紅層軟巖高邊坡的時(shí)效變形特性

劉天翔， 杜兆萌， 程 強(qiáng)， 雷 航

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 成都 610041)

紅層主要是指外表紅色的碎屑巖沉積地層，主要沉積時(shí)代為三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)及第三紀(jì)，在中國(guó)西南地區(qū)、西北地區(qū)、中南及東南地區(qū)均有分布，尤其在四川盆地及其邊緣分布極為廣泛[1-3]。紅層具有特殊的工程性質(zhì)，紅層中的泥巖和泥質(zhì)粉砂巖類(lèi)多為軟巖，具有強(qiáng)度低、抗風(fēng)化能力差、透水性差，親水性強(qiáng)，浸濕后巖體強(qiáng)度降低，失水后容易產(chǎn)生崩解等特征，因此紅層邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題較顯著[4-5]，是有名的易滑地層[6]。

隨著西部大開(kāi)發(fā)建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，在西南紅層地區(qū)的邊坡工程問(wèn)題日益增多，許多學(xué)者對(duì)不同巖體結(jié)構(gòu)的紅層邊坡的變形機(jī)制和變形特征等進(jìn)行了深入研究。黃潤(rùn)秋等[7]、吉隨旺等[8]的研究認(rèn)為暴雨作用下即使近水平軟硬互層紅層邊坡也易產(chǎn)生滑移；史文兵等[9]結(jié)合離散元數(shù)值模擬研究了貴州平緩反傾紅層邊坡的變形破壞機(jī)制；楊旭等[10]通過(guò)相似模型試驗(yàn)研究了不同降雨條件下紅層邊坡的災(zāi)變過(guò)程及規(guī)律；趙建昌等[11]利用有限元方法，分析了紅層路塹高邊坡在不同開(kāi)挖坡比下應(yīng)力場(chǎng)的分布變化；王喚龍等[12]結(jié)合有限元分析研究了紅層邊坡的開(kāi)挖變形特征。

近年來(lái)，紅層地區(qū)邊坡工程的規(guī)模越來(lái)越大，所面臨的地質(zhì)和巖石力學(xué)問(wèn)題也更加復(fù)雜，邊坡穩(wěn)定性的時(shí)效問(wèn)題日益引人重視，很多紅層軟巖邊坡變形與失穩(wěn)破壞并不是即刻發(fā)生的，而是隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸醞釀、發(fā)展、最終完成的。也就是說(shuō)，紅層地區(qū)巖體在長(zhǎng)期服役環(huán)境下會(huì)發(fā)生蠕變、應(yīng)力松弛、應(yīng)變軟化等復(fù)雜變形行為，即紅層軟巖的時(shí)效變形特性，普遍存在于實(shí)際工程中。有不少學(xué)者針對(duì)紅層的時(shí)效變形進(jìn)行了研究。諶文武等[13]針對(duì)甘肅平硐紅層軟巖，通過(guò)單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，發(fā)現(xiàn)紅層軟巖存在顯著的蠕變特性，并且用Burgers本構(gòu)模型描述紅層軟巖的蠕變特性；楊淑碧等[14]、周翠英等[15]、吳益平等[16]和陳從新等[17]通過(guò)大量試驗(yàn)研究了紅層軟巖地區(qū)斜坡巖體的流變性質(zhì)，結(jié)果表明紅層軟巖在壓縮和剪切條件下的長(zhǎng)期強(qiáng)度相對(duì)較低，強(qiáng)度的時(shí)間衰減效應(yīng)顯著，基本統(tǒng)一認(rèn)為邊坡的失穩(wěn)破壞不僅涉及巖體的強(qiáng)度問(wèn)題，還與巖體的變形特性有很大的關(guān)系[18]。以往對(duì)紅層軟巖時(shí)效變形的研究大多采用模型試驗(yàn)的方式，而對(duì)紅層地區(qū)實(shí)際邊坡工程問(wèn)題的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和相應(yīng)防范措施等的研究大多未充分考慮紅層特殊的時(shí)效變形特性的影響，對(duì)紅層軟巖超高開(kāi)挖邊坡的時(shí)效變形特性的工程研究更是鮮有記錄。

