開挖與降雨作用下公路邊坡的穩(wěn)定性分析*

吳加紅，趙強(qiáng)，李斯?jié)?，秦輝

(1.云南省交通發(fā)展投資有限責(zé)任公司，云南 昆明 650000；2.云南勐綠高速公路投資開發(fā)有限公司，云南 普洱 665000；3.云南玉臨高速公路建設(shè)有限責(zé)任公司，云南 臨滄 677000；4.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；5.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100000)

云南省的地質(zhì)構(gòu)造破碎，地質(zhì)條件多變，工程特性復(fù)雜多變，環(huán)境影響因素惡劣，在穩(wěn)定性尚未確認(rèn)的情況下進(jìn)行邊坡設(shè)計(jì)及施工存在巨大安全隱患。近年來，眾多學(xué)者針對開挖與降雨條件對公路邊坡失穩(wěn)的誘發(fā)機(jī)理進(jìn)行了深入研究，如任永勝、熊勇林等分析了降雨對公路邊坡穩(wěn)定性的影響；張理平、劉新喜等對邊坡開挖過程中位移場、塑性區(qū)及安全系數(shù)的變化進(jìn)行分析，對失穩(wěn)臨界開挖狀態(tài)進(jìn)行了判斷?，F(xiàn)有研究大多只針對一種作用因素進(jìn)行分析。云南省路塹邊坡施工與運(yùn)營中地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查結(jié)果表明，單因素分析所得結(jié)果對工程指導(dǎo)意義較弱。基于此，該文依托某高速公路沿線典型邊坡，結(jié)合氣象資料及設(shè)計(jì)開挖方案，采用GeoStudio軟件模擬邊坡的分級開挖與降雨過程，分析邊坡潛在變形破壞模式，為工程施工及加固方案設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

某高速公路位于熱帶雨林地區(qū)，區(qū)域內(nèi)氣候濕潤，巖體風(fēng)化作用強(qiáng)烈，全～強(qiáng)風(fēng)化巖體廣泛分布，巖體性質(zhì)介于巖石和土之間，多含有泥質(zhì)成分。該區(qū)域?qū)儆诩竟?jié)性較強(qiáng)的熱帶季風(fēng)氣候，降雨量季節(jié)差異明顯，降雨量大且降雨集中，降雨量年變化為典型的單峰型曲線，雨季各月平均降雨量均超過100 mm。

選取某典型公路路基邊坡，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地鉆孔資料，該邊坡為一基巖滑坡，如圖1所示，巖性從上到下主要為：第四系坡殘積粉質(zhì)黏土，褐紅色、褐紫色，硬塑～可塑狀態(tài)，局部為軟塑，含10%～30%碎石；古新統(tǒng)勐野井組粉砂質(zhì)泥巖，褐紅色，強(qiáng)風(fēng)化，部分為全風(fēng)化，主要由黏土礦物組成，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖芯呈碎石狀、碎塊狀，地下水位淹沒區(qū)域風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯呈軟塑黏土狀；古新統(tǒng)勐野井組粉砂質(zhì)泥巖，褐紅色，中風(fēng)化，主要由黏土礦物組成，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖質(zhì)軟，巖體較完整，巖芯呈柱狀，局部為碎塊狀。

圖1 K100+252處開挖后邊坡斷面圖(單位：m)

2 分析模型與方法

2.1 分析模型

利用現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查與鉆孔資料，結(jié)合典型地質(zhì)斷面圖，建立數(shù)值模擬的地質(zhì)概化模型(見圖2)。根據(jù)邊坡設(shè)計(jì)資料，開挖邊坡長80 m，高45.9 m，分6級臺階開挖，1～4級邊坡坡度為1∶1，5～6級坡度為1∶1.5。結(jié)合室內(nèi)外試驗(yàn)與類似工程經(jīng)驗(yàn)確定各巖土層物理力學(xué)參數(shù)(見表1)，均采用摩爾-庫倫模型。數(shù)值模擬分析過程采用先開挖后降雨模式，開挖過程與設(shè)計(jì)一致，設(shè)降雨強(qiáng)度為30 mm/d、降雨時長為10 d。

表1 巖土材料參數(shù)

