不同拓寬模式下路塹邊坡開挖應(yīng)力特性分析

王成軍，郝耀虎

（1.山西交通控股集團有限公司 晉城高速公路分公司，山西 晉城 048000；2.山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

山區(qū)高速公路進行改擴建勢必要對原有路塹邊坡進行二次開挖，開挖過程中會對現(xiàn)狀邊坡造成不同程度的擾動，破壞原穩(wěn)定狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，可能會造成邊坡的失穩(wěn)破壞。因此，開展改擴建情況下邊坡的風(fēng)險變形規(guī)律及其穩(wěn)定性分析，尋求并優(yōu)化合理的開挖施工方法及變形控制措施有著重要的理論和現(xiàn)實意義。

高文靜[1]等以云南小龍高速公路改擴建工程為依托，對不同開挖時序下典型巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性進行了分析，并依據(jù)相關(guān)結(jié)論進行了優(yōu)化設(shè)計；閆強[2]等運用離心模型以及數(shù)值分析等方法開展了高速公路高邊坡改擴建開挖過程穩(wěn)定性研究，分析了不同開挖支護時序?qū)吰掳踩禂?shù)、應(yīng)力、位移等的影響；劉運思等[3]通過數(shù)值模擬手段對不同邊坡施工工序進行了分析，得出的結(jié)論表明：邊坡開挖一級支護一級最有利于邊坡的施工穩(wěn)定性。

在均質(zhì)土邊坡或類均質(zhì)土邊坡中，土體的失穩(wěn)破壞主要模式為危險滑裂面處的應(yīng)力突破土體自身抗剪強度，從而造成土體的剪切滑移。路基拓寬方式各有不同，施工工序的差異直接影響邊坡二次開挖過程中的穩(wěn)定性。因此，開展不同開挖形式下坡體剪應(yīng)力分布情況研究，對路塹邊坡改擴建的設(shè)計、施工具有一定的理論和實踐意義。

1 路塹邊坡拓寬模式

路塹邊坡在公路改建過程中的拓寬模式主要有以下兩類[4-6]：a）保持原有邊坡坡率不變或略微放緩坡率，根據(jù)新路基設(shè)計對原邊坡進行整體開挖。在開挖過程中需采取支護措施，以確保開挖穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)如圖1a所示；b）保持原邊坡上部坡率及位置不變，對邊坡下部進行開挖從而使得路幅變寬。這種開挖形式減少了對坡體的擾動面積，但是由于下部開挖導(dǎo)致邊坡變陡，需要根據(jù)實際情況，增加設(shè)置擋墻或錨固措施等，實現(xiàn)對邊坡的保護，其結(jié)構(gòu)如圖1b、圖1c所示。

圖1 路塹邊坡拓寬模式示意圖

2 模型建立

本文采用midas軟件，對路塹邊坡二次開挖施工過程進行分析，探究不同拓寬形式下邊坡坡體最大剪應(yīng)力特征。

邊坡自上而下土層依次為坡積亞黏土、殘積黏性土、砂土狀強風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強風(fēng)化花崗巖、弱風(fēng)化花崗巖。坡腳附近為殘積層與砂土狀強風(fēng)化層分界處，基巖頂面距離邊坡刷方線較遠，各地層巖土物理和力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)表

巖土體材料特性按均質(zhì)彈塑性考慮，采用MC屈服準則。邊坡穩(wěn)定性分析采用強度折減法。建立均質(zhì)或似均質(zhì)土坡模型如圖2所示，模型表面設(shè)置為自由邊界，左右兩側(cè)邊界限制其水平方向的位移，底部取固定邊界，約束其向兩側(cè)移動。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

首先對模型進行初始地應(yīng)力平衡，位移清零。然后進行開挖模擬，開挖過程由上而下逐級開挖，共挖7個臺階。具體工況見表2，其中等坡比開挖模擬各級坡率均為1∶0.75，單級坡高6 m，平臺寬度從上往下依次為：3 m、4 m、3 m、4 m、3 m、3 m，坡高42 m；工況2中，第1級～第3級邊坡采用比原坡比1∶0.75更陡坡率1∶0.5進行刷坡，到第4級邊坡進行局部削坡，與原坡體順接。原第5級到第7級坡體維持舊坡體結(jié)構(gòu)不變，第1級坡體施作抗滑擋墻；工況3首先在第2級邊坡平臺施抗滑樁，而后開挖第2級坡體，再施作抗滑樁錨索，最后開挖第1級邊坡。采用比原坡比1∶0.75更陡坡率1∶0.5進行刷坡，到第4級邊坡進行局部削坡，與原坡體順接。采用該拓寬方式時，原第3級到第7級坡體維持舊坡體結(jié)構(gòu)不變。

