考慮砂巖殘余強度的二元結構深挖路塹邊坡穩(wěn)定性分析

葉帥華, 樊黎明, 時軼磊

(1. 蘭州理工大學 甘肅省土木工程防災減災重點實驗室, 甘肅 蘭州 730050; 2. 蘭州理工大學 西部土木工程防災減災教育部工程研究中心, 甘肅 蘭州 730050)

在中國西部地區(qū)高等級公路的建設過程中出現(xiàn)了大量的邊坡工程，這類邊坡工程往往具有縱斷面長、橫斷面寬、坡高極高、工程量巨大的特點，因此在施工及后期運營過程中常常會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，對國家財產(chǎn)和人民生命安全帶來嚴重威脅.許多學者針對我國西部地區(qū)邊坡工程中出現(xiàn)的問題進行了研究，謝永利等[1]通過離心機試驗與有限元軟件模擬全面分析了黃土公路階梯狀高路塹邊坡的變形發(fā)展過程、破壞特征及其穩(wěn)定性.王玉峰等[2]以觀音堂隧道進口明洞段黃土高邊坡為實例，利用離心機試驗對黃土高邊坡在無支護、全斷面土釘支護、上部土釘下部預加固樁復合支護模式下的穩(wěn)定性展開研究，并分析了各類支護形式對黃土邊坡的加固效果.朱彥鵬等[3]采用FLAC 3D有限差分程序對黃土地區(qū)隧道進口段進行三維動態(tài)施工分析，研究了不同開挖方式對洞口未支護及已支護邊坡的的影響.王鄧峮等[4]針對黃土地區(qū)常見的土釘復合錨桿支護結構建立附加應力作用下邊坡的穩(wěn)定性分析模型從而區(qū)分了土釘與預應力錨桿的作用.谷天峰[5]則通過不排水動三軸試驗模擬了列車荷載對黃土邊坡的變形過程和穩(wěn)定性的影響.葉帥華等[6]采用集中質量法并考慮預應力錨桿動力特性建立了框架-預應力錨桿-土體系統(tǒng)在地震作用下的動力計算模型，并基于此模型分析了格構錨桿支護邊坡的地震響應.

雖然對西部地區(qū)邊坡工程的研究已取得了許多成果，然而這些研究多數(shù)是針對西部地區(qū)黃土邊坡的研究.隨著西部經(jīng)濟建設的發(fā)展和需要，公路向山區(qū)縱深發(fā)展，使得路塹邊坡開挖深度越來越大，在公路修建過程中出現(xiàn)大量黃土-砂巖二元結構邊坡 ，這在甘肅省的公路建設工程中體現(xiàn)得尤為明顯.目前，對紅層邊坡工程所展開的研究多集中于我國南方，對甘肅地區(qū)公路工程中出現(xiàn)的砂巖邊坡工程研究較少，其研究內容也僅限于對紅層邊坡的變形監(jiān)測[7].但是近年來在甘肅地區(qū)由砂巖引起的工程病害卻相當嚴重，以G316線甘肅省境內稍子坡段為例，該標段全長為6 km，公路路基全為第三系紅砂層軟巖，路基完工后發(fā)生7處大型滑坡[8].因此，對甘肅省境內涉及砂巖層的公路而言，其關于邊坡穩(wěn)定性的研究就顯得尤為迫切.

