典型路塹邊坡開挖卸荷應(yīng)力變化特征與松馳規(guī)律

徐風(fēng)光，廖小平, ，王 浩

(1.中鐵科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 610036；2. 福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

近年來，隨著道路工程向山區(qū)快速發(fā)展，路塹邊坡破壞已成為山區(qū)道路工程建設(shè)較為突出的工程問題。路塹邊坡的失穩(wěn)破壞與自身所處復(fù)雜地質(zhì)條件、工程建設(shè)的環(huán)境條件及工程作用等因素密切相關(guān)，如大氣降雨、爆破施工、邊坡的開挖卸荷、防護(hù)加固對策等各種因素都將對路塹邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大影響。其中，邊坡的開挖卸荷是誘發(fā)路塹邊坡失穩(wěn)破壞最主要的工程原因，一直受到工程界的廣泛關(guān)注。

國內(nèi)開展邊坡開挖卸荷松弛問題研究主要以水利水電邊坡和路塹邊坡為主[1-5]。哈秋舲[6]通過對三峽等重點(diǎn)工程研究，較早地認(rèn)識到邊坡開挖卸荷所產(chǎn)生的問題，提出了卸荷巖體的各項(xiàng)異性特性。鄧建輝等[7]對三峽工程永久船閘北坡進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)，得到了邊坡巖體松動區(qū)的范圍。高大水等[8]采用多種監(jiān)測技術(shù)結(jié)合數(shù)值分析，將三峽船閘中隔墩巖體分為爆破-卸荷松弛帶、卸荷松弛帶和非卸荷松弛帶3個帶。肖世國等[9]通過數(shù)值分析，提出通過沿水平方向或坡頂?shù)孛婢€平行的參考線的應(yīng)力應(yīng)變變化曲線來確定坡體開挖松弛區(qū)的范圍。黃潤秋等[10-11]通過對邊坡開挖或河谷下切的卸荷過程的邊坡二次應(yīng)力場分布規(guī)律的研究，以三峽船閘高邊坡為典型實(shí)例，探討了卸荷帶的工程地質(zhì)意義及力學(xué)性狀表現(xiàn)。王浩等[12]基于典型邊坡的有限元開挖模擬，研究最大主應(yīng)力增量與塑性屈服區(qū)的特征與規(guī)律，提出了以開挖邊坡應(yīng)力張量增量的最大主應(yīng)力增減變化作為開始松弛區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。袁繼國等[13]基于工程案例采用有限元法模擬了邊坡的分級開挖，通過研究開挖過程中邊坡水平位移的變化，從坡面向里將邊坡開挖的擾動區(qū)分為松弛區(qū)、開挖變形區(qū)和衰減區(qū)。趙川等[14]提出了以剪應(yīng)變增量確定卸荷松弛區(qū)的方法，將開挖后巖體分為剪切變形區(qū)、開挖擾動區(qū)和應(yīng)力不變區(qū)。胡田飛等[15]提出了以偏應(yīng)力增量作為確定邊坡開挖松弛區(qū)的方法。陳洪凱等[16]針對均質(zhì)巖體邊坡，采用彈性理論楔形體力學(xué)模型，建立了開挖巖體邊坡卸荷帶寬度的計算公式。孫云志等[17]提出了以張開裂縫寬度、張開裂隙累計寬度、波速比等量化指標(biāo)作為谷坡巖體卸荷帶劃分的標(biāo)準(zhǔn)。

目前國內(nèi)有關(guān)邊坡開挖卸荷松弛問題的研究，多是基于三峽船閘邊坡、巖質(zhì)邊坡或重點(diǎn)邊坡案例展開的,國外相關(guān)成果較為少見。本研究從不同巖土強(qiáng)度、邊坡坡率和邊坡高度組合條件下的典型路塹邊坡開挖卸荷的應(yīng)力變化特征與規(guī)律方面開展研究，對補(bǔ)充和豐富路塹邊坡開挖卸荷松弛區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)與確定方法具有重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價值。