以西南紅層山區(qū)某快速通道項(xiàng)目隧道改路基的深挖路塹100 m級(jí)高邊坡工程為例，利用有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法對(duì)紅層軟巖高邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和時(shí)效變形特性進(jìn)行了計(jì)算分析研究，為邊坡的加固設(shè)計(jì)及工后長(zhǎng)期效應(yīng)分析提供重要依據(jù)。

1 工程概況

擬建西南紅層山區(qū)某快速通道項(xiàng)目隧道改路基的深挖路塹高邊坡工程位于四川省雅安市，現(xiàn)有公路以隧道形式穿越山嶺，隧道最大埋深105 m，新建公路于現(xiàn)有隧道段擬采用明挖方式通過(guò)，深挖段沿路線長(zhǎng)度約520 m，開(kāi)挖后路線兩側(cè)將形成人工高邊坡，左側(cè)邊坡最高達(dá)95.7 m，右側(cè)邊坡最高達(dá)76.7 m。路基設(shè)計(jì)開(kāi)挖坡比為一級(jí)邊坡采用1∶0.75，二級(jí)及以上邊坡采用1∶1.0，每10 m高設(shè)一級(jí)寬度3 m的平臺(tái)，并在左側(cè)邊坡坡高50 m及右側(cè)邊坡坡高40 m處各設(shè)一級(jí)寬10 m的大平臺(tái)。典型剖面如圖1所示。

場(chǎng)地處于四川盆地盆西平原西部邊緣，屬構(gòu)造剝蝕作用形成的低緩丘陵間低山。場(chǎng)地內(nèi)地層以中生界白堊系上統(tǒng)灌口組地層(K2g)紫紅色泥巖夾少量砂巖為主，含芒硝和石膏，巖性較軟弱, 裂隙發(fā)育, 抗風(fēng)化力弱。

圖1 隧道深挖方邊坡典型剖面Fig.1 Typical section of deep excavated side slope of tunnel

工程區(qū)位于川滇南北構(gòu)造帶的東北緣，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育金雞關(guān)背斜。金雞關(guān)背斜屬南北向構(gòu)造，軸線走向?yàn)楸睎|10°～15°，向南偏轉(zhuǎn)南北向，紐向北傾伏，傾角8°～10°，核部地層為泥巖，兩翼對(duì)稱(chēng)，巖層傾角17°～30°。挖方深路塹主要處于背斜核部位置，故呈現(xiàn)出兩翼分別傾向北西和北東方向的特征。路線與背斜樞紐小角度相交或近平行，受構(gòu)造影響，巖體裂隙發(fā)育、巖體較破碎。開(kāi)挖邊坡巖層產(chǎn)狀及裂隙發(fā)育情況主要受背斜控制，左側(cè)挖方邊坡位于背斜北西翼，巖層產(chǎn)狀(300°～330°)∠(8°～20°)，局部受褶皺影響，巖層整體傾向與開(kāi)挖坡向相反，為逆向坡，一般傾角8°～18°，平均傾角15°。右側(cè)挖方邊坡位于背斜南東翼，近背斜核部，巖層產(chǎn)狀(50°～80°)∠(5°～12°)，橫斷面視傾角上反映為近水平產(chǎn)狀，略傾坡內(nèi)。

相較于之前學(xué)者研究較多的紅層順層邊坡變形破壞機(jī)理，研究主要針對(duì)該工程案例的反傾和近水平巖層紅層高邊坡的長(zhǎng)期時(shí)效變形問(wèn)題。

