類土質(zhì)邊坡臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)對邊坡穩(wěn)定影響分析

朱瑾

（南京恒堯房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

邊坡穩(wěn)定安全是道路工程建設(shè)的重點問題，路塹開挖是導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性破壞的最根本原因，邊坡防護(hù)中錨桿加固方案是其最經(jīng)濟(jì)最常用的加固措施之一。

目前，對于均質(zhì)土的邊坡穩(wěn)定性研究較為成熟，而對于類土質(zhì)邊坡，主要指花崗巖全強(qiáng)風(fēng)化的殘積邊坡土，其力學(xué)性質(zhì)為各向異性的不連續(xù)面，所以破壞形式與一般的均質(zhì)土的圓弧破壞不同，往往受到土體不同結(jié)構(gòu)面影響而形成的平面形的破壞面，尤其對于軟硬差別很大的巖體相間的風(fēng)化類邊坡，開挖后極易在相間的結(jié)構(gòu)面上發(fā)生滑塌破壞，其破壞滑動面通常由一個或數(shù)個直線和圓弧面組合形成，根據(jù)支護(hù)形式的差異，呈現(xiàn)不同的破壞模式。同時由于結(jié)構(gòu)面組成及性質(zhì)的復(fù)雜性，與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的影響性較大，順傾結(jié)構(gòu)臨空面的破壞可能性大。

基于上述研究，依托寧馬高速油坊橋互通匝道邊坡防護(hù)工程，基于有限元強(qiáng)度折減法，通過不同支護(hù)工況對比，對該處類土質(zhì)邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性評價和失穩(wěn)滑動面類型分析，由于本工程支護(hù)結(jié)構(gòu)為臨時支護(hù)，不考慮降雨對邊坡穩(wěn)定性影響。

1 MIDAS/GTS和強(qiáng)度折減法簡介

MIDAS/GTS是巖土工程領(lǐng)域著名有限元計算軟件，在國內(nèi)外工程中得到廣泛應(yīng)用，MIDAS/GTS不僅具有巖土分析所需的基本分析功能，并為用戶提供了包含最新理論的強(qiáng)大的分析功能，包括線性靜態(tài)分析、非線性靜態(tài)分析、施工階段分析、特征值分析、反應(yīng)譜分析、線性時程分析、穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流分析以及邊坡穩(wěn)定分析等強(qiáng)大功能。

邊坡穩(wěn)定分析是公路市政工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的問題，目前《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》和《公路路基設(shè)計規(guī)范》要求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足規(guī)定數(shù)值，否則應(yīng)對邊坡進(jìn)行處理。強(qiáng)度折減法是從巖土體強(qiáng)度角度考慮，將巖土體強(qiáng)度除以某一系數(shù)，并將該系數(shù)逐漸增大，直到邊坡處于臨界破壞狀態(tài)，此時的系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)。工程邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞大部分是因為邊坡開挖或者降雨地震等自然因素發(fā)生改變，使得巖土體物理力學(xué)參數(shù)減小，導(dǎo)致滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。利用強(qiáng)度折減法計算邊坡安全系數(shù)的基本方法是:假定邊坡所受到的外荷載不變，不斷折減巖土體強(qiáng)度黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ，然后進(jìn)行穩(wěn)定性計算，反復(fù)折減計算，直到邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，此時的F即為邊坡安全系數(shù)，計算公式見式（1）、（2）。

強(qiáng)度折減法是MIDAD/GTS中的一個內(nèi)嵌程序，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時可以直接選取該方法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。

2 工程概況

油坊橋樞紐互通是南京至馬鞍山高速公路江蘇段起點，互通內(nèi)PK1+539.41～PK1+649.41匝道路基段邊坡主要以全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化砂巖為主，土體力學(xué)屬性如表1所示。由于青奧長廊頂部距離道路邊緣較近，為減少對其侵占，在邊坡底部設(shè)置C30混凝土重力式擋土墻，其上設(shè)置1∶1的邊坡，頂部邊坡采用C25混凝土現(xiàn)澆錨桿框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固（圖1）。在擋土墻開挖處設(shè)置臨時橫向和豎向的短錨桿加網(wǎng)噴混凝土加固，確保擋墻處開挖臨空面的穩(wěn)定。

表1 土層材料力學(xué)屬性

圖1 邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場剖面布置

工程邊坡處于巖質(zhì)地貌，具體巖體層位如圖2所示，⑨-2層為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，巖芯呈柱狀、碎塊狀，軟硬相間，強(qiáng)度不均，遇水易軟化，裂隙發(fā)育，手掰易碎，屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，土、石工程分級為Ⅳ。⑨-3層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，巖芯呈長柱狀、柱狀，巖體較完整，錘擊易碎，錘擊聲悶，屬軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，土、石工程分級為Ⅳ。

圖2 邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬示意

本工程采用兩種不同錨桿進(jìn)行邊坡支護(hù)，上部邊坡采用框架結(jié)構(gòu)，錨桿長度為9 m，下部臨時支護(hù)斜向錨桿長度為4.5 m，豎向錨桿長度為3.5 m。采用四種工況進(jìn)行穩(wěn)定性分析，工況1：上部和下部支護(hù)結(jié)構(gòu)均布設(shè)；工況2：僅布設(shè)上部支護(hù)結(jié)構(gòu)；工況3：僅布設(shè)下部臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)；工況4：不設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)。