目前，在公路路塹邊坡支護設計及其穩(wěn)定性分析中，對于巖土體材料是應該采用殘余強度還是峰值強度并沒有明確的結論.大多數(shù)學者認為采用材料的殘余強度進行支護和穩(wěn)定性分析過于保守，然而，王騎虎[8]在對甘肅紅層力學性質全面研究的基礎上，認為應采用巖體殘余強度對覆蓋型紅層邊坡進行穩(wěn)定性分析.文獻[9，10]在對砂巖力學性質進行深入研究后指出砂巖的力學性質與其應力水平、圍壓的加卸載速度密切相關.王瑞紅等[11]在研究卸荷對砂巖力學參數(shù)的影響及卸荷過程中巖體力學參數(shù)的變化規(guī)律時指出，與加載破壞相比，卸荷破壞時巖樣強度對圍壓更為敏感.陳曉平[12]通過對一實際軟巖邊坡的穩(wěn)定性分析，指出此類邊坡的設計與分析必須考慮卸荷松弛所導致的土體強度的衰減.由此可見對于深挖砂巖路塹邊坡，其巖土材料強度參數(shù)的選取仍是一個值得探討的問題.本文將以蘭永一級公路K35+000～150標段失穩(wěn)黃土-砂巖二元結構高邊坡為背景，基于邊坡的極限平衡狀態(tài)采用GeoStudio巖土有限元軟件分別采用峰值強度及殘余強度對該邊坡的穩(wěn)定性進行分析，并在殘余強度的基礎上對采用框架預應力錨桿加固后該邊坡的穩(wěn)定性進行分析，以便為今后甘肅紅層地區(qū)的公路建設提供參考.

1 邊坡工程概況

1.1 地形地貌特征

蘭永一級公路項目地處隴西黃土高原的西北部，是黃土高原與青藏高原的過渡地帶，區(qū)內溝谷縱橫，地形起伏較大，大部分地區(qū)為黃土覆蓋，山區(qū)一般為基巖出露.其中K35+000～150標段所處區(qū)域地貌形態(tài)為黃土丘陵，屬霧宿山余脈，山體陡峭，植被稀少，侵蝕強烈，溝谷相間，溝壁較陡、谷底狹窄.基底為白堊系紅色粘土巖、砂巖和砂礫巖；局部受斷層影響，出露前震旦系片巖、中上奧陶統(tǒng)變質安山巖、千枚巖及變質砂巖以及侵入石英閃長巖，上覆黃土.

1.2 工程地質條件

根據(jù)地質調查，K35+000～150標段右側深挖路塹邊坡為砂巖上覆黃土邊坡，開挖坡體地層可分為四層，自上而下分別為：1) 上更新統(tǒng)風積黃土，可塑—硬塑狀，土質均勻，孔隙多見，具強濕陷性；2) 下伏為沖積黃土，黃褐色，干燥，硬塑狀，土質均勻；3) 沖積礫石層，青灰色，稍密—中密，砂土填充，厚3～6 m；4) 下白堊統(tǒng)河口群砂巖，紫紅色，泥質膠結，成巖性較好.

1.3 氣候與水文條件

該公路項目所經(jīng)地區(qū)為永靖和蘭州.永靖位于內陸中緯地帶，大陸性氣候顯著，屬溫帶半干旱偏旱氣候類型，降雨主要集中在7～9三個月，季節(jié)變化大，局部山地降水較大.蘭州地處我國內陸腹地，距海洋較遠，屬大陸性季風、半干旱氣候區(qū)，降水主要集中在7～9三個月內，約占全年降水量的60%以上，且多以暴雨形式降落.蘭永線沿線河流屬黃河流域，主要河流為黃河、湟水河、莊浪河和咸水河.

1.4 邊坡破壞過程及其特征

失穩(wěn)的開挖邊坡為砂巖、黃土二元結構邊坡，巖土交界面夾6 m卵石層，采用2 m寬碎落臺，2 m寬挖方平臺；該邊坡第一級坡率0.5，10 m高(采用錨索框格梁防護)，第二級坡率0.5，8 m高(采用錨桿框格梁防護)，二級坡坡頂有6 m寬平臺(巖土交界面)；第三、四級坡率0.75，三級邊坡采用孔窗式護面墻防護卵石夾層，四級坡頂平臺寬4 m；第五級坡率1，挖方平臺設平臺排水溝.截至2013年9月路塹開挖基本成形，路槽達到設計標高，原設計邊坡防護未施作.2013年9月中旬，K35+000～150段山體開始出現(xiàn)裂縫，經(jīng)過觀察，裂縫在進一步發(fā)展.9月25日，截水溝上部裂縫最寬處已經(jīng)達到18 cm，開裂長度約50 m，并且已經(jīng)施工完畢的路基邊坡平臺、孔窗式護面墻都出現(xiàn)了開裂；2013年9月28日下午4時，山體突然出現(xiàn)較大面積滑塌，黃土路塹坡口處下錯6～10 m，黃土坡體整體變形，底部砂巖壓潰，開挖路床中線位置有明顯破壞剪出痕跡.最外緣裂縫出現(xiàn)于原有開挖坡口位置，坡體后緣無張拉裂縫.

