黃土高邊坡施工過程變形特性分析

溫 軍

（山西交通科學(xué)研究院集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國交通建設(shè)的迅猛發(fā)展，越來越多的公路和鐵路建設(shè)在黃土高原地區(qū)，而黃土地區(qū)特有的塬、梁、峁地形條件，使得黃土高邊坡開挖的變形及穩(wěn)定性問題得到了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。

文獻(xiàn)[1]采用FLAC3D對不同開挖級數(shù)和開挖深度工況下邊坡穩(wěn)定性和變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，但分析工況與黃土邊坡每級平臺的實際開挖高度相差較大。文獻(xiàn)[2]通過有限元強度折減法對邊坡施工工序進(jìn)行數(shù)值分析，得出的結(jié)論表明：邊坡施工開挖一級支護一級對邊坡的穩(wěn)定性最好。文獻(xiàn)[3]采用數(shù)值和監(jiān)測相結(jié)合的手段，對比了天然、開挖未支護及支護加固3種工況對高邊坡穩(wěn)定性的影響。

邊坡在設(shè)計階段主要是以安全系數(shù)作為評價邊坡穩(wěn)定性的主要指標(biāo)。在工程實踐中，對高邊坡要求進(jìn)行施工監(jiān)測來保證施工安全，另一方面反饋并優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。邊坡變形監(jiān)測是對邊坡施工過程的動態(tài)穩(wěn)定性最直觀的反映[4-8]。但變形監(jiān)測是以邊坡變形量為指標(biāo)，以安全系數(shù)為指標(biāo)的穩(wěn)定性評價體系對邊坡監(jiān)測方案的制定以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析的指導(dǎo)意義存在缺陷。因此，對邊坡施工過程的動態(tài)變形進(jìn)行分析和研究，可為邊坡實體工程施工過程監(jiān)測提供指導(dǎo)，對公路邊坡的設(shè)計、施工和運營維護均具有一定的理論和實踐意義。

本文依托高速公路黃土高邊坡典型斷面為研究對象，采用GEO/SIGMA有限元軟件，對黃土高邊坡的開挖全過程進(jìn)行非線性施工階段分析，探究施工影響下黃土高邊坡的位移響應(yīng)特征。

1 工程概況

研究對象為祁離高速黃土高邊坡段落，里程K88+010—K89+800，該段地處黃土中低山區(qū)梁茆地貌，地形起伏較大，坡體自然坡角最大約為40°。

根據(jù)地質(zhì)勘察和調(diào)繪成果，邊坡范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有影響場地穩(wěn)定性的不良地質(zhì)存在，挖方范圍內(nèi)以粉土、粉質(zhì)黏土為主，為土質(zhì)高邊坡。邊坡土體由上至下依此為第四系上更新統(tǒng)粉土、中更新統(tǒng)離石組粉質(zhì)黏土、粉土。

邊坡按8 m分級，坡度分別為：第一級和第二級邊坡坡度為1∶0.75，第三級至第六級邊坡坡度為1∶1。平臺寬窄交替設(shè)置，寬平臺16 m，窄平臺4 m。施工采取逐級開挖、逐級防護方式。

2 模型建立

根據(jù)邊坡工程的實際狀況，采用GEO/STUDIO中對SIGMA模塊進(jìn)行建模分析，邊坡的計算模型如圖1所示。該段邊坡典型斷面，坡高約70 m。計算模型長310 m，高120 m。水平為x方向，坡體臨空面為x正方向；豎向為y方向，向上為正方向。坡體地層根據(jù)地勘資料劃分，材料參數(shù)根據(jù)地勘資料結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行選取，模型各項材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)表

約束條件：模型的表面為自由邊界，底部為固定邊界條件，兩側(cè)為法向位移約束邊界條件。

圖1所示為邊坡的2D模型網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格橫向跨度為310 m，豎向為120 m。右側(cè)為邊坡臨空面。

圖1 模型網(wǎng)格劃分

數(shù)值分析時，首先進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，位移清零。然后開始進(jìn)行開挖，從坡頂?shù)狡履_逐一進(jìn)行臺階開挖。共分為6個臺階。計算工況如表2所示。

表2 計算工況表

在每級平臺選取一特征點，該特征點位置一般為施工監(jiān)測時所選取的監(jiān)測點位置，通過對邊坡開挖全過程各監(jiān)測點位移變化規(guī)律的模擬分析，同時還可為高邊坡施工過程監(jiān)測方案的制定和變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析提供理論指導(dǎo)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過對黃土高邊坡的開挖全過程進(jìn)行模擬，得到位移場、應(yīng)力場分布規(guī)律。