1 邊坡開挖卸荷應(yīng)力變化特征

1.1 邊坡開挖卸荷應(yīng)力松馳現(xiàn)象

邊坡開挖卸荷應(yīng)力松弛的定義可理解為邊坡開挖卸荷工程作用打破了原有邊坡的力學(xué)平衡，引起應(yīng)力調(diào)整或釋放至新的力學(xué)平衡，使開挖面附近一定區(qū)域或范圍內(nèi)巖土體應(yīng)力水平降低，該區(qū)域可稱之為邊坡開挖卸荷應(yīng)力松弛區(qū)。應(yīng)力松弛現(xiàn)象主要表現(xiàn)為邊坡巖土體向開挖臨空面方向發(fā)生卸荷回彈變形，使原巖結(jié)構(gòu)面張開或形成新裂隙，破壞了巖土體的完整性，使巖土體力學(xué)性能和強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的損傷劣化，從而誘發(fā)路塹邊坡失穩(wěn)破壞。

1.2 邊坡開挖卸荷的數(shù)值分析模型

根據(jù)路塹邊坡工程特點(diǎn)，建立圖1所示的典型路塹邊坡開挖卸荷的數(shù)值計算模型。該模型邊坡分級逐級開挖，單級坡高8 m，平臺寬度2 m。模型底部為雙向零位移固定模擬穩(wěn)定基巖，兩側(cè)采用水平零位移邊界，限制水平位移，容許豎向變形。

圖1 典型路塹邊坡數(shù)值計算模型

該模型材料為理想彈塑性Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，并基于以下基本假定：(1)邊坡應(yīng)力場為自重應(yīng)力；(2)遵循二維平面應(yīng)變假定；(3)不考慮結(jié)構(gòu)面和地下水影響；(4)采用強(qiáng)度折減法計算安全系數(shù)。

為考察巖土強(qiáng)度、邊坡坡率、邊坡高度對路塹邊坡開挖卸荷的影響。共設(shè)計如表1所示的12個數(shù)值計算模型，巖土物理力學(xué)參數(shù)見表2。邊坡開挖坡率參考《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2015)設(shè)計要求確定。邊坡高度體現(xiàn)為邊坡逐級開挖，不單獨(dú)進(jìn)行分析研究。

表1 路塹邊坡數(shù)值計算模型

表2 巖土物理力學(xué)參數(shù)

1.3 邊坡開挖卸荷應(yīng)力變化特征

根據(jù)上述建立的數(shù)值計算模型，結(jié)合前期既有研究[12]，邊坡開挖過程中，應(yīng)力不斷調(diào)整變化，其大主應(yīng)力增量的調(diào)整尤為明顯且呈現(xiàn)一定規(guī)律性，會在邊坡開挖面附近逐漸形成一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)，以下重點(diǎn)分析路塹邊坡開挖歷時過程的大主應(yīng)力增量Δσ1的變化特征。

1.3.1 坡殘積層路塹邊坡

(1)開挖坡率1∶0.75

開挖歷時過程的大主應(yīng)力增量變化如圖2所示。邊坡開挖4級后出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，該模型失穩(wěn)時安全系數(shù)為1.0(各開挖時步云圖變化量值范圍一致，最大值Δσ1=70 kPa，最小值Δσ1=-630 kPa，圖中粗線為Δσ1=0 kPa等值線,云圖中顏色由淺變深表示大主應(yīng)力增量逐漸增大，下同)。

圖2 坡殘積層路塹邊坡(1∶0.75)大主應(yīng)力增量云圖(單位:kPa)

邊坡開挖1級后，應(yīng)力就開始調(diào)整，坡腳附近應(yīng)力相對集中，坡面局部出現(xiàn)應(yīng)力降低現(xiàn)象。邊坡開挖2級后，邊坡開挖面附近應(yīng)力調(diào)整明顯，此時在第1級坡面表層出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)。

邊坡開挖3級后，應(yīng)力繼續(xù)調(diào)整，應(yīng)力降低區(qū)沿坡腳向上和坡體內(nèi)部逐漸擴(kuò)展，坡腳附近最為劇烈，并出現(xiàn)一定的范圍，主要在坡腳第1,2級邊坡淺層。