2 邊坡失穩(wěn)機制分析及參數(shù)選取

2.1 邊坡失穩(wěn)原因分析

該路塹邊坡下部出露地層為下白堊統(tǒng)河口群砂巖夾泥巖，抗風化能力差，遇水易崩解.當其處于深埋狀態(tài)時，裂隙發(fā)育不充分，成巖性較好，但由于基巖上覆土層豎向節(jié)理發(fā)育，開挖時段又恰逢該地區(qū)多雨時節(jié)，基巖在頂部雨水浸泡下逐步軟化，而在開挖過程中，由于未作任何護坡措施，卸荷松弛和巖層風化進一步造成邊坡底部砂巖強度衰減，此外，在對底部巖層進行削坡時，臨空面擴大，坡體底部失去支撐，加之巖層上覆黃土層厚度及土壓力大，最終使得坡底軟巖被壓潰，基巖上部覆蓋黃土層也隨之產(chǎn)生滑塌，導致整個邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞.由此可見，環(huán)境影響以及開挖卸荷導致的應力釋放均會削弱砂巖強度，使二元結構邊坡向極限狀態(tài)緩慢過度，最終發(fā)生破壞，因此有必要對砂巖二元結構深挖路塹邊坡穩(wěn)定性分析中所采用的基巖強度參數(shù)進行合理的探討.

2.2 邊坡數(shù)值模型

基于K35+000～150段的邊坡工程地質條件，考慮現(xiàn)場邊坡完工時的開挖形態(tài)，采用GeoStudio巖土有限元軟件中的SLOPE模塊建立圖1所示的數(shù)值模型.該平面模型以該標段中的 K35+054為典型斷面(如圖2所示)，該斷面高度38.45 m,其中一級坡高10 m，二級坡高8m，三～五級每級坡高6 m，一、二級坡率為1∶0.5，三、四級坡率為1∶0.75，五級坡率為1∶1.

圖1 邊坡數(shù)值模型圖

圖2 邊坡地形剖面(mm)

數(shù)值模型右側邊界取至自然斜坡坡頂，左側邊界取該標段公路中心線處，模型兩側均采用豎向滑動支座進行約束，底邊界采用固定支座.整個模型開挖按實際工況分15個步驟，階段1為生成初始應力步，階段2～階段15對應實際開挖步，每級開挖高度在2～3 m之間.

2.3 巖土力學參數(shù)選取

1937年，Tiedeman首次提出殘余強度的概念[13].在邊坡發(fā)生滑動時，常常發(fā)現(xiàn)滑動面上的平均剪應力比它們的抗剪強度小的多[14].Skempton等[15]在對黏性斜坡的長期穩(wěn)定性進行研究時將這一強度定義為殘余強度,并強調殘余強度對滑坡的穩(wěn)定性起控制作用.對于邊坡工程而言，在其設計過程中通常按極限平衡狀態(tài)分析邊坡穩(wěn)定性，此狀態(tài)下，坡體內已基本形成貫通邊坡的滑移帶，剪切破壞面之間已產(chǎn)生相對滑動的趨勢或已經(jīng)出現(xiàn)相對滑動.此時，邊坡的穩(wěn)定性通過剪切破壞面之間巖土體殘余強度來決定，但由于相關規(guī)范并沒有明確邊坡設計過程中究竟采用何種材料強度，因此設計人員也極少按巖土材料殘余強度參數(shù)進行極限狀態(tài)設計.此外，實際工程中，邊坡受環(huán)境及卸荷松弛的影響，巖體強度參數(shù)已經(jīng)有所衰減，而路塹邊坡工作環(huán)境惡劣且為永久性邊坡，在自然環(huán)境下其強度會進一步降低，此時若繼續(xù)依據(jù)峰值強度進行穩(wěn)定性分析則可能使設計的邊坡在開挖完成一定時間后發(fā)生滑塌.因此從穩(wěn)定性分析概念以及實際工程安全性角度出發(fā)，采用殘余強度進行邊坡穩(wěn)定性分析應該更符合實際.

