開挖方式對緩傾紅層邊坡穩(wěn)定性的影響

劉洪瑜 張玉芳 李嘉明 侯李杰 李健

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國礦業(yè)大學（北京）能源與礦業(yè)學院，北京 100083）

云南地區(qū)在高速公路邊坡施工時，時常遇到紅層。其巖性以砂巖、泥巖、頁巖為主，巖性組合以互層為特征，具有透水性弱、親水性強、遇水軟化失水崩解、強度低的特點［1］。在緩傾紅層邊坡開挖施工時，由于坡腳失去支撐，邊坡極易沿緩傾面發(fā)生滑塌［2-3］。

本文以云南一邊坡為例，分析該邊坡結(jié)構特征，建立簡化的緩傾紅層邊坡模型，計算分析不同開挖高度、開挖角度、開挖進尺下邊坡穩(wěn)定性，探討最優(yōu)開挖方式組合，并分析該組合下緩傾紅層邊坡的變形特征［4-7］。

1 邊坡模型概況

1.1 工點概況

所研究的邊坡位于楚雄至大理高速公路沿線，全長141.527 m。設計方案為4級邊坡，坡體高31.6 m，一、二級邊坡設計坡率為1∶0.75，三、四級為1∶1.00。邊坡設計如圖1所示。

路塹邊坡位于構造剝蝕中山地貌區(qū)。該地區(qū)山巒疊嶂，谷地錯落，山脊一般狹長平緩，起伏較大。局部有陡峭孤峰，地形切割深度較深，山體坡度多在30°～45°。地表植被較好，多為針闊混交林。

圖1 邊坡設計

1.2 地層巖性

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆探揭露結(jié)果，該區(qū)段分布的地層巖性自上而下為：

1）粉質(zhì)黏土?；液稚?，硬塑，局部含風化角礫碎塊，含量約8%～10%。干強度中等，韌性差，刀切面無光澤。表層40 cm厚含植物根系。

2）強風化泥質(zhì)砂巖。紫紅色，砂質(zhì)結(jié)構，層狀構造，母巖成分以石英、長石、云母為主，含少量泥質(zhì)成分。節(jié)理裂隙較發(fā)育。巖芯多呈塊狀，塊徑一般3～10 cm。巖體易碎，錘擊易散，遇水易軟化分解。

3）中風化泥質(zhì)砂巖。青灰色，砂質(zhì)結(jié)構，層狀構造，主要礦物成分為石英、長石等。巖芯多呈塊狀，塊徑一般3～8 cm。節(jié)理裂隙發(fā)育。巖芯風化痕跡明顯。

4）中風化砂巖。紫紅色，砂質(zhì)結(jié)構，層狀構造，主要礦物成分為石英、長石等。巖芯多呈柱狀，塊徑一般8～30 cm，局部碎塊狀，塊徑一般3～8 cm。節(jié)理裂隙較發(fā)育，約2～3條/m。

1.3 水文地質(zhì)條件

地下水以松散層孔隙水和基巖裂隙水為主，孔隙水主要賦存于第四系砂卵石層、黏性土、碎石土層中，多以潛水形式出現(xiàn)，水量甚微；基巖裂隙水賦存于砂巖、泥巖的節(jié)理裂隙中，地下水水位較深，主要由大氣降水及周圍地表水入滲補給。

2 計算模型

2.1 緩傾紅層邊坡特征分析

該邊坡上部強～中風化泥質(zhì)砂巖與下部砂巖強度相對較高。中部黃綠色泥質(zhì)砂巖夾層強度較低，且風化痕跡明顯。邊坡上部、下部的巖塊強度對邊坡穩(wěn)定性有影響但不起控制作用。黃綠色泥質(zhì)砂巖軟弱夾層（圖2）的抗剪強度很低，對邊坡穩(wěn)定性起控制作用。

圖2 黃綠色泥質(zhì)砂巖夾層

該邊坡巖層產(chǎn)狀為NW80°/SW25°，層面為傾向臨空面的緩傾結(jié)構面，對邊坡穩(wěn)定性也起一定的控制作用。

2.2 簡化模型

通過分析，該邊坡坡體為三層結(jié)構，上下層為強度較大的巖層，中部為軟弱夾層。層面傾角25°，傾向坡外。以此特征［8］建立簡化模型如圖3所示。

圖3 簡化模型

2.3 模型參數(shù)

結(jié)合相關試驗與經(jīng)驗參數(shù)，并依據(jù)現(xiàn)有坡面的既有工程和實際情況確定巖土參數(shù)，見表1。

表1 計算斷面巖土參數(shù)及主滑段反算指標參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

3.1 開挖高度對坡體穩(wěn)定性的影響

分析開挖高度h=20，30，40 m 時坡體穩(wěn)定性［9］，不同開挖高度坡體總位移見圖4。可知，坡體位移主要發(fā)生在中部夾層以上，隨著坡體開挖高度的增加，坡體位移逐漸減小，但當開挖高度達到中部夾層以下時，坡體位移不再發(fā)生明顯變化。開挖高度為20 m時，坡體最大位移為277 mm；開挖高度為30，40 m 時，坡體最大位移保持在223 mm。