2 分析手段和計(jì)算模型

前人對(duì)紅層邊坡時(shí)效性變形特性的研究手段大多采用模型試驗(yàn)，但模型試驗(yàn)很難嚴(yán)格控制相似比，無(wú)法模擬實(shí)際工況，且成本過(guò)大、可重復(fù)性低。同時(shí)，傳統(tǒng)的穩(wěn)定性計(jì)算方法對(duì)于潛在滑移變形范圍、潛在滑面深度、位置尚不明確的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算和長(zhǎng)期時(shí)效變形分析還有較大的難度。因此，對(duì)于這類(lèi)復(fù)雜的紅層軟巖高邊坡的時(shí)效變形問(wèn)題，僅靠試驗(yàn)和傳統(tǒng)的計(jì)算方法是不夠的，應(yīng)該采用基于應(yīng)力-變形控制理論的數(shù)值分析方法來(lái)計(jì)算和分析更為準(zhǔn)確和合理[19]，既能有效解決邊坡潛在變形范圍、潛在滑面位置、深度等問(wèn)題，又可以通過(guò)蠕變模型分析計(jì)算得到邊坡開(kāi)挖完成時(shí)和經(jīng)歷多年運(yùn)營(yíng)后的長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)、位移及應(yīng)力變化等時(shí)效變形特性。因此，數(shù)值計(jì)算方法是研究紅層軟巖高邊坡時(shí)效變形的有效手段。

數(shù)值分析采用由Itasca公司研發(fā)的FLAC3D有限差分分析軟件，計(jì)算的幾何模型為西南紅層山區(qū)某隧道改路基的深挖路塹形成的兩側(cè)高邊坡，如圖2所示。計(jì)算模型中包括4種材料，分別為第四系坡殘積粉質(zhì)黏土層、開(kāi)挖區(qū)、泥巖、泥巖節(jié)理。模型中的節(jié)理裂隙單元是為在計(jì)算中表現(xiàn)巖層產(chǎn)狀與坡向組合對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響以及對(duì)邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定性和時(shí)效變形特性的影響而設(shè)置的。左側(cè)為巖層傾角10°的反傾巖質(zhì)邊坡，右側(cè)為巖層傾角為4°的近水平略傾坡內(nèi)巖質(zhì)邊坡。計(jì)算分析中材料選擇理想彈塑性本構(gòu)模型，屈服條件為經(jīng)典的摩爾庫(kù)侖模型，各區(qū)域所采用的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

為了實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)向，小車(chē)采用兩輪驅(qū)動(dòng)控制方式。電源選擇大功率大容量的鋰電池，以提供強(qiáng)大的續(xù)航能力。各模塊電路盡量減少面積，五路循跡傳感器安裝在小車(chē)靠前的部位，單片機(jī)控制系統(tǒng)安裝在車(chē)身中部，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊安裝在電機(jī)附近。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 開(kāi)挖后邊坡變形及應(yīng)力分布規(guī)律

圖3、圖4為主剖面在邊坡開(kāi)挖后，天然工況下邊坡坡體變形等值云圖。從圖3可以看出：①兩側(cè)開(kāi)挖邊坡水平位移方向是相反的，均表現(xiàn)為往臨空方向變形的趨勢(shì)；②兩側(cè)開(kāi)挖邊坡較大的水平位移均主要集中在坡體開(kāi)挖的中下部，尤其是坡腳位置，且右側(cè)邊坡更大，最大達(dá)43.19 cm；③從開(kāi)挖坡面向坡體內(nèi)部，x方向位移逐漸減小，到達(dá)一定深度后開(kāi)挖對(duì)水平位移的影響已可忽略不計(jì)；④左側(cè)邊坡的影響深度大于右側(cè)邊坡。從圖 4 可以看出，開(kāi)挖后的豎直方向即y方向位移部分為正值，這說(shuō)明位于邊坡坡腳的公路路基頂面巖體在開(kāi)挖后產(chǎn)生了卸荷回彈變形，最大回彈變形量達(dá)到31.4 cm。同時(shí)，兩側(cè)開(kāi)挖邊坡均有往豎向方向的下滑變形趨勢(shì)，體現(xiàn)在y方向位移為負(fù)值，最大向下豎向位移量達(dá)15.99 cm。綜合水平方向和豎直方向的位移計(jì)算結(jié)果來(lái)看，兩側(cè)邊坡開(kāi)挖后均表現(xiàn)為往臨空方向變形的趨勢(shì)，尤其是坡腳的變形較為明顯，但總體來(lái)說(shuō)開(kāi)挖后立即產(chǎn)生的變形量不大。