張芳枝[16]在浸水軟化后對東深供水工程沿線邊坡砂巖土樣進行反復直剪試驗確定砂巖殘余強度約為峰值強度的70%.王騎虎[8]采用反復剪切試驗對蘭永一級公路及十天公路沿線14組擾動砂巖土樣浸水后的殘余強度進行研究，其研究結果與文獻[16]基本一致.因此，本文在研究不同強度條件下的邊坡整體穩(wěn)定性時，采用有限元極限平衡法分別對下述2種工況進行分析和比較.工況 1：采用邊坡各巖土層的天然峰值強度指標；工況 2：根據(jù)地質條件相似性以及蘭永線紅砂巖反復剪切試驗結果[8]，將砂巖峰值強度折減70%.工況1巖土層主要力學參數(shù)見表1.

表1 工況1巖土層力學參數(shù)Tab.1 Soil parameter table of working condition one

3 邊坡模擬分析

3.1 邊坡穩(wěn)定性分析及其穩(wěn)態(tài)變化

邊坡有限元極限平衡法是指在彈塑性有限元分析結果的基礎上，以極限平衡條件作為判別準則對邊坡進行穩(wěn)定性分析的方法，其優(yōu)勢在于分析過程中的滑動面是基于有限元分析中的真實應力場所得到的，因而不需要對條間力作任何假設[17].本文通過將有限元分析軟件GeoStudio中SIGMA模塊與SLOPE模塊進行耦合，在峰值強度與殘余強度的基礎上分別對該邊坡的安全性系數(shù)進行了模擬分析，模擬結果分別如圖3～5所示.

圖3 工況1邊坡安全系數(shù)云圖Fig.3 Safety factor nephogram of slope under working condition one

兩種不同強度指標計算的結果顯示，無論邊坡巖體處于何種強度下，邊坡安全系數(shù)較小值都集中在距離坡面較近的深度范圍內，呈帶狀分布，并逐漸由該條帶向兩側增大.但對比不同強度下的邊坡開挖完成后的最小安全系數(shù)可以看到，當采用巖體峰值強度進行計算時，該邊坡最小安全系數(shù)為1.271，按相關規(guī)范[18]判定該邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，與邊坡實際發(fā)生破壞的狀況不符，而當采用殘余強度指標進行計算時，邊坡最小安全系數(shù)驟減至0.901，處于不穩(wěn)定狀態(tài).對圖3、圖4的安全系數(shù)云圖進一步的對比分析可以看到當邊坡底部砂巖處于殘余強度階段時，安全系數(shù)在1.001～1.201范圍內的土體滑動面從坡頂后緣處一直延伸至坡腳前緣，說明在該強度下，邊坡還有可能會因砂巖強度不足而發(fā)生較大范圍的整體失穩(wěn)并造成道路路面的破壞，這與現(xiàn)場勘查的實際狀況相一致.由此可見采用殘余強度對邊坡進行極限狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析更貼合實際工程.

