(xiàn)狀見圖2。

2 路塹高邊坡開挖變形破壞機制

2.1 計算模型及邊界條件

為探討開挖過程中路塹高邊坡變形破壞機制以

圖2 坡頂構(gòu)筑物與坡體現(xiàn)狀

及應(yīng)對措施的有效性，在開挖設(shè)計的基礎(chǔ)上建立三維有限差分計算模型，采用大型商業(yè)軟件FLAC3D仿真模擬高邊坡開挖以及錨索體加固。計算模型如圖3所示，模型邊界范圍為：模型坡腳至右邊界的距離為15.0 m，坡頂至左邊界的距離為46.0 m，模型高度為88.5 m，其中邊坡高度為68.0 m，坡底至模型底部的高度為20.5 m，模型寬度為4 m。模型采用六面體網(wǎng)格劃分，考慮模型計算效率及精度，保證最大網(wǎng)格尺寸為2.0 m，共計30 528個單元以及39 075個節(jié)點。本構(gòu)模型選取理想彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則為摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。邊界條件為兩側(cè)施加法向約束，底部施加固定約束。邊坡材料參數(shù)詳見表1。

圖3 計算模型示意圖

2.2 實際開挖方案及開挖過程數(shù)值模擬

鎮(zhèn)清高速K9+700.000左側(cè)深挖路塹高邊坡從上到下依次采用臺階式放坡開挖，每10 m設(shè)置一臺階寬度為2 m的臺階平臺。其中第七級邊坡坡高約8 m，開挖后采用4束公稱直徑為15.2 mm的單根長25 m錨索框格梁防護。第六級坡坡高10 m，開挖后采用 4束15.2型單根長25 m錨索框格梁防護。第五級坡坡高10 m，開挖完成后進行邊坡防護時發(fā)現(xiàn)4條裂縫，發(fā)現(xiàn)問題后及時進行了停工和坡腳反壓措施，裂縫已采取注漿密封和薄膜覆蓋防水，且第六級第五級已加強，每條豎梁中間增加一根6束15.2型單根長42 m錨索。為更好的模擬實際開挖過程分析,邊坡開挖變形機制以及為后續(xù)開挖工作提供安全保障，本文首先在FLAC3D中定義本構(gòu)關(guān)系，并賦予各層邊坡巖土體材料性質(zhì)，經(jīng)初始地應(yīng)力平衡檢查模型的響應(yīng)特征后通過移除相應(yīng)坡層的單元體模擬實際邊坡開挖卸荷過程并進行求解，并在數(shù)值模擬中建立Cable單元模擬預(yù)應(yīng)力錨索施加過程，根據(jù)實際情況對錨索自由段及錨固段賦予參數(shù)并施加預(yù)應(yīng)力。

2.3 數(shù)值模擬開挖計算結(jié)果分析

2.3.1 塑性區(qū)分析

利用FLAC3D模擬邊坡開挖過程，根據(jù)對路塹高邊坡開挖過程中不同開挖步對應(yīng)的塑性區(qū)變化情況分析，七級坡和六級坡在開挖過程中，塑性區(qū)以剪切塑性區(qū)為主，其范圍主要集中于坡腳及坡面位置并向坡面一定深度內(nèi)延伸。六級坡開挖完成后，坡腳處臨空面出現(xiàn)一定范圍張拉破壞單元，考慮是坡體開挖卸荷后引起的土體回彈所造成。隨著邊坡開挖深度的加大，坡腳處巖體的支撐作用被逐漸弱化，剪切塑性區(qū)不斷發(fā)育并形成貫通區(qū)，二級坡開挖完成后，近坡面的淺層剪切塑性區(qū)與坡頂處的拉張塑性區(qū)已完全貫通，坡頂出現(xiàn)張拉塑性區(qū)，說明坡頂一定范圍內(nèi)出現(xiàn)張拉作用。一級坡開挖完成后，剪切塑性區(qū)從二級邊坡坡腳處至坡頂處的張拉塑性區(qū)貫通，并貫穿坡體形成連通區(qū)域，形成貫通的滑裂面。一級坡在坡腳處剪切塑性區(qū)增加，邊坡將發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2.3.2 應(yīng)力應(yīng)變分析

圖4為開挖過程中不同開挖步對應(yīng)的最大剪應(yīng)變分布變化情況。從最大剪應(yīng)變增量云圖可以看出，開挖卸荷導(dǎo)致每一級邊坡開挖后均在坡腳位置出現(xiàn)剪應(yīng)變集中。根據(jù)云圖結(jié)果顯示，七級坡開挖完成后最大剪應(yīng)變增量為7.545 2×10-4，主要集中在七級坡腳位置。六級坡開挖完成后最大剪應(yīng)變增量為1.153 9×10-3，主要集中在六、七級坡腳并向六級坡腳下部延伸。從五級坡開挖開始，剪應(yīng)變集中區(qū)域逐漸擴大，并逐漸向坡體上部延伸形成剪切面，最大剪應(yīng)變增量為1.267 3×10-3。第一級坡開挖完成后，出現(xiàn)4個潛在剪切滑動面，最大剪應(yīng)變增量為6.701 8×10-3。剪入口位于在坡頂后方13 m～26 m處，剪出口分別位于五級坡、四級坡、三級坡、二級坡坡腳處，滑裂面深度在6 m～20 m范圍內(nèi)。剪切滑動面的發(fā)育過程表現(xiàn)為首先從各次級邊坡坡腳處產(chǎn)生剪切變形，隨著開挖深度的加大，剪切變形逐漸向坡頂以及坡體內(nèi)延伸擴展，在下部開挖卸荷完成后，各次級坡剪切變形形成連通區(qū)域，并貫穿坡體。

