某高速公路順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)機(jī)理分析及加固措施研究

鐘衛(wèi)平

(江西省贛南公路勘察設(shè)計(jì)院， 江西 贛州 341000)

順層巖質(zhì)邊坡是巖層的傾角(傾向)小于邊坡坡面的傾角(傾向)的巖質(zhì)類邊坡[1-2]。我國多條公路出現(xiàn)過由于順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)引起的邊坡垮塌事故[3-4]，對行車安全和公路運(yùn)營造成了較大影響[5]。目前常用擋土墻、預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿框架梁、錨噴支護(hù)或抗滑樁等措施進(jìn)行邊坡治理和加固[6]。但利用抗滑鍵[7-9]對公路順層巖質(zhì)邊坡進(jìn)行病害治理的工程實(shí)例較少，其施工完成后的邊坡穩(wěn)定性需進(jìn)行跟蹤研究[10-13]。本文結(jié)合某高速公路邊坡垮塌災(zāi)害，利用抗滑鍵進(jìn)行邊坡防護(hù)，通過對比分析有限元計(jì)算和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)等對邊坡的失穩(wěn)機(jī)理和加固措施進(jìn)行了研究。

1 邊坡工程概況

1.1 工程概況

位于我國西南某省的高速公路路基寬度為26m，采用雙向四車道設(shè)計(jì)。其中K81+230～K81+510段為路塹開挖段，邊坡開挖坡比為1∶0.5，邊坡高度約為20～50m。此處屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，常年雨水較為充沛，年平均降雨量為1429.1mm。邊坡附近除了西側(cè)水田中有部分積水外，其它地方無表面給水。邊坡坡頂?shù)貏葺^為平坦，自然邊坡坡度介于10°和15°之間，邊坡大多被第四系土層覆蓋，在沖溝或山脊等處可以看到基巖出露，下伏基巖主要為砂巖和泥巖。

本邊坡于2019年9月12日發(fā)生垮塌，塌方量約為1500m3，最大垮塌體體積超過100m3，垮塌體主要為體塊較大的砂狀巖。經(jīng)過分析其垮塌原因?yàn)檫吰轮虚g部分砂巖由于受到節(jié)理裂隙切割，導(dǎo)致邊坡沿著泥巖面出現(xiàn)了崩塌類的邊坡失穩(wěn)。經(jīng)過垮塌后邊坡中間部分出現(xiàn)了厚度為9m左右的倒懸體。公路路塹邊坡坡面順著裂隙面出現(xiàn)了卸荷裂縫，并且在節(jié)理裂縫和砂巖層的共同切割作用下形成了隔離體，該隔離體有隨時(shí)垮塌的可能性。2019年9月12日5時(shí)左右，邊坡再次發(fā)生垮塌，此次塌方量約為2500m3，最大垮塌體體積超過150 m3，垮塌截面分布有卸荷裂隙，坡面上同樣存在幾處倒懸的危巖體，有進(jìn)一步失穩(wěn)的可能性。

為確保施工期間人員設(shè)備安全，首先對倒懸的危巖體進(jìn)行了清除爆破工作，在爆破清除過程中發(fā)現(xiàn)一條卸荷裂隙，其深度約為5m。雖然清除了倒懸的危巖體，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生邊坡的垮塌，但是由于邊坡失穩(wěn)造成的裂隙使得邊坡處于欠穩(wěn)定的狀態(tài)，在降雨或其它作用擾動(dòng)下，裂隙會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，一旦貫穿則會(huì)再次出現(xiàn)崩塌，因此應(yīng)進(jìn)行快速有效地對邊坡進(jìn)行治理。

1.2 加固措施

結(jié)合該現(xiàn)場情況，參照同區(qū)域類似工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過方案比選，本工程選用的加固措施為在邊坡坡腳處抗滑鍵，即“錨索+斜撐墻+抗滑樁”，具體如圖1所示。抗滑鍵埋深3m，全長9m，斷面形狀為圓形，半徑為1.0m。該方案可以快速有效地提高砂巖危巖體的安全性，保證邊坡的穩(wěn)定性，但為了邊坡穩(wěn)定和道路通行安全，需要對該邊坡進(jìn)行安全監(jiān)控，及時(shí)了解邊坡狀態(tài)。

