擋墻施工次序?qū)吰路€(wěn)定性影響分析

■顧中華

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004）

福建素有“八山一水一分田”之稱(chēng)。 在福建省南平、三明、龍巖等地區(qū)廣泛發(fā)育砂巖、粉砂巖、泥巖等沉積巖。 砂巖、粉砂巖、泥巖屬易滑巖組，在上述地區(qū)山區(qū)高速公路建設(shè)過(guò)程中， 邊坡災(zāi)害問(wèn)題突出[1-3]，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。 在邊（滑）坡治理過(guò)程中，常采用上部錨固工程結(jié)合下部擋墻支擋工程來(lái)穩(wěn)固邊坡。在擋墻施工過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)未嚴(yán)格控制擋墻的開(kāi)挖和砌筑次序，采用“大拉槽”的施工方式削弱坡腳支撐，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的情況。 因此，本文以福建某高速互通邊坡治理為工程實(shí)例， 分析邊坡變形原因，建立三維有限元計(jì)算模型，對(duì)擋墻的開(kāi)挖次序和支護(hù)時(shí)步的不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬， 數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以為邊（滑）坡?lián)鯄Φ氖┕ぬ峁﹨⒖己徒梃b。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

該高速互通邊坡長(zhǎng)約130 m， 最大高度約30 m，原邊坡開(kāi)挖坡率1∶0.75～1∶1.25，階高8 m，坡面采用護(hù)面墻和植草防護(hù)。2015 年1 月邊坡開(kāi)挖至路基標(biāo)高時(shí)發(fā)生坡體開(kāi)裂變形，處治方式為先坡腳反壓抑制變形發(fā)展，后采用預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)合擋墻加固。 2015 年5、6 月份，上部錨固工程預(yù)張拉完成，坡體較為穩(wěn)定。 為實(shí)施一階擋墻，“大拉槽”卸除反壓土后，在連續(xù)降雨的條件下，邊坡開(kāi)始緩慢變形，并在2015 年6 月26 日急劇變形滑動(dòng)，向道路橫向方向產(chǎn)生滑移，在第一階高約3～5 m 處見(jiàn)剪出口（其裂隙產(chǎn)狀與坡體巖層產(chǎn)狀基本一致），坡體后緣下錯(cuò)約3～6 m，坡體變形開(kāi)裂或拱出；坡體二、三階已實(shí)施的錨索框架下錯(cuò)、局部框架梁斷裂，預(yù)應(yīng)力錨索被切斷，誘發(fā)滑坡產(chǎn)生。 滑坡變形及病害情況如圖1 所示。

圖1 邊坡遠(yuǎn)景

1.2 地形地貌

本滑坡場(chǎng)區(qū)位屬閩西北，屬剝蝕丘陵、殘丘及沖洪積溝谷地貌，溝谷地勢(shì)相對(duì)較平坦。 滑坡區(qū)域由北向南，坡度由陡變緩，為上陡下緩地形，呈多階臺(tái)地狀，自然山坡坡度約15°～35°。

1.3 工程及水文地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告[4]，場(chǎng)區(qū)坡殘積層覆蓋厚度約7.0～11.5 m， 下伏基巖為中薄層狀?yuàn)W陶系淺變質(zhì)砂巖，其風(fēng)化層較厚，約7.0～24.5 m，層理面產(chǎn)狀為220°∠25°，傾向路基方向，對(duì)邊坡穩(wěn)定不利。坡腳部位巖體極破碎，可見(jiàn)多處不利結(jié)構(gòu)面，其中較為重要的有3 組，其特征分別為：（1）90°∠70°，約8～10 條/m，裂面呈褐灰色，平直光滑，無(wú)填充；（2）走向200°近直立，約8～10 條/m，裂面呈褐灰色，平直光滑，無(wú)填充；（3）走向245°近直立，約5～8 條/m，裂面呈褐灰色，平直光滑，無(wú)填充。 綜合分析這3 組裂隙面組合，易形成不穩(wěn)定契形體，對(duì)開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定較為不利。