邊坡開挖4級后，出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，邊坡安全系數(shù)為1.0。從大主應(yīng)力增量云圖可明顯看出，應(yīng)力降低區(qū)域沿坡腳向上和坡體內(nèi)部迅速擴(kuò)展，與坡頂接近貫通，呈“長舌”狀。同時在邊坡的內(nèi)部形成1個Δσ1>0 kPa的應(yīng)力急劇增高帶，呈“狼牙”狀。邊坡開挖后最大剪應(yīng)變的形態(tài)和范圍與坡面附近的應(yīng)力降低區(qū)十分接近，如圖3所示。

圖3 坡殘積層路塹邊坡(1∶0.75)最大剪應(yīng)變云圖

在1∶0.75坡殘積層路塹邊坡模型中，隨著邊坡開挖高度增大，邊坡應(yīng)力調(diào)整量值和范圍逐漸加大，表現(xiàn)為沿坡腳向上和內(nèi)部逐漸擴(kuò)展形成1個“長舌”狀的應(yīng)力降低區(qū)，坡體內(nèi)部形成1個應(yīng)力值相對較大的“狼牙”狀應(yīng)力增高帶，坡腳附近應(yīng)力調(diào)整最大。

(2)開挖坡率1∶1.0

在1∶1.0坡殘積層路塹邊坡模型中，邊坡開挖4級后，由于坡率變緩，在開挖面附近大主應(yīng)力降低區(qū)的范圍變小，開挖面附近的應(yīng)力降低區(qū)主要位于坡腳第1級和第2級邊坡淺表層，呈“半核”狀，坡體內(nèi)部未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力急劇增高帶，其大主應(yīng)力增量Δσ1如圖4所示。

圖4 坡殘積層路塹邊坡(1∶1.0)大主應(yīng)力增量云圖(單位:kPa)

(3)開挖坡率1∶1.25

在1∶1.25坡殘積層路塹邊坡模型中，邊坡開挖4級后，在開挖面附近形成的大主應(yīng)力降低區(qū)的范圍繼續(xù)減小，開挖面附近的應(yīng)力降低區(qū)變成在坡腳第1級和第2級邊坡表層的“瓜片”狀，坡體內(nèi)部未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力急劇增高帶，大主應(yīng)力增量Δσ1云圖如圖5所示。

圖5 坡殘積層路塹邊坡(1∶1.25)大主應(yīng)力增量云圖(單位：kPa)

1.3.2 砂土狀強(qiáng)風(fēng)化層路塹邊坡

(1)開挖坡率1∶0.75

砂土狀強(qiáng)風(fēng)化層模型(坡率1∶0.75)開挖過程中的大主應(yīng)力Δσ1變化如圖6所示。邊坡開挖4級后發(fā)生失穩(wěn)破壞，停止開挖，安全系數(shù)為1.01(模型各開挖步云圖變化量值范圍一致，最大值Δσ1=100 kPa，最小值Δσ1=-600 kPa)。

圖6 砂土狀強(qiáng)風(fēng)化層路塹邊坡(1∶0.75)大主應(yīng)力增量云圖(單位:kPa)

邊坡開挖1級后，應(yīng)力開始調(diào)整，表現(xiàn)為坡腳應(yīng)力集中。邊坡開挖2級后，應(yīng)力調(diào)整明顯加大，在第1級邊坡表層形成1個應(yīng)力降低區(qū)，同時在降低區(qū)內(nèi)側(cè)形成1個與坡頂貫通的應(yīng)力增高帶。

邊坡開挖3級后，應(yīng)力調(diào)整繼續(xù)加大，在第1～2級邊坡開挖面淺表層附近形成1個應(yīng)力降低帶，坡體內(nèi)應(yīng)力增高帶向下延伸，范圍變大。

邊坡開挖4級后，應(yīng)力調(diào)整急劇增大，在邊坡淺層形成1個一定范圍與坡頂接近貫通的“長舌”狀應(yīng)力降低帶，坡體內(nèi)形成1個應(yīng)力急劇增高帶，向坡體內(nèi)應(yīng)力調(diào)整逐漸減小，此時邊坡失穩(wěn)破壞，最大剪應(yīng)變云圖如圖7所示。