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Computational model

表1 巖土體的物理力學(xué)參數(shù)

圖3 開(kāi)挖后水平位移Fig.3 Horizontal displacement after excavation

圖4 開(kāi)挖后豎直位移Fig.4 Vertical displacement after excavation

圖5、圖6分別為開(kāi)挖后坡體內(nèi)的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D和塑性區(qū)分布圖，塑性區(qū)和剪應(yīng)變?cè)隽繋欠褙炌ㄍ瑯涌勺鳛榕袛嗾w是否穩(wěn)定的重要判據(jù)。由圖5、圖6可知，開(kāi)挖后進(jìn)入塑性區(qū)的位置與水平位移較大的區(qū)域基本吻合，水平位移較大的區(qū)域所產(chǎn)生的位移來(lái)自該區(qū)域達(dá)到屈服狀態(tài)之后的塑性變形，左側(cè)邊坡前緣有剪應(yīng)變?cè)隽繋Ш图羟兴苄詤^(qū)擴(kuò)展但未貫通，右側(cè)邊坡剪應(yīng)變?cè)隽繋Ъ八苄詤^(qū)呈現(xiàn)擴(kuò)展和斷續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，總體上剪應(yīng)變?cè)隽繋Ш退苄詤^(qū)未大面積貫通，邊坡開(kāi)挖后整體失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)較小，但存在坡腳應(yīng)力集中現(xiàn)象和坡腳巖體局部壓潰的風(fēng)險(xiǎn)。

利用數(shù)值模擬進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析是近年來(lái)巖土工程界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，達(dá)到極限狀態(tài)的判據(jù)公認(rèn)的方法有3種：計(jì)算不收斂判據(jù)[20]、塑性區(qū)貫通判據(jù)[21]和特征點(diǎn)位移突變判據(jù)[22]，采用計(jì)算不收斂判據(jù)計(jì)算得到折減至極限狀態(tài)的開(kāi)挖后邊坡的剪應(yīng)變?cè)隽考捌浞€(wěn)定系數(shù)圖，如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.07，整體屬于基本穩(wěn)定狀態(tài)，潛在滑面最大深度15 m。

3.2 長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后邊坡時(shí)效變形分析

受紅層特殊工程地質(zhì)特性的影響，紅層軟巖邊坡在其整個(gè)壽命期內(nèi)是一個(gè)逐漸“衰老”的過(guò)程，開(kāi)挖邊坡在運(yùn)營(yíng)5～10 a以后不斷劣化，常出現(xiàn)崩塌、滑坡等各種嚴(yán)重的地質(zhì)病害和安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，僅僅分析開(kāi)挖完成后的穩(wěn)定性和變形是不夠的，需要進(jìn)一步分析開(kāi)挖邊坡在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后的位移及應(yīng)力變化等時(shí)效變形特征，才能將最終的計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中，方可確保開(kāi)挖邊坡的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全。

圖5 開(kāi)挖后剪應(yīng)變?cè)隽康戎翟茍DFig.5 Contour of shear strain increment after excavation

圖6 開(kāi)挖后塑性區(qū)分布Fig.6 Distribution of plastic zone after excavation

圖7 折減至極限狀態(tài)開(kāi)挖后邊坡的剪應(yīng)變?cè)隽考胺€(wěn)定系數(shù)Fig.7 Shear strain increment and stability coefficient of slope after excavation reduced to limit state