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，由于農(nóng)民群眾連續(xù)在一個地塊種植同一種農(nóng)作物，施肥不注重有機肥施入，化肥尤其是氮肥施入過多，導致土壤理化性質發(fā)生嚴重變化，耕作層逐漸變淺，犁底層變厚。耕作層變淺導致農(nóng)作物在生長中后期根系不能向縱深方向生長，很容易出現(xiàn)倒伏，同時耕地不耐澇，不抗旱。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式下，耕地土壤中腐熟質含量逐年下降，耕地后勁嚴重不足。而通過積極應用機械化深松技術可以疏松深層土壤，打破犁底層，同時還不會破壞土壤結構和地表植被，提高土壤蓄水能力。

圖4 工況2邊坡安全系數(shù)云圖Fig.4 Safety factor nephogram of slope under working condition two

圖5為兩種強度指標下最小安全系數(shù)隨邊坡開挖深度的變化圖，可以看到，在對邊坡進行開挖的過程中，受地形影響最小安全系數(shù)略有增大的跡象，但隨著卸荷作用增強，邊坡穩(wěn)定性開始降低，由于在實際的削坡過程中，在卸荷作用下，邊坡底部的巖體會產(chǎn)生應力釋放現(xiàn)象使得巖體質量級別降低，從而使邊坡穩(wěn)定性也隨之進一步降低，因此當邊坡開挖至砂巖層時，兩種強度指標下的邊坡安全系數(shù)差異逐漸明顯，隨卸荷深度的增大，巖體強度由峰值向殘余值過度，滑移面上的剪力將開始由衰減后的殘余黏聚力與殘余摩擦角承擔，此時采用殘余強度計算的邊坡安全系數(shù)降低速率明顯增大，最終導致該邊坡破壞，而采用峰值強度的邊坡由于其沒有充分考慮卸荷作用對邊坡巖體造成的損傷，因此該狀態(tài)下的邊坡依然處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而背離邊坡的實際工況.兩種不同強度指標最終計算結果顯示，采用殘余強度的邊坡最小安全系數(shù)較峰值強度計算結果減小28%，砂巖強度衰減對邊坡穩(wěn)定性影響明顯.

圖5 邊坡最小安全系數(shù)與開挖深度關系

3.2 邊坡變形特征分析

一般情況下，邊坡的位移變化可以更直觀地反應其穩(wěn)定性變化的規(guī)律，因此進一步對兩種強度指標下的邊坡位移有限元計算結果進行分析，所得邊坡位移云圖如圖6、圖7所示.

通過圖6、圖7中位移矢量箭頭的指向可以看到在強烈的卸荷作用下，兩種不同強度狀態(tài)下的邊坡均發(fā)生劇烈的回彈變形，豎直向上方向的位移分量在邊坡變形中占主導地位，只有在頂部垂直卸荷作用較小的部位，指向坡體臨空側的水平位移才成為位移矢量構成中的主要部分，因此該邊坡在實際發(fā)生失穩(wěn)時產(chǎn)生的裂縫多為剪出破壞裂縫.此外，對邊坡位移場的進一步分析可以看到，卸荷回彈產(chǎn)生的變形較大值集中分布于邊坡淺層表面，并有向邊坡坡體內部方向逐漸衰減，向邊坡坡腳及坡腳前緣方向逐步增強的趨勢.在此基礎上進一步分析對比兩種不同強度下的邊坡總位移.由于在該邊坡的開挖過程中，卸荷作用會降低圍壓，破壞巖體原有的應力平衡狀態(tài)，促使邊坡巖體產(chǎn)生變形和破裂，此時邊坡底部砂巖強度指標衰減為殘余值，邊坡整體抵抗變形的能力降低，因此在圖7的圖例中表現(xiàn)為以殘余強度為基礎計算的開挖后的位移水平總體高于峰值強度下的邊坡.此外，由于巖體碎裂導致的邊坡底部變形將進一步地影響巖層上覆土體的變形，因此如圖7所示，坡體中下部有滑動趨勢的區(qū)域將進一步向坡體上部延伸，最終與坡頂有滑動趨勢的區(qū)域聯(lián)通后使坡體發(fā)生破壞，這與邊坡實際所產(chǎn)生的砂巖層壓潰黃土層整體滑塌的破壞形式基本一致.