圖7 砂土狀強(qiáng)風(fēng)化層路塹邊坡(1∶0.75)最大剪應(yīng)變云圖

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，該路塹邊坡隨著開挖高度的增加，逐漸在邊坡開挖面附近一定范圍內(nèi)形成1個與坡頂接近貫通的“長舌”狀應(yīng)力降低帶，坡體內(nèi)形成1個“狼牙”狀應(yīng)力增高帶，隨開挖高度逐漸向下和坡內(nèi)移動，范圍變大。

(2)開挖坡率1∶1.0

該模型邊坡開挖4級后，開挖面附近的應(yīng)力降低區(qū)與坡率1∶0.75相比，范圍減小，在第1～3級邊坡淺表層形成1個“半核”狀應(yīng)力降低帶，大主應(yīng)力增量Δσ1向坡內(nèi)平穩(wěn)增大至0，未在坡體內(nèi)部形成1個應(yīng)力急劇增高帶，大主應(yīng)力增量Δσ1如圖8所示。

圖8 砂土狀強(qiáng)風(fēng)化層路塹邊坡(1∶1.0)大主應(yīng)力增量云圖(單位:kPa)

(3)開挖坡率1∶1.25

在坡率1∶1.25的砂土狀強(qiáng)風(fēng)化層路塹邊坡模型中，邊坡開挖4級后，開挖面附近的大主應(yīng)力降低區(qū)的范圍，與坡率1∶0.75和1∶1.0的模型相比急劇減小，由邊坡開挖面一定范圍的“長舌”狀和“半核”狀變成1～2級邊坡表層的“薄層”狀應(yīng)力降低區(qū)，坡體內(nèi)未出現(xiàn)應(yīng)力急劇增高帶，如圖9所示。

圖9 砂土狀強(qiáng)風(fēng)化層路塹邊坡(1∶1.25)大主應(yīng)力增量云圖(單位:kPa)

1.3.3 碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化層路塹邊坡

(1)開挖坡率1∶0.25

1∶0.25碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化路塹邊坡模型開挖過程中的大主應(yīng)力Δσ1變化如圖10所示。邊坡開挖6級后，失穩(wěn)破壞，安全系數(shù)為0.98(模型各開挖步云圖變化量值范圍一致，最大值Δσ1=297 kPa，最小值Δσ1=-520 kPa，圖中粗線為Δσ1=0 kPa等值線)。

圖10 碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化層路塹邊坡(1∶0.25)大主應(yīng)力增量云圖(單位:kPa)

邊坡開挖1級后，應(yīng)力開始調(diào)整，主要為第1級坡腳應(yīng)力集中，Δσ1=0 kPa等值線位于坡體下部。

邊坡開挖2級后，應(yīng)力繼續(xù)調(diào)整，在第1級邊坡中上部淺表層形成1個明顯的“耳”狀應(yīng)力降低區(qū)，邊坡第1，2級均存在坡腳應(yīng)力集中現(xiàn)象，Δσ1=0 kPa等值線向下部移動，在坡面附近由緩變陡。

邊坡開挖3級后，應(yīng)力調(diào)整明顯增大，單級邊坡坡腳主要為應(yīng)力集中，在第1,2級邊坡淺表層分別形成2個“耳”狀應(yīng)力降低區(qū)，同時在第1級坡腳沿應(yīng)力降低區(qū)側(cè)界斜向上形成一個應(yīng)力急劇增高帶。

邊坡開挖4級后，應(yīng)力調(diào)整繼續(xù)增大，在第1～3級邊坡坡面附近形成“通耳”狀貫通的應(yīng)力降低區(qū)，坡體內(nèi)沿坡腳斜向上的應(yīng)力急劇升高帶逐漸變大，坡內(nèi)Δσ1=0 kPa等值線在形狀上呈現(xiàn)出從島狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘雿u狀。

邊坡開挖5級后，應(yīng)力調(diào)整繼續(xù)增大，在開挖面附近形成1個與坡頂接近貫通一定范圍的應(yīng)力降低帶，坡內(nèi)應(yīng)力增高帶沿坡腳向上和內(nèi)范圍擴(kuò)大。

邊坡開挖6級后，應(yīng)力調(diào)整急劇增大，邊坡面應(yīng)力降低區(qū)和坡內(nèi)應(yīng)力增高帶同時與坡頂基本貫通，此時邊坡已失穩(wěn)破壞，應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力增高區(qū)交界面附近的應(yīng)力調(diào)整十分劇烈，數(shù)值上為Δσ1很大，最大剪應(yīng)變云圖如圖11所示。