研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是軟巖還是硬巖，都具有典型的長(zhǎng)期強(qiáng)度。硬巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度約為瞬時(shí)強(qiáng)度的83.7%～90%[23-25]。對(duì)于軟巖，其強(qiáng)度的時(shí)效特征更加明顯。程強(qiáng)等[26]通過(guò)樣品室內(nèi)剪切蠕變?cè)囼?yàn)研究了典型紅層軟巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度，建議其長(zhǎng)期強(qiáng)度取為短期強(qiáng)度的75%；張永安等[27]對(duì)滇中地區(qū)紅層泥巖進(jìn)行的室內(nèi)剪切蠕變?cè)囼?yàn)研究，分析了不同的法向正應(yīng)力下天然狀態(tài)與飽水狀態(tài)紅層泥巖的剪切蠕變特性，建議在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)將紅層泥巖短期強(qiáng)度乘以0.8～0.9的折減系數(shù)作為其長(zhǎng)期強(qiáng)度的取值；王志儉等[28]針對(duì)紅層軟巖的蠕變特性，進(jìn)行了一系列蠕變?cè)囼?yàn)，測(cè)得開(kāi)爾文剪切模量為1.42～2 GPa，開(kāi)爾文黏滯系數(shù)為36～264 GPa·h。諶文武等[13]通過(guò)一系列單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，獲得的開(kāi)爾文剪切模量為0.044～8.3 GPa，開(kāi)爾文黏滯系數(shù)為12～140 GPa·h。

計(jì)算所用蠕變參數(shù)即主要參考前人相關(guān)研究成果[26-28，13]，并結(jié)合了該地區(qū)紅層軟巖的長(zhǎng)期蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果進(jìn)行選取。計(jì)算采用廣義開(kāi)爾文蠕變本構(gòu)模型，紅層邊坡巖體長(zhǎng)期強(qiáng)度按短期強(qiáng)度的80%考慮，開(kāi)爾文剪切模量取2 GPa，開(kāi)爾文黏滯系數(shù)為40 GPa·h。

按20 a的蠕變期考慮，預(yù)測(cè)該邊坡在天然狀態(tài)下蠕變20 a后的變形情況。圖8為天然狀態(tài)下開(kāi)挖20 a后的水平和豎直方向位移。由圖8可以看出，20 a后左側(cè)坡體最大水平位移達(dá)到13.616 m，右側(cè)邊坡水平方向位移達(dá)到13.209 m，與開(kāi)挖后相比呈現(xiàn)出數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)。同樣，20 a后左側(cè)邊坡最大豎向位移達(dá)到8.153 m，右側(cè)邊坡最大豎向位移也達(dá)到了約6.5 m。總體來(lái)看，在蠕變條件即黏彈塑性狀態(tài)下，開(kāi)挖完成20 a后兩側(cè)邊坡的變形量大幅增長(zhǎng)，兩側(cè)邊坡均由基本穩(wěn)定轉(zhuǎn)為失穩(wěn)狀態(tài)。

圖8 20 a后水平、豎直方向位移Fig.8 Horizonta and vertical displacement 20 years later

圖9 20 a后的剪應(yīng)變?cè)隽康戎翟茍D Fig.9 Contour of shear strain increment 20 years later

圖10 20 a后塑性區(qū)分布Fig.10 Distribution of plastic zone 20 years later

由于蠕變過(guò)程是應(yīng)力不變條件下的應(yīng)變問(wèn)題，而目前數(shù)值模擬技術(shù)中的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法均將計(jì)算是否收斂作為是否穩(wěn)定的判據(jù)，蠕變條件不改變應(yīng)力狀態(tài)，故對(duì)收斂與否沒(méi)有影響，強(qiáng)度折減穩(wěn)定性分析沒(méi)有意義，故不做強(qiáng)度折減法穩(wěn)定性分析。

通過(guò)時(shí)效變形特征的分析計(jì)算，解決了傳統(tǒng)的極限平衡法計(jì)算無(wú)法解決的坡體潛在變形范圍、深度、潛在滑面位置、坡體位移及應(yīng)力變化等問(wèn)題。而且該段深挖路塹高邊坡在經(jīng)歷長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)之后，兩側(cè)邊坡往開(kāi)挖臨空面方向均發(fā)生了較大的位移和變形，剪應(yīng)變?cè)隽繋Ш退苄詤^(qū)從坡腳擴(kuò)展到了坡體中上部，形成了整體貫通性滑移面，蠕變特征明顯，總體來(lái)說(shuō)右側(cè)近水平巖層邊坡變形規(guī)模和變形深度等明顯大于左側(cè)反傾巖層邊坡。