圖1 公路路塹邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)及地質(zhì)地層信息圖Figure 1 Supporting structure and geological formation information map of highway cutting slope

1.3 邊坡監(jiān)測

分別對施工過程中和施工完成后進(jìn)行了變形監(jiān)測。其中施工過程中主要是為了實(shí)時(shí)獲取邊坡狀態(tài)，如發(fā)生數(shù)據(jù)異常及時(shí)采取施工人員撤離或其它應(yīng)急措施，保證施工人員的安全。在施工完成后進(jìn)行監(jiān)測，主要是為了對加固措施進(jìn)行評(píng)價(jià)，掌握邊坡實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，防止出現(xiàn)再次垮塌。本工程在邊坡的關(guān)鍵位置設(shè)置了3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 邊坡監(jiān)測點(diǎn)布置圖Figure 2 Layout of slope monitoring points

2 有限元模型的建立

為了研究該高速公路邊坡的失穩(wěn)機(jī)理和抗滑鍵加固效果評(píng)價(jià)，本文基于有限元軟件FLAC 3D[12-14]對施工抗滑鍵進(jìn)行了模擬分析，F(xiàn)LAC 3D憑借其功能豐富、結(jié)算結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)在巖土工程領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用[15-16]，本文建立的有限元軟件如圖3、圖4所示。

圖3 邊坡加固前的有限元模型Figure 3 Finite element model before slope reinforcement

圖4 邊坡加固后的有限元模型Figure 4 Finite element model after slope reinforcement

根據(jù)地勘報(bào)告等資料，文本采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)和邊坡土層的力學(xué)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of supporting structure內(nèi)摩擦角/(°)體力模量/GPa剪切模量/GPa泊松比抗拉強(qiáng)度/MPa粘聚力/MPa剛度/GPa·m-1 彈性模量/GPa錨索24.50———10 000200 10200斜撐墻34.45519.40313.60—1.351.86——抗滑樁10.00——0.3——130 80

表2 邊坡土層力學(xué)參數(shù)表Table 2 Mechanical parameters of slope soil layer內(nèi)摩擦角/(°)抗拉強(qiáng)度/MPa剪切模量/GPa體積模量/GPa切向剛度MPa·m-1 法向剛度MPa·m-1 粘聚力/MPa泥巖34.450.4026.4673.50——1.77砂巖43.781.3530.00100.00——5.36結(jié)構(gòu)面20.000.2924.50—10100.29

3 模擬和實(shí)測結(jié)果對比分析

3.1 加固前邊坡變形規(guī)律

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)可得3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的變形曲線如圖5所示。由圖5可知，3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)變形隨時(shí)間規(guī)律基本相同，均為先快速變大然后達(dá)到某一穩(wěn)定的位移值。監(jiān)測點(diǎn)1、2、3的實(shí)測穩(wěn)定位移值分別為12.6、13.2和28.0mm。結(jié)合現(xiàn)場設(shè)計(jì)情況分析可知，由于監(jiān)測點(diǎn)1處于泥巖地層和坡腳巖砂地層相接觸的位置，其受到泥巖和砂巖的約束，因此其位移值要比位于臨空面監(jiān)測點(diǎn)2的小。同理，監(jiān)測點(diǎn)3的位移值小于監(jiān)測點(diǎn)2。