圖11 碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化層路塹邊坡(1∶0.25)最大剪應(yīng)變云圖

該模型邊坡隨著開挖高度逐漸增大，邊坡開挖面附近的應(yīng)力降低區(qū)由單級向多級逐漸貫通成帶，坡內(nèi)Δσ1=0 kPa等值線的形狀從島狀向半島狀轉(zhuǎn)變。當(dāng)邊坡6級開挖后，邊坡形成1個與坡頂基本貫通的三角狀降低帶，在應(yīng)力降低帶的側(cè)界為應(yīng)力急劇增高帶。

(2)開挖坡率1∶0.5

在1∶0.5碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化路塹邊坡模型中，邊坡開挖6級后，大主應(yīng)力Δσ1如圖12所示。

圖12 碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化層路塹邊坡(1∶0.5)大主應(yīng)力增量云圖(單位:kPa)

該邊坡開挖過程中，應(yīng)力不斷調(diào)整，6級開挖完成后，開挖面附近的大主應(yīng)力降低區(qū)的范圍與坡率1∶0.25 相比明顯降低，主要集中在1～4級邊坡的淺表層，呈向上遞減的“倒三角”狀。坡體內(nèi)部的應(yīng)力急劇增高帶由坡體內(nèi)的大范圍變成坡腳的1個條帶狀。

(3)開挖坡率1∶0.75

在1∶0.75碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化路塹邊坡模型中，邊坡開挖6級后，大主應(yīng)力Δσ1如圖13所示。

圖13 碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化層路塹邊坡(1∶0.75)大主應(yīng)力增量云圖(kPa)

該邊坡開挖6級后，開挖面附近的大主應(yīng)力降低區(qū)的范圍與坡率1∶0.25和1∶0.75相比急劇減小，主要位于1～3級的單級邊坡表層，未貫通成片，坡體內(nèi)的應(yīng)力急劇增高帶消失，Δσ1=0 kPa等值線位于第4級邊坡坡腳，形狀上稍變陡。

1.3.4 中風(fēng)化層路塹邊坡

(1)開挖坡率1∶0.25

1∶0.25中風(fēng)化路塹邊坡模型開挖過程的大主應(yīng)力Δσ1變化如圖14所示(模型各開挖步云圖變化量值范圍一致，最大值Δσ1=1 000 kPa，最小值Δσ1=-445 kPa，圖中粗線為Δσ1=0 kPa等值線)。

圖14 中風(fēng)化層路塹邊坡(1∶0.25)大主應(yīng)力增量云圖(單位：kPa)

邊坡開挖1,2級后，應(yīng)力開始調(diào)整，在第1級邊坡上半部形成1個“耳”狀應(yīng)力降低塊，坡腳為應(yīng)力集中，Δσ1=0 kPa等值線由上向下移至坡腳附近。

邊坡開挖3,4級后，應(yīng)力調(diào)整增大，坡腳應(yīng)力集中，在單級邊坡1,2,3級邊坡中上部淺表層形成“串耳”狀應(yīng)力降低區(qū)，但未連成片。

邊坡開挖6級后，應(yīng)力調(diào)整明顯增大，坡腳應(yīng)力集中程度加大，第1～5級邊坡坡頂表層附近形成5塊“串耳”狀應(yīng)力降低區(qū)，等值線形狀由島狀變成半島狀。該模型應(yīng)力降低區(qū)主要為單級邊坡表層附近，呈“串耳”狀。坡內(nèi)Δσ1=0 kPa等值線由位于坡腳附近，坡體內(nèi)部形成1個“齒缺”狀的應(yīng)力增高區(qū)，最大剪應(yīng)變云圖如圖15所示。

圖15 中風(fēng)化層路塹邊坡(1∶0.25)最大剪應(yīng)變云圖

(2)開挖坡率1∶0.5

在1∶0.5中風(fēng)化路塹邊坡模型中，邊坡開挖6級后，大主應(yīng)力Δσ1云圖如圖16所示。

圖16 中風(fēng)化層路塹邊坡(1:0.5)大主應(yīng)力增量云圖(單位:kPa)