3.3 支護(hù)后長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)邊坡時(shí)效變形分析

由于這類(lèi)紅層軟巖高邊坡開(kāi)挖后一般都需要經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)營(yíng)期，其長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)較大，時(shí)效變形分析結(jié)果也表明不能僅靠開(kāi)挖后計(jì)算得到的變形范圍、變形量、穩(wěn)定性等作為永久防護(hù)設(shè)計(jì)的依據(jù)，必須考慮其長(zhǎng)期穩(wěn)定性和時(shí)效變形問(wèn)題。該段紅層高邊坡最終預(yù)加固設(shè)計(jì)方案以上述分析結(jié)果為基礎(chǔ)，按照“固腳強(qiáng)腰”的設(shè)計(jì)理念，采用中下部框架錨索+中上部框架錨桿+坡腳抗滑樁為主的聯(lián)合支護(hù)措施對(duì)兩側(cè)邊坡進(jìn)行加固，以確保該段紅層軟巖高邊坡的長(zhǎng)期安全和穩(wěn)定。

如圖11為施加支護(hù)結(jié)構(gòu)后的邊坡計(jì)算模型，兩側(cè)邊坡一級(jí)平臺(tái)上各設(shè)一排抗滑樁，樁截面尺寸為2.0 m×3.0 m，間距6.0 m，樁長(zhǎng)20 m；坡面中下部框架錨索和中上部框架錨桿間距均為3.0 m×3.0 m，錨桿長(zhǎng)度9～24 m，錨索長(zhǎng)度15～30 m。

圖11 加支護(hù)工程的計(jì)算模型Fig.11 Computational model with supporting structure

圖12為天然狀態(tài)下增加上述支護(hù)工程20 a后開(kāi)挖邊坡的水平和豎直方向位移圖。由圖12可以看出，20 a后左側(cè)坡體最大水平位移僅1.240 cm，右側(cè)邊坡水平方向位移僅1.033 cm，與開(kāi)挖后未支護(hù)相比大大減小，坡體的時(shí)效變形得到有效控制，同樣，20 a后邊坡中的最大豎向位移也僅 1.221 cm。總體來(lái)看，在蠕變條件即黏彈塑性狀態(tài)下，增加支護(hù)工程20 a后的開(kāi)挖邊坡仍能保持穩(wěn)定，坡體的長(zhǎng)期變形得到了有效控制。

圖12 增加支護(hù)結(jié)構(gòu)20 a后水平、豎直方向位移Fig.12 Horizonta and vertical displacement 20 years later with supporting structure

圖13 增加支護(hù)結(jié)構(gòu)20 a后的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D Fig.13 Shear strain increment nephogram 20 years later with supporting structure

圖14 增加支護(hù)結(jié)構(gòu)20 a后塑性區(qū)分布Fig.14 Distribution of plastic zone 20 years later with supporting structure

圖13、圖14為天然狀態(tài)下增加支護(hù)工程20 a后開(kāi)挖邊坡的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D和塑性區(qū)分布。由圖13、圖14可以得出，20 a后剪應(yīng)變?cè)隽繋恢帽任醇又ёo(hù)工程的結(jié)果明顯偏淺，但剪應(yīng)變?cè)隽康臄?shù)值最大僅2.55%，說(shuō)明施加支護(hù)后，剪切變形極小，支護(hù)方案能有效控制坡體剪切變形，塑性區(qū)范圍與未加支護(hù)相比大為減小，特別是剪切塑性區(qū)得到有效控制，坡體整體屬于穩(wěn)定和安全的范圍。

對(duì)邊坡剛開(kāi)挖完成時(shí)、未加支護(hù)工程蠕變20 a和增加支護(hù)工程蠕變20 a這3種工況進(jìn)行了邊坡坡體時(shí)效變形分析計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了匯總和對(duì)比分析，如表2所示，相較于開(kāi)挖瞬時(shí)完成時(shí)，紅層地區(qū)高邊坡在長(zhǎng)期服役環(huán)境下會(huì)發(fā)生蠕變、應(yīng)力松弛、軟化破壞等復(fù)雜變形行為，其普遍存在于實(shí)際工程中，后期針對(duì)性的支護(hù)方案應(yīng)高度重視紅層軟巖高邊坡的時(shí)效變形問(wèn)題。