圖4 不同開挖高度坡體總位移（單位：m）

不同開挖高度時坡體最大主應力見圖5?？芍孩倨麦w上部應力曲線近似水平。②進入坡面后曲線發(fā)生彎曲，總體仍與坡面近似平行，但局部發(fā)生應力集中，而且隨著開挖高度的增加應力集中程度也有所增加。③在坡腳附近，不同開挖高度對應力影響較大。開挖高度20 m 時，坡腳應力曲線保持與坡腳平行；開挖高度30 m 時，坡腳應力曲線彎曲程度加大，進一步產(chǎn)生應力集中；開挖高度40 m 時，坡腳應力重新分布。

圖5 不同開挖高度坡體最大主應力（單位：MPa）

為了確定開挖高度增加對坡體穩(wěn)定性的影響程度，對未開挖和開挖后的坡體安全系數(shù)進行分析。

開挖高度對坡體穩(wěn)定性的影響度見表2?？芍?，隨著開挖高度增加，其對坡體穩(wěn)定性的影響逐漸變大，但是單位開挖高度對坡體穩(wěn)定性的影響逐漸減弱。當開挖高度達到30 m 以上時，中部夾層完全露出后，坡體安全系數(shù)保持不變。

表2 開挖高度對坡體穩(wěn)定性的影響度

3.2 開挖角度對坡體穩(wěn)定性的影響

分析開挖角度θ=63°，45°，34°時坡體穩(wěn)定性，坡體總位移見圖6。可知，開挖角度為63°時，坡體位移最大，其值為170 mm，隨著開挖角度的減小，坡體位移總體上也逐漸減?。黄麦w變形區(qū)域均為開挖區(qū)域，說明開挖對坡體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

圖6 不同開挖角度時坡體總位移（單位：m）

不同開挖角度時坡體最大主應力見圖7?？芍?，坡體應力曲線總體上與坡面保持平行，但是隨角度增加，應力曲線彎曲程度增大，導致開挖區(qū)域出現(xiàn)應力集中的情況，從而導致其穩(wěn)定性降低，產(chǎn)生破壞。在開挖角度較大時坡體穩(wěn)定性較低，開挖角度較小時穩(wěn)定性增強。

圖7 不同開挖角度時坡體最大主應力（單位：MPa）

開挖角度為34°，45°，63°時，坡體安全系數(shù)分別為2.04，1.10，0.83。隨著開挖角度的增加，坡體的安全系數(shù)逐漸降低。

3.3 開挖進尺對坡體穩(wěn)定性的影響

分析開挖進尺d=45，55，65 m時坡體穩(wěn)定性，坡體總位移見圖8。可知，隨著坡體開挖進尺的增加，坡體位移主要發(fā)生在中部夾層以上區(qū)域，但是坡體位移先增大后減小。開挖進尺為45，55，65 m 時，坡體最大位移分別為89.93，177.87，132.94 mm。

圖8 不同開挖進尺時坡體總位移（單位：m）

不同開挖進尺時坡體最大主應力見圖9?？芍?，隨著坡體開挖進尺的增加，坡體應力曲線彎曲程度逐漸減小，應力集中也逐漸減小，坡體穩(wěn)定性增強。

圖9 不同開挖進尺坡體最大主應力（單位：MPa）

開挖進尺為 45，55，65 m 時，坡體安全系數(shù)為1.04，1.14，1.50。隨著開挖進尺的增加，坡體安全系數(shù)逐漸增加。

3.4 影響因素綜合分析

各因素中對安全系數(shù)影響最大的參數(shù)值分別為開挖高度20 m、開挖角度θ=34°、開挖進尺65 m，將其作為組合工況進行開挖穩(wěn)定性分析。坡體位移及最大主應力見圖10。可知，組合工況下坡體變形依舊集中在中部夾層以上，最大位移為191 mm，坡體應力曲線與坡面平行，且在斜坡區(qū)域未發(fā)生較大彎曲，說明未發(fā)生明顯的應力集中，坡體較穩(wěn)定。

圖10 坡體位移及最大主應力

在開挖高度、開挖角度、開挖進尺3種影響因素中保持某單一因素取值不變，分析其另外兩因素對坡體穩(wěn)定性的影響。經(jīng)計算可知，坡體穩(wěn)定性受開挖高度、開挖角度、開挖進尺3種因素的綜合影響，在開挖高度一定、開挖角度減小、開挖進尺增大時，坡體安全系數(shù)增加，由1.25增加到1.53；在開挖角度一定、開挖高度減小、開挖進尺增大時，坡體安全系數(shù)減小，由2.04減小到1.53；在開挖進尺一定、開挖高度減小、開挖角度減小時，坡體安全系數(shù)增加，由1.50增加到1.53。

4 結(jié)論

1）隨著開挖高度的增加坡體穩(wěn)定性逐漸下降，但是當開挖高度達到中部夾層以下時，坡體穩(wěn)定性不再發(fā)生變化。這是由于隨著開挖高度的增加，坡體應力集中程度增加，穩(wěn)定性降低，但是由于坡體受力變形主要集中在中部夾層以上區(qū)域，增加夾層下部開挖高度并未對坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯影響。

2）隨著開挖角度增加，坡體穩(wěn)定性逐漸降低。這是由于角度增加導致坡體臨空面角度增加，坡體破壞程度加大。

3）隨著開挖進尺增加，坡體穩(wěn)定性逐漸增加。這是由于進尺增加導致坡體中部夾層以上區(qū)域逐漸減小，在發(fā)生變形破壞時其影響程度也相應減弱。

4）單一影響因素取值不變，改變另外兩種因素取值，導致坡體夾層露出位置、坡體臨空面角度、夾層上部區(qū)域面積改變，坡體穩(wěn)定性受到三者的綜合影響。