表2 計算工況表

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了揭示均質(zhì)或似均質(zhì)土坡開挖變形破壞機理，在總結(jié)均質(zhì)或似均質(zhì)土坡坡體結(jié)構(gòu)與工程特點的基礎(chǔ)上，采用有限元軟件進行此類邊坡開挖數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究分析其開挖變形特征與破壞規(guī)律。

3.1 等坡比開挖過程坡體最大剪應(yīng)力

如圖3所示為分別開挖完7個臺階后，坡體最大剪應(yīng)力分布圖。

圖3 應(yīng)力分布

綜合相關(guān)計算成果，從剪應(yīng)力變化過程分析如下：邊坡開挖前，最大剪應(yīng)力沿深度方向呈線性分布，其等值線在縱向分布較為均勻；開挖前兩級時，由于坡體頂部荷載減小，坡體內(nèi)應(yīng)力場發(fā)生偏轉(zhuǎn)，剪應(yīng)力向坡腳集中，但此時量值較小，邊坡整體未產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)；4～5級邊坡開挖時，坡腳剪應(yīng)力集中程度進一步增強，且應(yīng)力量值明顯增大；開挖4級坡時，坡頂一定范圍內(nèi)發(fā)育有最小主應(yīng)力負值區(qū)，坡頂存在受拉區(qū)。此外，開挖坡腳時也出現(xiàn)零星最小主應(yīng)力負值區(qū)，坡腳同樣具有受拉特征。

綜上，邊坡開挖過程中，坡腳產(chǎn)生明顯的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，且隨著不斷開挖沿坡腳逐步向上延伸發(fā)展，最終在坡體中產(chǎn)生似圓弧狀剪切和拉伸混合的條帶，即“剪拉帶”。

3.2 變坡比+弱支擋形式坡體最大剪應(yīng)力

從原始斜坡直至本次拓寬，邊坡坡體最大剪應(yīng)力分布隨施工過程變化如圖4、圖5所示。

圖4 變坡比+弱支擋坡體剪應(yīng)力分布

圖5 擋墻應(yīng)力分布云圖

最大剪應(yīng)力極值位于邊坡右下角，幾乎不受邊坡拓寬施工影響。拓寬第1級邊坡及施作擋墻時最大剪應(yīng)力值均發(fā)生在第1坡腳處；最小剪應(yīng)力除運營邊坡出現(xiàn)在第1級下平臺處（路基頂面）外，其余工況均位于開挖坡表面，且位于坡體上部靠近坡頂部位。

從圖中可看出，水平方向內(nèi)側(cè)墻腳承受最大壓應(yīng)力，外側(cè)墻腳承受最大拉應(yīng)力，且墻體約66%范圍承受-610～73 kPa應(yīng)力。豎直方向內(nèi)側(cè)墻腳承受最大拉應(yīng)力，外側(cè)墻腳承受最大壓應(yīng)力，且墻體約63%范圍承受-540～210 kPa應(yīng)力。最大剪應(yīng)力約1 300 kPa，出現(xiàn)在兩側(cè)墻腳部位。

3.3 坡腳開挖+強支擋形式坡體最大剪應(yīng)力

邊坡坡體最大剪應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 坡腳開挖+強支擋剪應(yīng)力分布圖

從最大剪應(yīng)力云圖分布可看出，在邊坡開挖以前，最大剪應(yīng)力沿深度呈均勻分布；開挖2～1級，開挖坡腳出現(xiàn)明顯的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，且量值較大；此外，開挖坡腳局部出現(xiàn)零星最小主應(yīng)力負值區(qū)，體現(xiàn)坡腳局部區(qū)域的受拉特征，安全系數(shù)也隨之降低。支護完畢后安全系數(shù)提高至1.51，坡體處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過對不同開挖形式下路塹邊坡施工過程進行非線性數(shù)值分析，得到邊坡整體的最大剪應(yīng)力分布特征，研究表明：

a）邊坡開挖過程中，坡腳產(chǎn)生明顯的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，且隨著不斷開挖沿坡腳逐步向上延伸發(fā)展，最終在坡體中產(chǎn)生似圓弧狀剪切和拉伸混合的條帶。

b）擋墻最大剪應(yīng)力約1 300 kPa，出現(xiàn)在兩側(cè)墻腳部位。水平方向內(nèi)側(cè)墻腳承受最大壓應(yīng)力，外側(cè)墻腳承受最大拉應(yīng)力；豎直方向內(nèi)側(cè)墻腳承受最大拉應(yīng)力，外側(cè)墻腳承受最大壓應(yīng)力。

c）開挖過程中坡腳存在局部最小主應(yīng)力負值區(qū)，即坡腳局部存在受拉特征。