3 邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)對邊坡穩(wěn)定性影響

通過不同支護(hù)方案對比，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果對邊坡穩(wěn)定進(jìn)行評價，同時對最終破壞滑動面特性進(jìn)行分析。

依照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》5.2.3計算沿結(jié)構(gòu)面滑動的穩(wěn)定性時，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)面形態(tài)采用平面或折線形滑面。計算土質(zhì)邊坡、極軟巖邊坡、破碎或極破碎巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性時，可采用圓弧形滑面?；谟邢拊獜?qiáng)度折減法進(jìn)行擋墻臨空面開挖后的穩(wěn)定性計算結(jié)果可知（圖3），工況1安全穩(wěn)定系數(shù)為3.28，工況2及工況3分別為1.65和1.58，上述工況的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均小于《公路路基設(shè)計規(guī)范》中穩(wěn)定系數(shù)正常工況規(guī)定值，但施工現(xiàn)場為了防止土體蠕變及降雨等環(huán)境變化影響，采用臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠?qū)ο虏窟吰缕侣瘦^大部位土體進(jìn)一步加固。同時考慮到后期重力式路塹擋土墻及道路結(jié)構(gòu)施工完成后，對邊坡體有一定的反壓作用，產(chǎn)生的被動土壓力對邊坡穩(wěn)定有利，穩(wěn)定性系數(shù)較大，而現(xiàn)場擋土墻施工一般為分段施工，施工現(xiàn)場條件較好的部位，對臨時錨桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行重復(fù)使用，以減少工程造價。而工況4安全穩(wěn)定系數(shù)僅為1.06，不符合規(guī)范要求，在實際工程中應(yīng)避免采用該方案。

圖3 有無支護(hù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果

不同支護(hù)結(jié)構(gòu)形式下，邊坡土體最終失穩(wěn)狀態(tài)差別較大，工況1的支護(hù)條件最好，最終破壞僅發(fā)生在局部，并未出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)滑動面；工況2對于上部邊坡的支護(hù)強(qiáng)度高，在下部無支護(hù)結(jié)構(gòu)的土質(zhì)界面處，出現(xiàn)直線形的失穩(wěn)滑動面；工況3產(chǎn)生了兩端圓弧、中間直線形的滑動破壞面，主要由于下部臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，上部土體風(fēng)化軟巖層間結(jié)構(gòu)未在坡面出露，且全～強(qiáng)軟巖交界面坡率較大，失穩(wěn)滑動面與一般粘性土相似，僅在中部軟巖層間產(chǎn)生一段直線型滑動面；工況4產(chǎn)生了上部圓弧下部直線形的滑動面，由于沒有支護(hù)結(jié)構(gòu)，且軟巖交界面較陡，下部土體前緣部位沿交界面方向產(chǎn)生剪切擠壓面，相較于工況2，下部剪切失穩(wěn)土體對后緣土體具有拉裂作用，出現(xiàn)了類似均質(zhì)土的圓弧滑動面。綜上可知，邊坡失穩(wěn)滑動面主要發(fā)生在全～強(qiáng)風(fēng)化界面處，且隨著支護(hù)措施的增強(qiáng)，對界面剪切強(qiáng)度增加，滑動面范圍隨之減小。

由于坡頂存在青奧長廊對變形敏感的設(shè)施，為掌握施工階段和運營階段邊坡位移情況，在邊坡坡頂、擋墻墻頂、青奧長廊邊緣上設(shè)置位移觀測點。目前，邊坡已基本施工完成，位移較小，表明邊坡支護(hù)效果良好。

4 結(jié)論

（1）擋墻處的臨時支護(hù)對邊坡穩(wěn)定性有益，結(jié)合上部邊坡支護(hù)能夠顯著提高邊坡穩(wěn)定系數(shù)，不設(shè)置邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)方案的穩(wěn)定系數(shù)很低，實際工程中應(yīng)避免采用。

（2）對于不采用臨時支護(hù)時的安全穩(wěn)定系數(shù)依然符合規(guī)范要求的情況，臨時邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)中的錨桿可以重復(fù)使用，以減少工程造價。

（3）類土質(zhì)邊坡的破壞滑動面與一般粘性土邊坡圓弧滑動面不同，失穩(wěn)滑動面的位置通常出現(xiàn)在全～強(qiáng)軟巖交界面處，出現(xiàn)不同圓弧與直線形相互組合的滑動破壞面，且隨著支護(hù)強(qiáng)度的提高，軟巖剪切面強(qiáng)度增加，邊坡開挖對滑動面干擾作用降低，失穩(wěn)范圍隨之減小。

（4）永久邊坡設(shè)計時應(yīng)充分考慮降雨入滲對邊坡穩(wěn)定的影響，在數(shù)值模擬計算時應(yīng)考慮降雨工況，按照規(guī)范進(jìn)行兩種工況下邊坡穩(wěn)定分析。

（5）與傳統(tǒng)設(shè)計軟件里正巖土相比，有限元分析不但能夠計算邊坡穩(wěn)定系數(shù)，同時能夠計算邊坡位移大小及最大位移發(fā)生位置，為支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考，特別是針對坡頂存在位移敏感的建筑邊坡設(shè)計，具有較大的應(yīng)用價值。由于該工點存在青奧長廊，對位移要求較為嚴(yán)格，進(jìn)行邊坡變形進(jìn)一步分析時可建立靜力分析模型，分析邊坡坡頂及邊坡各部分位移大小，為設(shè)計提供參考。