圖6 工況1位移矢量云圖Fig.6 Displacement nephogram of working condition one

綜上所述，該深挖路塹邊坡的破壞過程可以描述為：坡體的卸荷作用使得邊坡發(fā)生較強的回彈變形，該變形進一步發(fā)展使底部巖體碎裂，坡底巖層強度衰減至殘余值，進而在底部軟弱面上產(chǎn)生滑移趨勢，且在削坡過程中滑移趨勢進一步發(fā)展，并與上覆土層的不穩(wěn)定區(qū)域聯(lián)通形成滑移面，滑移面底部巖體在蠕滑過程中被上覆土層壓潰，而上覆土層也因失去底部巖體支撐加速下滑,最終發(fā)生大范圍的坡體破壞.所以此類邊坡穩(wěn)定性受底部巖體力學性質影響較大.為進一步探究兩種巖體強度下的坡體深層位移變化規(guī)律，按圖8所示對邊坡H1系進行測點布置.取部分關鍵施工過程進行模擬得到兩種不同強度下坡體內部深層總位移變化情況，如圖9所示.

圖8 測點布置圖Fig.8 Arrangement of measure-point

由圖9可以看出，兩種不同強度下的邊坡位移值均對邊坡卸荷作用變化敏感，在初期開挖過程中由于卸荷區(qū)域較為接近邊坡頂層中部，因此測點曲線在50～60 m的區(qū)域內位移值較大，而在該區(qū)域兩邊的位移值則相對較小.隨著開挖逐漸接近坡腳位置，邊坡的卸荷作用引起坡腳淺層區(qū)域劇烈的回彈變形，此時的變形大體上遵循了沿邊坡內部方向逐漸減小的規(guī)律.進一步分析邊坡在削坡過程中的位移增量變化可以看到，各測點所測得的總位移增量呈先增大后減小的趨勢，這是因為初期的卸荷作用使頂部土體對巖體的變形約束能力降低，卸荷土層下方的巖體開始產(chǎn)生回彈變形.隨著卸荷作用的增強，坡體表面出現(xiàn)更加劇烈的卸荷回彈，坡體位移隨之增大.當邊坡開挖接近坡底時，此時的巖層上方卸荷量逐漸減小，因此測點處整體位移增量也隨之減小.

圖9 坡內H1系位移變化規(guī)律

對圖9a的進一步分析可以看出，在距離邊坡坡腳40～50 m處的測點測得的總位移值在坡體開挖后期減小現(xiàn)象明顯，至最后一步開挖時，部分測點所測得結果表現(xiàn)出一定的下滑趨勢，這是因為削坡過程中劇烈的不均勻變形使巖層中的部分巖體抗剪強度達到極限值并產(chǎn)生破壞，其承擔的荷載將由周圍的巖體繼續(xù)承載，在荷載傳遞過程中，周圍的巖體也隨之發(fā)生強度衰減或者破壞， 最終將形成一條貫穿坡體的有滑動趨勢的滑帶，滑帶內的巖土體將沿滑面產(chǎn)生曲線滑動的趨勢，從而使得靠近該滑面上的測點出現(xiàn)位移減小的現(xiàn)象.若將圖9a中70 m處定義為該邊坡的滑移面參考邊界點，通過將其與圖9b的模擬結果對比可以直觀地發(fā)現(xiàn)，以殘余強度計算的邊坡其參考邊界點距離坡角更遠，這意味著該強度下處于不穩(wěn)定狀態(tài)的坡體范圍更大，此判斷與前文中以邊坡安全系數(shù)云圖為基礎所做出的分析一致.此外，增大的不穩(wěn)定坡體將引起更為劇烈的破壞，因此選取一種合理的加固方式對邊坡進行有效支護就成為了當務之急.