與坡率1∶0.25邊坡相比，其開挖面附近的大主應(yīng)力降低區(qū)的范圍明顯減小，但基本保持“串耳”狀的分布態(tài)勢。Δσ1=0 kPa等值線向下移動到第3級坡腳附近，整體形狀為半島狀。

(3)開挖坡率1∶0.75

在1∶0.75中風(fēng)化路塹邊坡模型中，邊坡開挖6級后，大主應(yīng)力Δσ1云圖如圖17所示。

圖17 中風(fēng)化層路塹邊坡(1∶0.75)大主應(yīng)力增量云圖(單位:kPa)

與坡率1∶0.25和1∶0.5的邊坡模型相比，開挖面附近的大主應(yīng)力降低區(qū)的范圍減小，主要位于第1～3級邊坡中上部淺表層，形成“半圓”狀的應(yīng)力降低區(qū)，邊坡4～5級坡頂附近的應(yīng)力降低區(qū)基本消失。Δσ1=0等值線位于3級坡腳附近，形狀稍變緩。

2 邊坡開挖應(yīng)力松弛區(qū)的分布規(guī)律

2.1 路塹邊坡開挖應(yīng)力松弛區(qū)的劃分

通過對上述12個典型路塹邊坡模型開挖過程中的應(yīng)力變化特征分析得到，路塹邊坡開挖過程中，坡體應(yīng)力逐漸調(diào)整，會在開挖面附近一定范圍或局部區(qū)域形成1個大主應(yīng)力劇烈調(diào)整的應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力調(diào)整程度隨與坡面距離的增大而逐漸減小，最終坡體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)改變基本和初始應(yīng)力狀態(tài)基本相當(dāng)。基于上述研究成果，本研究將大主應(yīng)力增量Δσ1增減變化作為路塹邊坡開挖應(yīng)力松弛區(qū)劃分的特征參量。

為確定路塹邊坡開挖應(yīng)力松弛區(qū)，進(jìn)一步研究了大主應(yīng)力增量的數(shù)值大小與坡面距離之間的變化，結(jié)合開挖過程中的塑性區(qū)和最大剪應(yīng)變的變化，研究得到路塹邊坡開挖后的應(yīng)力場可分為如圖18所示的3個區(qū)域。其中應(yīng)力松弛區(qū)主要位于開挖面附近大主應(yīng)力增量負(fù)值突變區(qū)。應(yīng)力集中區(qū)位于應(yīng)力松弛區(qū)的側(cè)界，在坡體內(nèi)形成了1個應(yīng)力急劇增高帶或平緩過渡帶，大主應(yīng)力增量的數(shù)值可正可負(fù)。應(yīng)力不變區(qū)位于應(yīng)力過渡區(qū)外側(cè)至邊坡邊界之間的區(qū)域，應(yīng)力調(diào)整不明顯，大主力增量數(shù)值基本為0，見圖19。

圖18 路塹邊坡開挖后的應(yīng)力場劃分示意圖

圖19 大主應(yīng)力增量大小與坡面距離的變化曲線

2.2 路塹邊坡開挖應(yīng)力松弛區(qū)的分布規(guī)律

路塹邊坡開挖卸荷過程中，隨開挖坡率、高度、巖土強(qiáng)度不同，在邊坡開挖面附近形成的應(yīng)力松弛區(qū)的分布范圍和形態(tài)不同。

2.2.1 巖土強(qiáng)度

根據(jù)上述數(shù)值計算結(jié)果，隨著巖土體強(qiáng)度增加，邊坡開挖應(yīng)力松弛區(qū)范圍變小。坡殘積層或砂土狀強(qiáng)風(fēng)化層邊坡開挖后，邊坡開挖面附近形成的應(yīng)力松弛區(qū)為1個與坡頂接近貫通的“長舌”狀應(yīng)力松弛區(qū)，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化路塹邊坡在開挖面附近一定范圍形成1個與坡頂接近貫通的“通耳”狀應(yīng)力松弛區(qū)，中風(fēng)化路塹邊坡在單級邊坡坡頂表層附近的“串耳”狀應(yīng)力松弛塊。