圖2 邊坡幾何概化模型

2.2 分析方法

采用GeoStudio軟件中Sigma及Seep/w模塊進(jìn)行非完全流固耦合計(jì)算，對坡體內(nèi)部滲流場、應(yīng)力場及位移場變化進(jìn)行分析，并基于滑面應(yīng)力法求解安全系數(shù)，對開挖與降雨作用下邊坡安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析。其中非完全流固耦合計(jì)算中先計(jì)算滲流場作用，再將孔隙水壓力帶入應(yīng)力場計(jì)算模型中，兩場分別計(jì)算再互相調(diào)配從而達(dá)到耦合目的。非完全流固耦合計(jì)算在準(zhǔn)確度、計(jì)算速度和控制度上優(yōu)于直接(完全)耦合法，更有助于得到正確的水力邊界條件、合適的時間序列及進(jìn)行后期體積變形分析。

3 開挖作用下邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 應(yīng)力特征分析

在開挖面設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)(見圖3)，分析開挖過程中坡體內(nèi)部應(yīng)力變化。圖4為各監(jiān)測點(diǎn)開挖水平應(yīng)力相對變化率與開挖區(qū)距離的關(guān)系，其中水平向應(yīng)力相對變化率、監(jiān)測點(diǎn)與開挖區(qū)域的距離分別按式(1)、(式2)計(jì)算。

圖3 變形應(yīng)力變形監(jiān)測點(diǎn)位置

圖4 監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

(1)

(2)

式中:σxi為第i次開挖時監(jiān)測點(diǎn)水平向應(yīng)力；H0為開挖處高程，監(jiān)測點(diǎn)位置高于開挖區(qū)域時H0取每步開挖高程上限，低于開挖區(qū)域時取開挖高程下限；Hs為監(jiān)測點(diǎn)高程；H為開挖總高度；He為逐次開挖高程。

如圖4所示，根據(jù)水平向應(yīng)力相對變化率變化趨勢可將開挖影響范圍劃分為3個區(qū)域：Ⅰ為穩(wěn)定階段，監(jiān)測點(diǎn)與開挖區(qū)域的距離小于-15%，此時水平向應(yīng)力相對變化率小于5%，受開挖作用影響較??；Ⅱ?yàn)閿_動階段，監(jiān)測點(diǎn)與開挖區(qū)域的距離為-15%～20%，此時應(yīng)力狀態(tài)主要受開挖作用控制，變化率先上升后下降，應(yīng)力出現(xiàn)峰值；Ⅲ為恢復(fù)階段，監(jiān)測點(diǎn)與開挖區(qū)域的距離大于20%，坡體內(nèi)部各點(diǎn)應(yīng)力開始恢復(fù)，受開挖影響較小，且隨距離的增加應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

取坡頂A點(diǎn)和坡腳B點(diǎn)為監(jiān)測對象，分析邊坡分級開挖過程中邊坡水平向位移的變化特征(設(shè)水平向右為正)，結(jié)果見圖5。由圖5可知：坡腳處受坡體內(nèi)部應(yīng)力重調(diào)整及擠壓作用，變形方向指向坡體內(nèi)部；坡頂處由于側(cè)向卸荷而發(fā)生背離坡面的水平位移，說明隨開挖深度的增加，坡體破壞，易發(fā)生坡體后緣開裂。

圖5 開挖過程中邊坡特征點(diǎn)的水平向位移

3.2 安全系數(shù)演化規(guī)律

開挖過程中坡體安全系數(shù)的變化見圖6。由圖6可知：該邊坡天然狀態(tài)下安全系數(shù)為1.254，分級開挖過程中安全系數(shù)持續(xù)下降，開挖完成后安全系數(shù)為1.131。

圖6 分級開挖過程中邊坡的安全系數(shù)

圖7為開挖過程中邊坡潛在危險滑移面與塑性區(qū)的分布。由圖7可知：開挖初期，滑移面位于開挖區(qū)域下側(cè)并逐漸向坡體深部拓展，隨開挖卸荷作用，安全系數(shù)降低幅度偏??；從第4次開挖開始，滑移面位置受到開挖過程控制，逐漸向開挖坡面附近縮小，在卸荷作用下坡腳處發(fā)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)塑性屈服區(qū)，安全系數(shù)迅速降低。

圖7 開挖過程中邊坡潛在最危險滑移面與塑性區(qū)分布

4 降雨作用下邊坡穩(wěn)定性分析

降雨使地表附近巖土體由非飽和迅速變?yōu)轱柡?，有效?yīng)力急劇減低，結(jié)合非飽和土強(qiáng)度理論，其抗剪強(qiáng)度隨之降低，同時土體容重增大導(dǎo)致材料更易進(jìn)入屈服狀態(tài)。圖8為降雨后邊坡塑性區(qū)分布。由圖8可知：開挖后降雨塑性區(qū)主要集中于一級邊坡坡腳及軟化泥質(zhì)粉砂巖中部；由于開挖改變了坡表地形，縮短了雨水滲流路徑，雨水入滲迅速，雨水更快運(yùn)移至地下水位，故其塑性區(qū)主要集中于滑體中下部。