4 預應力錨桿加固效果分析

4.1 預應力錨桿錨固機制

預應力錨桿作為一種主動支護技術，在邊坡工程中得到了大量的應用.其加固原理可概括為：由于預應力的使用，使錨固地層產(chǎn)生壓應力區(qū)并對加固地層起加筋作用；可以增強地層的強度，改善地層的力學性能：可以使結構與地層連接在一起，形成一種共同工作的復合體，使其能有效地承受拉力和剪力，并能提高潛在滑移面上的抗剪強度，有效地阻止坡體滑移[19].在深挖路塹邊坡工程中，坡底軟巖往往在卸荷作用引起的應力釋放過程中發(fā)生破裂致使巖體強度參數(shù)衰減，而預應力錨桿則通過對巖土體施加壓應力場將破碎的巖體縫綴在一起，改善了錨桿加固區(qū)的巖體力學參數(shù)，強化了邊坡底部巖體破裂后的強度，從而達到保持邊坡穩(wěn)定的目的.為進一步探討預應力錨桿對深挖路塹邊坡的加固效果，本文假定該二元結構邊坡在開挖過程中沿砂巖層自上而下共設置五道錨桿，每道錨桿與水平面的夾角為15°，第一、三道錨桿坡頂埋深均為2 m，錨桿豎向間距均為3 m，其余錨桿計算參數(shù)見表2，并根據(jù)前文總結，采用巖體強度衰減后的殘余強度對預應力錨桿加固邊坡的效果進行分析.錨桿支護邊坡有限元模型圖如圖10所示.

表2 錨桿設計參數(shù)Tab.2 Designed parameters of structure

圖10 錨索支護邊坡數(shù)值模型圖Fig.10 Numerical model of slope supported by anchor

4.2 邊坡變形對比分析

圖11 邊坡水平位移對比Fig.11 Comparison of horizontal displacement of slope

圖12、圖13分別為坡內H2系測點測得的預應力錨桿支護前后坡體內部x方向應變及剪應變對比圖.通過圖12、圖13可以看到邊坡在開挖過程中施加錨桿支護后，坡體深部應變場發(fā)生了一定的變化.由圖12可知，邊坡開挖過程中坡體正應變會逐步增大，但相對于無支護邊坡，帶支護邊坡由于錨桿軸向預應力場提高了坡內壓應力水平，因此支護后的坡體深部x方向應變水平始終保持較高的數(shù)值，且支護后邊坡受應力擴散影響，x方向的應變沿錨桿長度方向由坡面向坡內逐步減小，說明錨桿預應力確實參與了控制邊坡變形的工作.由圖13可知邊坡在支護后，加固后的邊坡剪應變水平有所減小，在錨桿預壓應力場作用下，卸荷作用造成的臨空面圍壓損失得到補償，且在圍壓作用下，巖體原本減弱的抗剪強度進一步提升，從而使坡體剪應變水平降低.對比圖12、圖13可以看到坡體剪應變水平數(shù)值始終高出正應變水平數(shù)值一個量級，這表明此類深挖路塹邊坡在施工的動態(tài)變化過程中，造成其變形的主要原因依然是巖土體強度衰減導致的剪切變形.

圖12 邊坡x方向應變對比Fig.12 Comparison of positive strain of slope

圖13 邊坡剪應變對比

4.3 邊坡穩(wěn)定性對比分析

圖14、圖15分別為支護前后的剪應力云圖，可以看到削坡過程結束后將在砂巖層坡腳處發(fā)生應力集中現(xiàn)象，坡體內的剪應力由坡腳處向周邊土體擴散衰減，坡體內剪應力的較大值基本集中于砂巖層，一旦砂巖層因抗剪強度達到極限值出現(xiàn)破壞勢必將引起邊坡發(fā)生牽引式破壞，由此可見砂巖層的穩(wěn)定性對邊坡整體穩(wěn)定性有著至關重要的作用.在對邊坡砂巖層采用預應力錨桿加固后，坡體上覆土層的剪應力值分布變化程度較小，但在錨桿與土體之間相互作用的擾動下，邊坡內部剪應力場在錨桿錨固段周圍發(fā)生明顯的扭曲，而錨桿的預應力場與坡體卸荷后的應力場相互疊加也使砂巖層坡面下部部分區(qū)域的剪應力場分布形式發(fā)生改變，坡腳處應力集中現(xiàn)象得到改善.