2.2.2 開挖坡率

路塹邊坡隨著開挖坡率逐漸減小，邊坡開挖面附近應(yīng)力松弛范圍逐漸減小。在坡殘積黏性土和砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖模型中，邊坡開挖面附近由一定范圍的“長舌”狀應(yīng)力松弛區(qū)變成表層的“半核”狀松弛區(qū)，坡腳應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸消散為應(yīng)力松弛，坡體內(nèi)的應(yīng)力集中區(qū)由一定寬度的“狼牙”狀應(yīng)力集中帶逐漸消散。

在碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖模型中，隨著開挖坡率減小，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖模型中邊坡開挖面附近由大范圍與坡頂接近貫通的“通耳”狀應(yīng)力松弛區(qū)變成第1～3級邊坡淺表層的“倒三角”狀薄層松弛帶，中風(fēng)化花崗巖模型邊坡應(yīng)力松弛區(qū)由單級邊坡坡頂附近的“串耳”狀變成坡腳表層的薄層狀，坡體內(nèi)部的應(yīng)力集中區(qū)逐漸消散。

2.2.3 開挖高度

路塹邊坡開挖卸荷過程中，隨著邊坡的逐級開挖高度增大，邊坡應(yīng)力調(diào)整增大，開挖面附近的應(yīng)力松弛范圍不斷增大，應(yīng)力松弛由單級邊坡表層向多級邊坡深部逐漸貫通成區(qū)，坡腳應(yīng)力集中逐漸消散為應(yīng)力松弛。

2.3 典型路塹邊坡開挖應(yīng)力松弛區(qū)的分布圖

基于上述研究成果，典型路塹邊坡開挖后的應(yīng)力松弛區(qū)分布見圖20。在坡殘積或砂土狀強(qiáng)風(fēng)化路塹邊坡開挖面附近形成1個“長舌”狀的應(yīng)力松弛區(qū)，坡體內(nèi)部形成1個“狼牙”狀的應(yīng)力集中區(qū)。在碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化路塹邊坡開挖面附近形成1個“通耳”狀的應(yīng)力松弛區(qū)，坡體內(nèi)部形成1個“半島”狀應(yīng)力集中區(qū)。在中風(fēng)化路塹邊坡開挖面單級邊坡表層形成“串耳”狀的應(yīng)力松弛區(qū)，坡體內(nèi)部形成1個“牙缺”狀的應(yīng)力集中區(qū)。

圖20 典型路塹邊坡應(yīng)力松弛區(qū)分布

3 路塹邊坡開挖松馳效應(yīng)及工程應(yīng)用

3.1 路塹邊坡開挖卸荷松弛效應(yīng)

自然界的巖土體是1種經(jīng)地質(zhì)作用、外部環(huán)境影響的復(fù)雜材料，材料內(nèi)部不可避免的形成了許多形狀各異、大小不一的微裂隙。在路塹邊坡工程開挖卸荷作用下，局部可能從壓應(yīng)力調(diào)整為拉應(yīng)力，會導(dǎo)致這些微裂隙不斷擴(kuò)展、匯合或形成新裂隙，破壞了巖土體的完整性，導(dǎo)致巖土體強(qiáng)度發(fā)生損傷劣化，從而誘發(fā)路塹邊坡失穩(wěn)破壞。

3.2 路塹邊坡開挖卸荷力學(xué)參數(shù)的劣化規(guī)律

路塹邊坡巖土體開挖是1個卸荷的過程，其力學(xué)參數(shù)彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角會發(fā)生損傷劣化，前期根據(jù)卸荷力學(xué)和RFPA2D數(shù)值軟件[18]進(jìn)行了卸荷數(shù)值試驗(yàn)研究，得到了如式(1)所示的巖土體強(qiáng)度劣化規(guī)律：

(1)