本場(chǎng)區(qū)位于丘陵山地，場(chǎng)區(qū)內(nèi)地表水系不發(fā)育，主要為降雨沿兩側(cè)山體匯入溝谷。 地下水主要為基巖風(fēng)化孔隙裂隙水， 賦存于基巖風(fēng)化層的節(jié)理裂隙中，場(chǎng)區(qū)內(nèi)發(fā)育有砂巖，屬于奧陶系淺變質(zhì)砂巖，層理發(fā)育，蝕變礦物較多，質(zhì)軟，風(fēng)化層厚，多呈泥質(zhì)充填于裂隙中，透水性較差，富水程度相對(duì)較好。 場(chǎng)區(qū)主要接受大氣降水補(bǔ)給，水量受降雨影響大，山坡、山腳及盆地內(nèi)為逕流區(qū)， 多沿?cái)嗔褞Ъ吧钋袦瞎扰判梗话銥闊o(wú)壓潛水，局部見(jiàn)微承壓，此類(lèi)水降雨后地下水垂直徑流速度較大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響大。

2 邊坡再次失穩(wěn)原因分析

邊坡再次失穩(wěn)原因分析如下：（1）邊坡坡體風(fēng)化層及殘坡積層較為深厚，變質(zhì)砂巖風(fēng)化層中蝕變礦物多，多呈泥質(zhì)充填于裂隙中，在富水的情況下在坡體中形成軟弱帶，且?guī)r層產(chǎn)狀順傾，為邊坡開(kāi)挖后坡體變形和滑坡的形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)。 （2）在連續(xù)暴雨的條件下，地下水位進(jìn)一步抬升，潤(rùn)滑軟弱帶，土體抗剪強(qiáng)度急劇降低，是邊坡再次失穩(wěn)的誘因之一。 （3）由于對(duì)坡腳反壓體進(jìn)行“大拉槽”式開(kāi)挖的擋墻施工，極大地削弱了坡腳支撐，坡腳因土體應(yīng)力集中首先發(fā)生變形，引起上部坡體沿軟弱夾層下錯(cuò)，剪切上部已實(shí)施的預(yù)應(yīng)力錨索，同時(shí)導(dǎo)致局部錨索框架梁梁體開(kāi)裂和下錯(cuò)。 在坡體坡腳失去支撐和上部部分錨固工程失效的不利情況下，邊坡穩(wěn)定性不斷降低，觸發(fā)滑坡形成。 可以認(rèn)為，不當(dāng)?shù)膿鯄κ┕ご涡蚴沁吰略俅问Х€(wěn)的主要原因。

3 數(shù)值模擬分析

為進(jìn)一步研究擋墻施工次序?qū)吰路€(wěn)定性的影響，基于該工程案例，運(yùn)用巖土工程領(lǐng)域廣泛采用的數(shù)值模擬軟件FLAC3D 對(duì)邊坡?lián)鯄κ┕げ煌拈_(kāi)挖、加固次序進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，探求定性規(guī)律。

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

不考慮上部預(yù)應(yīng)力錨索的影響，建立簡(jiǎn)化計(jì)算模型如下：邊坡長(zhǎng)度45 m，高24 m，坡度為30°，為三階邊坡，坡腳設(shè)擋墻加固。 每階高為8 m，設(shè)2 m寬平臺(tái)，土體歸一為風(fēng)化層和軟弱夾層，軟弱夾層層面傾角為25°。模型四周邊界采用法向約束，模型下部邊界采用全約束。 邊坡模型尺寸和數(shù)值模型如圖2 所示，材料參數(shù)如表1 所示。

圖2 計(jì)算模型斷面

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

3.2 工況模擬分析

為模擬實(shí)際工程案例中對(duì)于坡腳反壓體一次性“大拉槽”開(kāi)挖，同時(shí)分析邊坡坡腳土體開(kāi)挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的漸進(jìn)變化，建立開(kāi)挖步長(zhǎng)為5 m，開(kāi)挖過(guò)程不實(shí)施擋墻，開(kāi)挖5、10、45 m 的3 種工況模式（圖3）。

圖3 全長(zhǎng)開(kāi)挖施工工況模式

按5 m 步長(zhǎng)開(kāi)挖邊坡安全系數(shù)和邊坡剪切應(yīng)變?cè)茍D如圖4、5 所示。 隨著邊坡開(kāi)挖進(jìn)程，坡腳未及時(shí)支擋加固，邊坡安全系數(shù)呈近直線(xiàn)下降，安全系數(shù)由初始1.25 下降至1.027， 邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。 圖5 所示的剪切應(yīng)變?cè)茍D顯示部分滑帶土體進(jìn)入塑性應(yīng)變狀態(tài)， 坡腳應(yīng)力集中明顯。 計(jì)算結(jié)果表明，擋墻“大拉槽”施工方案對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)影響較大。若不及時(shí)進(jìn)行坡腳支擋加固，遇到連續(xù)降雨條件，邊坡將失穩(wěn)破壞。該計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步佐證了本文案例不當(dāng)?shù)拈_(kāi)挖方式使邊坡失穩(wěn)的原因。