2.3.3 變形分析

通過數(shù)值模擬邊坡開挖位移場變化可以直觀了解開挖過程中邊坡的變形過程。圖5為開挖過程中不同開挖步對應(yīng)的最大水平位移變化情況。

從最大水平位移云圖可以看出，在開挖各級邊坡時，坡腳處的水平位移相較于坡體其他位置來說位移最大。根據(jù)云圖結(jié)果顯示，七級坡開挖完成后最大水平位移為0.46 mm，最大水平位移主要集中在七級坡坡腳處。六級坡開挖完成后最大水平位移為0.75 mm，最大水平位移主要集中在六級坡腳以及坡體內(nèi)部。五級坡開挖完成后最大水平位移為2.27 mm，最大水平位移集中在五級坡腳處。四級坡開挖完成后最大水平位移為3.52 mm，最大水平位移集中在五級坡坡面附近。三級坡開挖完成后最大水平位移為4.48 mm，最大水平位移集中在四級坡及五級坡位置。在開挖完成后，水平位移主要集中在近坡面區(qū)域，且和內(nèi)部區(qū)域有明顯的分界面，其分界面同塑性區(qū)和應(yīng)變集中區(qū)一致。最大水平位移區(qū)域主要集中在四級坡和五級坡，最大水平位移為36.53 mm。隨著開挖深度的增大，邊坡最大水平位移從0.46 mm增加至36.50 mm。

圖4 最大剪應(yīng)變增量云圖揭示的邊坡變形破壞機制

圖5 水平位移云圖揭示的邊坡變形破壞機制

3 邊坡加固建議

為避免直接開挖導(dǎo)致路塹高邊坡失穩(wěn)破壞，本文根據(jù)上述高陡邊坡開挖變形破壞機制分析，在原設(shè)計加固方案的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計。采用框格梁+預(yù)應(yīng)力錨索的支護方法可以有效控制邊坡變形并提高邊坡穩(wěn)定性。

結(jié)合工程實際，選擇采用4種不同類型的錨索，分別編號為L1、L2、L3、L4，其中L1為10束15.2型單根長35 m錨索，L2為10束15.2型單根長42 m錨索，L3為4束15.2型單根長25 m錨索，L4為6束15.2型單根長25 m錨索。錨索入射角θ=20°，格梁規(guī)格50 cm×50 cm，錨索水平及豎向間距均為3.0 m。錨索參數(shù)見表2，計算模型見圖6。

為探討加固措施優(yōu)化的有效性，經(jīng)商用軟件計算分別對加固前和加固后的塑性區(qū)、應(yīng)力應(yīng)變以及邊坡變形的情況進行對比分析。

在塑性區(qū)方面，圖7為坡體全部開挖完成后未施加錨索和施加錨索的塑性區(qū)對比圖，從圖7中可以看出，施加預(yù)應(yīng)力錨索框格梁可以有效減少開挖對坡體內(nèi)部的擾動，剪切塑性區(qū)范圍大幅減小，僅在近坡面附近一定深度內(nèi)產(chǎn)生塑性變形區(qū)。

表2 錨索參數(shù)設(shè)置一覽表

圖6 預(yù)應(yīng)力錨索格梁邊坡加固模型

圖7 開挖后塑性區(qū)云圖對比

在應(yīng)力應(yīng)變方面，圖8為坡體全部開挖完成后未施加加固措施和施加加固措施的最大剪應(yīng)變增量對比圖，邊坡加固后的最大剪應(yīng)變增量由6.7×103降低至1.5×103，滑裂面的深度以及范圍有所縮小，并逐漸向近坡面靠近，對坡體內(nèi)部的擾動也有所降低，其剪入口位于坡體后方11 m～17 m處，剪出口位于五級坡和四級坡坡腳處。

圖8 開挖后最大剪應(yīng)變增量云圖對比

在坡體變形方面，圖9為坡體全部開挖完成后未施加加固措施和施加加固措施的水平位移對比圖，從圖9中可以看出，施加預(yù)應(yīng)力錨索框格梁可以有效的控制坡體的水平位移，未加固時最大水平位移為36.5 mm，加固后最大水平位移為7.8 mm，開挖完成后的最大水平位移減少了78.6%，有效的控制了坡體的整體位移，增強了坡體的整體穩(wěn)定性，降低了邊坡發(fā)生整體破壞的風(fēng)險。

圖9 開挖后水平位移云圖對比

4 結(jié) 論

本文通過結(jié)合鎮(zhèn)清高速回龍寨服務(wù)區(qū)路塹高邊坡工程，研究典型路塹高邊坡開挖變形破壞機制，并通過提出加固方案對比分析，主要得出以下結(jié)論：

(1) 高陡路塹邊坡的失穩(wěn)與坡體開挖卸荷有密切的聯(lián)系，開挖卸荷會導(dǎo)致坡體一定范圍內(nèi)塑性區(qū)、應(yīng)力場、位移場的重新分布，滑裂面形成以及坡體破壞是一個發(fā)育過程并非一蹴而就。

(2) 隨著開挖深度的逐漸增加，各級坡面剪切塑性區(qū)不斷發(fā)育并形成貫通區(qū)。各次級邊坡坡腳處產(chǎn)生剪切變形，剪切變形逐漸向坡頂以及坡體內(nèi)延伸擴展并逐漸連通，形成貫通的滑裂面。隨著坡體被不斷刷方卸荷，水平位移逐漸增大，坡體逐漸失穩(wěn)破壞。

(3) 通過采用預(yù)應(yīng)力錨索框格梁的加固措施方式可以有效的減小剪切塑性區(qū)范圍并阻斷各次級邊坡剪切-張拉塑性區(qū)貫通的趨勢。