對比現(xiàn)場實(shí)測值和有限元仿真結(jié)果可知，其兩者之間的誤差較小且變化規(guī)律相同，這也證明了有限元結(jié)算結(jié)果的可靠性。其不同點(diǎn)在于監(jiān)測點(diǎn)1和2的有限元仿真結(jié)果的位移為先急劇增大后減小而后急劇增大，而實(shí)測曲線沒有中間減小的過程。其原因?yàn)槟鄮r和砂巖所在的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切位移，當(dāng)該剪切位移持續(xù)發(fā)展并達(dá)到某一值時(shí)，由于FLAC 3D中有限元變形網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)面變形的進(jìn)程之間發(fā)生了相互抑制的作用[17]，從而產(chǎn)生了方向相反的位移，體現(xiàn)在位移曲線上即位移值減小。

(a) 測點(diǎn)1

(b) 測點(diǎn)2

(c) 測點(diǎn)3

雖然有限元計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示邊坡位移趨于某一穩(wěn)定值，但并不代表該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。由于邊坡的變形值較大，存在邊坡失穩(wěn)垮塌的可能性。尤其是順層巖質(zhì)邊坡在下部臨空，或者在降雨或其它作用的干擾下，容易發(fā)生急劇變形和垮塌。因此有必要對該邊坡采取相應(yīng)的加固措施。

3.2 抗滑鍵邊坡治理措施加固效果評(píng)價(jià)

3.2.1加固前后位移云圖對比分析

圖6和圖7分別為邊坡加固前后的位移云圖。由圖可知，加固前邊坡整體上存在豎直向下的位移，其中坡腳處的位移值較大，邊坡沿著土層結(jié)構(gòu)面位移變化較為明顯。邊坡加固后，邊坡的整體位移值明顯減小，由于在邊坡坡腳處設(shè)置了抗滑鍵，阻止了邊坡在坡腳處的變形，變形較大為位置主要集中在臨空面?？够I的設(shè)置有效阻止了結(jié)構(gòu)面的剪切位移，控制了邊坡的滑移變形。

圖6 加固前位移云圖Figure 6 Displacement cloud before reinforcement

圖7 加固后位移云圖Figure 7 Displacement cloud after reinforcement

3.2.2加固前后剪應(yīng)力云圖對比分析

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可得邊坡加固前后的應(yīng)力云圖如圖8和圖9所示。由圖可知，加固前邊坡在結(jié)構(gòu)面附近出現(xiàn)在應(yīng)力集中現(xiàn)象，尤其是邊坡坡腳處。加固后邊坡土體中各處均不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，說明了抗滑鍵起到了良好加固作用。

圖8 加固前剪應(yīng)力云圖Figure 8 Shear stress cloud before reinforcement

圖9 加固后剪應(yīng)力云圖Figure 9 Shear stress cloud after reinforcement

3.2.3邊坡加固后變形規(guī)律

圖10為加固后3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和有限元計(jì)算結(jié)果。由圖可知，3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的位移值隨著時(shí)間的變化規(guī)律基本一致，均為先變大而后趨于某一穩(wěn)定值，3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的最大位移值均較小，監(jiān)測點(diǎn)1、2、3的最大位移值實(shí)測值分別為1.05、1.86、2.67mm，可滿足安全要求，表明了抗滑鍵結(jié)構(gòu)起到了較為理想的邊坡加固效果。

(a) 測點(diǎn)1

(b) 測點(diǎn)2

(c) 測點(diǎn)3

4 結(jié)論

本文首先詳細(xì)介紹了該邊坡的工程背景和垮塌過程，提出了“錨索+斜撐墻+抗滑樁”邊坡治理方法，并對邊坡加固前和加固后進(jìn)行了位移監(jiān)測?；谟邢拊浖﨔LAC 3D建立了邊坡加固前后的有限元模型，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，邊坡加固前測點(diǎn)3的最大位移值已達(dá)到28.0mm，公路邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡發(fā)生再次垮塌的可能性較大。采用抗滑鍵加固后，邊坡的位移云圖由加固前的沿著結(jié)構(gòu)面變形變?yōu)檠刂R空面變形，未出現(xiàn)邊坡加固前結(jié)構(gòu)面附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象。加固后邊坡的最大位移值僅為2.67mm，表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，抗滑鍵取得了預(yù)期效果。