圖4 全長(zhǎng)開(kāi)挖邊坡安全系數(shù)

圖5 剪切應(yīng)變?cè)茍D

為尋求合理的擋墻施工步驟，明確適當(dāng)?shù)亻_(kāi)挖坡腳土體、實(shí)施擋墻步長(zhǎng)，文后簡(jiǎn)稱(chēng)為開(kāi)挖、加固步長(zhǎng)。 為比較在不同開(kāi)挖、加固步長(zhǎng)情況下邊坡施工過(guò)程中的穩(wěn)定安全系數(shù)，分別建立開(kāi)挖、加固步長(zhǎng)為5、10、15 m 的數(shù)值模擬計(jì)算工況。 本文僅列出開(kāi)挖、加固步長(zhǎng)為5 m 的施工流程工況示意圖（圖6），為避免重復(fù)性，其他工況不再贅列。

圖6 開(kāi)挖、加固步長(zhǎng)為5 m 施工流程

開(kāi)挖、加固步長(zhǎng)分別為5、10、15 m 的計(jì)算結(jié)果如圖7、8 所示。 計(jì)算結(jié)果表明，除初次開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)有所降低外，其余時(shí)步由于擋墻加固的作用，安全系數(shù)平穩(wěn)提高。 但由圖8 看出，開(kāi)挖步長(zhǎng)15 m 時(shí)初次開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)降低幅度較大，考慮極端降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，在實(shí)際施工過(guò)程中擋墻一次開(kāi)挖長(zhǎng)度建議不超過(guò)10 m。

圖7 開(kāi)挖、加固步長(zhǎng)5 m 的安全系數(shù)

圖8 開(kāi)挖、加固步長(zhǎng)10、15 m 的安全系數(shù)

參考數(shù)值模擬分析結(jié)果，該失穩(wěn)邊坡的整治措施為立即重新實(shí)施反壓，對(duì)上部局部失效的錨固工程進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，使邊坡變形不再發(fā)展，達(dá)到暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。 采用開(kāi)挖加固為步長(zhǎng)5 m 的次序進(jìn)行擋墻施工，施工過(guò)程中邊坡一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，整個(gè)治理工程達(dá)到滿(mǎn)意效果。

4 擋墻施工次序?qū)吰路€(wěn)定影響分析

根據(jù)實(shí)際施工狀況和數(shù)值分析結(jié)果，擋墻的施工次序?qū)吰碌姆€(wěn)定性影響較大。 對(duì)于順層并有軟弱層的沉積巖邊坡，若采用“大拉槽”的施工方式，將導(dǎo)致整個(gè)邊坡的坡腳應(yīng)力集中，邊坡沿軟弱面滑動(dòng)，引發(fā)邊坡失穩(wěn)。 采用小步長(zhǎng)的開(kāi)挖、加固施工次序，雖然首次開(kāi)挖邊坡的穩(wěn)定性有所下降，但隨著擋墻的實(shí)施，坡體的整體穩(wěn)定性逐漸提高，邊坡在施工過(guò)程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。 隨著開(kāi)挖、加固步長(zhǎng)的加大， 首次開(kāi)挖的邊坡穩(wěn)定性相較于小步長(zhǎng)的施工次序有所下降。 若步長(zhǎng)過(guò)大，首次開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性急劇下降，在極端氣候條件下，有可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

5 結(jié)論

綜上所述，研究結(jié)果顯示：（1）對(duì)于存在軟弱結(jié)構(gòu)面的順層邊坡， 采用坡腳擋墻支擋時(shí)，“大拉槽”開(kāi)挖方式易誘發(fā)坡體變形， 應(yīng)嚴(yán)格控制擋墻開(kāi)挖、加固施工次序，確保施工過(guò)程中坡體穩(wěn)定。 （2）數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，隨著邊坡開(kāi)挖進(jìn)程，坡腳未及時(shí)支擋加固，邊坡安全系數(shù)呈直線(xiàn)下降，部分滑帶土體進(jìn)入塑性應(yīng)變狀態(tài)。 （3）根據(jù)不同開(kāi)挖、加固步長(zhǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果， 考慮極端降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，建議擋墻開(kāi)挖、加固步長(zhǎng)控制在10 m 以?xún)?nèi)。