3.1 開挖過程位移場分布規(guī)律

如圖2所示為開挖完第6臺階后，坡體豎向位移等值線圖。

圖2 第6臺階開挖坡體豎向位移等值線圖

由圖2可知，第6臺階開挖后，應(yīng)力釋放，該平臺地表發(fā)生了隆起現(xiàn)象，第6級坡面發(fā)生向臨空面?zhèn)认蛭灰疲恐岛苄?，約6 mm，該量值影響范圍已擴散到第4臺階。垂直深度約24 m。

如圖3所示為開挖完第3臺階后，坡體豎向位移等值線圖。

圖3 第3臺階開挖坡體豎向位移等值線圖

由圖3可知，隨著開挖臨空面的增大，平臺地表隆起位移極值增加到3 cm，豎向位移量值以第3級平臺中心為圓心，呈圓弧狀向四周擴散衰減。

如圖4所示為開挖完最后一個臺階，坡體豎向位移等值線圖。

圖4 第1臺階開挖坡體豎向位移等值線圖

由圖4可知，邊坡開挖完成后，除第1平臺發(fā)生了1.2 cm的地表隆起外；第2級～第3級坡面為水平向臨空面位移，約2.7 cm和3.4 cm；第4級～第6級坡面為沿坡面斜向下位移，約2.2 cm。

3.2 開挖過程特征點位移分析

如圖5所示為開挖過程中坡體各特征點位移變化曲線。

從圖5a可看出，開挖前4個平臺，各特征點水平位移變化不大，差異也較小，量值在10 mm以內(nèi)波動。第5平臺開挖完畢后，水平位移增幅較大，增幅最大為平臺3，從-7 mm增大到41 mm。增幅最小為坡頂和平臺1，分別從-4 mm和3 mm增大到6 mm。第6平臺開挖完畢后，除平臺1和平臺3有減小外，其余均為增大，但增幅有所回落。

從圖5b可看出，豎向變形均為先向上隆起而后向下沉降。變形方向轉(zhuǎn)折點基本發(fā)生在開挖本級平臺。沉降值最大點為坡頂，最大值發(fā)生在邊坡開挖完成后。隆起值最大點為平臺3，發(fā)生在開挖第3平臺后，第2平臺和第1平臺特征點極值也發(fā)生在該工況。第4和第5平臺隆起極值均發(fā)生在開挖本級平臺。

圖5 坡體各特征點位移變化曲線

綜述可看出，開挖至第3平臺（工況4）時，坡體呈現(xiàn)之前工況不同的變形規(guī)律。

3.3 坡體應(yīng)變分布規(guī)律

如圖6為各工況最大剪應(yīng)變等值線圖，選取部分代表性工況，其他類似。

圖6 各工況坡體最大剪應(yīng)變等值線圖

由圖6可看出，各級平臺開挖完成后，應(yīng)變集中在各級平臺的坡腳處，且隨著開挖向整個坡體坡腳的推進(jìn)，應(yīng)變量值增大。

在開挖第3級平臺時，除本級平臺坡腳范圍發(fā)生應(yīng)變集中外，第2級平臺頂部未開挖土體也發(fā)生了部分應(yīng)變集中。對比圖5中平臺3特征點出現(xiàn)的位移突變，分析與該點處應(yīng)變集中有關(guān)，而該點除為兩工況分界點外，同時又是兩個地層的分界點，可能也與材料屬性的突變有關(guān)。

4 結(jié)論

通過對在建的黃土高邊坡施工全過程進(jìn)行非線性數(shù)值分析，得到邊坡整體的位移場和應(yīng)變場響應(yīng)特征，研究表明：

a）各級平臺開挖完成后，應(yīng)變集中在各級平臺的坡腳處，且隨著開挖向整個坡體坡腳的推進(jìn)，應(yīng)變量值增大。

b）邊坡開挖過程中，坡體豎向變形均為先向上隆起而后向下沉降。變形方向轉(zhuǎn)折點基本發(fā)生在開挖本級平臺。

c）對邊坡變形進(jìn)行分析，除常規(guī)整體位移分析外還可結(jié)合應(yīng)變進(jìn)行局部分析，更有利于找到邊坡變形最不利位置。