4 結(jié)論

受紅層特殊工程地質(zhì)特性的影響，紅層軟巖邊坡在其整個(gè)壽命期內(nèi)是一個(gè)逐漸“衰老”的過(guò)程，而以往對(duì)紅層地區(qū)實(shí)際邊坡工程問(wèn)題的研究大多未充分考慮紅層特殊的時(shí)效變形特性的影響。以西南紅層山區(qū)某快速通道項(xiàng)目隧道改路基的深挖路塹100 m級(jí)高邊坡工程為例，對(duì)紅層軟巖高邊坡的時(shí)效變形特性進(jìn)行了分析研究，得到以下主要結(jié)論。

表2 各工況計(jì)算結(jié)果匯總

(1)傳統(tǒng)的穩(wěn)定性計(jì)算方法無(wú)法根據(jù)紅層特性預(yù)判邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和時(shí)效變形特征，而采用基于應(yīng)力-變形控制理論的數(shù)值分析方法來(lái)計(jì)算和分析更為準(zhǔn)確和合理，能很好地計(jì)算和解決坡體潛在變形范圍、深度、潛在滑面位置、坡體位移及應(yīng)力變化等時(shí)效變形問(wèn)題。

(2)開(kāi)挖后，邊坡表現(xiàn)為往臨空方向變形的趨勢(shì)，坡腳的變形較為明顯，但剪應(yīng)變?cè)隽繋Ш退苄詤^(qū)未大面積貫通，總體來(lái)說(shuō)開(kāi)挖后立即產(chǎn)生的變形量不大，邊坡坡腳的公路路基頂面巖體發(fā)生的卸荷回彈變形基本都在開(kāi)挖后就已完成。

(3)在未支護(hù)的前提下，邊坡經(jīng)歷長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)和蠕變后，往臨空面方向發(fā)生了較大的變形和位移，變形量與開(kāi)挖后相比呈現(xiàn)出數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)，剪應(yīng)變?cè)隽繋Ш退苄詤^(qū)從坡腳擴(kuò)展到了坡體中上部，形成了整體貫通性滑移面，說(shuō)明在開(kāi)挖完成20 a后，在無(wú)工程支護(hù)狀態(tài)下，邊坡早已發(fā)生整體滑移失穩(wěn)，時(shí)效變形特征異常明顯。

(4)通過(guò)有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法建立的包含特殊節(jié)理裂隙單元的復(fù)雜數(shù)值模型，模擬分析了不同巖層產(chǎn)狀與坡向組合的邊坡在長(zhǎng)期時(shí)效變形和應(yīng)力狀態(tài)方面的差別，計(jì)算結(jié)果表明，在天然狀態(tài)下蠕變20 a后，近水平巖層邊坡變形規(guī)模和變形深度等明顯大于反傾巖層邊坡。

(5)在增加支護(hù)工程的前提下，20 a后坡體內(nèi)剪應(yīng)變?cè)隽繋恢帽任醇又ёo(hù)工程的結(jié)果明顯偏淺，位移和剪應(yīng)變?cè)隽繋?shù)值大幅降低，剪切塑性區(qū)大幅減小，說(shuō)明施加支護(hù)工程后，高邊坡的長(zhǎng)期變形得到了有效控制，基于時(shí)效變形分析的支護(hù)方案安全合理。

綜上所述，紅層軟巖高邊坡的時(shí)效變形特征明顯，實(shí)際工程中僅僅分析開(kāi)挖完成后的穩(wěn)定性和變形是不夠的，需要深入分析開(kāi)挖邊坡在長(zhǎng)期服役后的穩(wěn)定狀況、位移及應(yīng)力狀態(tài)等的變化，才能將最終的計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，方可確保開(kāi)挖邊坡的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全和穩(wěn)定。因此，蠕變特性明顯的紅層軟巖高邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定和時(shí)效變形問(wèn)題在今后實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)引起高度重視。