圖14 支護前邊坡剪應力云圖Fig.14 Shear stress nephogram of the slope without anchor

圖15 支護后邊坡剪應力云圖

進一步從邊坡安全系數(shù)角度分析錨桿加固對邊坡穩(wěn)定性影響.由圖16可以看到在卸荷過程中，由于錨桿對土體施加的壓應力場改善了因開挖卸荷而導致強度衰減的底部巖體的力學性質，增強了破裂巖體之間的相互作用，因此隨著錨桿的介入，邊坡在開挖過程中的穩(wěn)定性趨于恒定，且在進一步的卸荷過程中，因預應力錨桿數(shù)目增多，邊坡安全系數(shù)有所增長，最終安全系數(shù)將維持在1.5以上.反之，在自然放坡的條件下，當削坡至坡底砂巖層時，由于開挖卸荷造成的巖體損傷得不到有效控制，巖層內的塑性區(qū)進一步發(fā)展，坡體穩(wěn)定性加速下降，最終隨著坡底至坡頂?shù)乃苄詤^(qū)貫通，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞.

圖16 邊坡安全系數(shù)變化對比Fig.16 Comparison of minimum safety factor

綜上分析可以看到黃土-砂巖二元結構邊坡的穩(wěn)定性與底層基巖強度關系緊密，若該邊坡在施工階段能及時采用預應力錨桿對底層軟巖進行加固將能避免此類滑塌的發(fā)生.

5 結論

通過在對蘭永線K35+000～150標段黃土-砂巖二元結構高邊坡失穩(wěn)破壞機制分析的基礎上采用峰值強度和殘余強度對邊坡進行模擬結果的對比分析，得出如下結論：

1) 在深挖路塹施工過程中，砂巖受卸荷作用產(chǎn)生應力釋放現(xiàn)象，該現(xiàn)象將驅使砂巖破裂從而使砂巖層整體強度發(fā)生衰減進而影響邊坡的穩(wěn)定性.以殘余強度為基礎對邊坡穩(wěn)定性分析可更貼近邊坡實際狀態(tài)，若以峰值強度計算和分析此類邊坡，所得的結論可能偏于危險.

2) 深挖路塹邊坡會在削坡過程中產(chǎn)生劇烈的卸荷回彈，其中豎直方向的回彈變形占主導地位，而此類邊坡的水平位移則主要集中于邊坡卸荷作用較弱的坡頂局部區(qū)域.

3) 深挖路塹邊坡支護前后坡內的剪應變水平均保持較高的數(shù)值，但預應力錨桿通過對邊坡施加壓應力場將補償坡體在開挖過程中的圍壓損失，在約束邊坡向臨空側變形的同時提高邊坡巖土體的抗剪強度，從而在一定程度上降低邊坡的剪應變水平.

4) 深挖路塹邊坡剪應力分布規(guī)律與剪應變分布規(guī)律類似，均表現(xiàn)出由各級邊坡坡面向邊坡深部方向逐步減小的趨勢，其中邊坡坡體剪應力的較大值基本集中于砂巖層，因此砂巖層的應力狀態(tài)對邊坡穩(wěn)定性有較大的影響.

5) 采用預應力錨桿加固二元結構邊坡底層基巖可以改變坡體內部應力分布形式，其產(chǎn)生的壓應力場可以增強破裂巖體間的相互作用，改善巖體力學性質，從而有效提高殘余強度下的邊坡穩(wěn)定性，進而避免邊坡破壞的發(fā)生.