圖8 降雨過程中邊坡塑性區(qū)分布

降雨過程中邊坡潛在滑動面與安全系數(shù)見圖9。由圖9可知：與開挖完成時相比，降雨后潛在滑動面向深處擴(kuò)散，并在粉質(zhì)黏土及強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)泥砂巖區(qū)域有所延伸；降雨過程中，邊坡地下水位上升且滑體內(nèi)部出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，巖土體在地下水加載、強(qiáng)度軟化和水力作用下，物理力學(xué)性質(zhì)變差，安全系數(shù)由1.13降低至1.09，且降雨后期安全系數(shù)降低速度高于前期。

圖9 降雨過程中邊坡潛在滑動面與安全系數(shù)

5 考慮裂縫的邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場勘察，開挖過程中邊坡后緣產(chǎn)生張拉裂縫。對4和2 m裂縫邊坡在降雨作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行對比分析。設(shè)定裂縫邊界條件時，考慮到強(qiáng)降雨條件下裂縫與地表接觸地區(qū)基本處于飽和狀態(tài)，在接觸點(diǎn)處設(shè)置孔壓為零以模擬極限降雨?duì)顟B(tài)。圖10為2種工況下不同降雨時間邊坡孔隙水壓力分布。由圖10可知：在降雨初期，邊坡孔壓分布差異較??；降雨第5 d時，4 m裂縫邊坡中裂縫區(qū)與粉質(zhì)泥砂巖交界面處孔壓已發(fā)生變化，2 m裂縫邊坡由于優(yōu)先滲流路徑短，降雨尚未運(yùn)移至交界面處；降雨結(jié)束時，4 m裂縫邊坡中裂縫區(qū)孔壓在降雨作用下負(fù)孔壓已由-200 kPa升高至-80 kPa，而2 m裂縫邊坡孔壓較前者偏低。

圖10 不同裂縫深度條件下降雨邊坡孔壓分布(單位：kPa)

分別分析2種裂縫深度邊坡穩(wěn)定性在降雨過程中的變化，降雨結(jié)束時4 m裂縫邊坡中安全系數(shù)的為0.912，2 m裂縫邊坡為0.969，無裂縫時的安全系數(shù)為1.09，前期開挖擾動引起的裂縫對后續(xù)降雨邊坡穩(wěn)定性有一定影響，且裂縫越深，邊坡安全系數(shù)下降越明顯。

6 結(jié)論

針對公路典型路基邊坡，采用GeoStudio軟件分析邊坡分級開挖與降雨作用下坡體變形與穩(wěn)定性，得到以下結(jié)論：1)邊坡天然狀態(tài)下安全系數(shù)為1.254，分級開挖過程中安全系數(shù)持續(xù)下降，開挖完成后為1.131；開挖后緣由于側(cè)向開挖產(chǎn)生水平向變形，易導(dǎo)致開裂，產(chǎn)生傾覆破壞。2)降雨對坡腳處地下水位進(jìn)行補(bǔ)給，降低了滑帶區(qū)有效應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度，土體容重增加使滑體下滑力增加；坡頂在卸荷作用下變形明顯，在長期高強(qiáng)度降雨作用下可能導(dǎo)致坡體后緣產(chǎn)生拉應(yīng)力及張拉裂縫，造成雨水進(jìn)一步入滲，導(dǎo)致裂縫發(fā)展。3)開挖不僅改變了坡表地形，而且其擾動作用容易產(chǎn)生裂縫，二者縮短了雨水滲流路徑，使雨水更快運(yùn)移至地下水位，開挖與降雨聯(lián)合作用下坡體破壞程度加劇，破壞概率增大。因此，邊坡開挖過程中應(yīng)實(shí)時進(jìn)行工程防護(hù)，根據(jù)預(yù)測的危險滑動面及開挖過程中坡體的變形特征采取相應(yīng)預(yù)防措施，做到邊開挖邊支護(hù)，降低邊坡滑移風(fēng)險，保證施工過程安全。

該文重點(diǎn)分析了開挖與降雨時序作用下邊坡的應(yīng)力與穩(wěn)定性演化規(guī)律，但未考慮開挖與降雨作用下坡體巖土力學(xué)參數(shù)的劣化。