式中，α(E)為彈性模量損傷量；α(c)為黏聚力損傷量；α(φ)為內(nèi)摩擦角損傷量；Δ為開挖卸荷量累計百分比。

3.3 工程應(yīng)用

本研究借助數(shù)值軟件，進(jìn)一步研究了開挖卸荷效應(yīng)對邊坡穩(wěn)定性的影響，見圖21和圖22(巖土體參數(shù)損傷劣化對路塹邊坡開挖的影響，是基于全場離散動態(tài)力學(xué)參數(shù)的路塹邊坡數(shù)值分析方法考慮的[18]，即根據(jù)邊坡開挖卸荷量，按式(1)所示的巖土體強(qiáng)度劣化規(guī)律，對邊坡開挖過程中的力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行動態(tài)調(diào)整；結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度影響主要是通過結(jié)構(gòu)面的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度綜合考慮的，即在彈性變形階段結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)為峰值強(qiáng)度，在塑性變形階段結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)變?yōu)闅堄鄰?qiáng)度)。

圖21 考慮巖土體強(qiáng)度損傷開挖后最大剪應(yīng)變云圖

圖22 考慮結(jié)構(gòu)面損傷開挖后最大剪應(yīng)變云圖

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果(如圖21所示，是一個開挖坡率為1∶1.0 的典型6級土質(zhì)邊坡開挖模型)。路塹邊坡受開挖卸荷效應(yīng)，巖土體強(qiáng)度損傷劣化，邊坡開挖4級后，邊坡失穩(wěn)破壞，見圖21(b)，未考慮巖土體損傷劣化時，邊坡6級開挖完成后，內(nèi)部未形成貫通的滑動面，見圖21(a)?；谏鲜鼋Y(jié)果可明顯看出，開挖卸荷作用對路塹邊坡穩(wěn)定性的影響十分顯著，而對山區(qū)高速公路建設(shè)過程中已出現(xiàn)問題的路塹邊坡研究時發(fā)現(xiàn)，此類型邊坡在建設(shè)過程中，如未進(jìn)行及時加固，多數(shù)邊坡在第3,4級開挖時即發(fā)生變形或破壞，在常用坡率且不設(shè)支擋加固條件下開挖6級土坡能保持穩(wěn)定的很少見，與本研究考慮卸荷作用的路塹邊坡數(shù)值分析結(jié)果一致。

根據(jù)上述計算結(jié)果，在結(jié)構(gòu)面考慮損傷時(見圖22(b))，邊坡第3級開挖后變形明顯，坡體中形成接近貫通的滑動帶，沿坡腳順傾結(jié)構(gòu)面剪出。未考慮結(jié)構(gòu)面損傷時(見圖22(a))，變形主要為坡腳順傾結(jié)構(gòu)面附近，坡體內(nèi)未形成滑動帶。

4 結(jié)論

本研究采用數(shù)值分析方法，系統(tǒng)研究了12個典型路塹邊坡開挖過程的應(yīng)力變化特征，提出了路塹邊坡開挖應(yīng)力松弛區(qū)的劃分方法，總結(jié)了不同巖土強(qiáng)度、開挖坡率和開挖高度的路塹邊坡開挖應(yīng)力松弛區(qū)的分布規(guī)律，并對路塹邊坡開挖卸荷效應(yīng)進(jìn)行了闡明及應(yīng)用研究，得到以下主要結(jié)論：

(1)路塹邊坡開挖過程中的大主應(yīng)力增量可作為邊坡開挖應(yīng)力松弛區(qū)劃分的特征參量，邊坡開挖后的坡體應(yīng)力場可劃分為應(yīng)力松弛區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力不變區(qū)3個區(qū)，應(yīng)力松弛區(qū)位于開挖面附近大主應(yīng)力增量負(fù)值突變區(qū)。

(2)路塹邊坡開挖形成的應(yīng)力松弛區(qū)與邊坡開挖坡率、高度、巖土強(qiáng)度密切相關(guān)。隨著路塹邊坡開挖坡率變緩，應(yīng)力松弛現(xiàn)象減弱，應(yīng)力松弛區(qū)由一定范圍的“長舌”狀逐漸變成“半核”狀，“通耳”狀逐漸變成“串耳”狀。路塹開挖高度越高，應(yīng)力松弛現(xiàn)象越明顯，由單級邊坡表層的應(yīng)力松弛區(qū)逐漸變成多級邊坡貫通的松弛區(qū)。邊坡開挖巖土強(qiáng)度越高，應(yīng)力松弛現(xiàn)象越弱，應(yīng)力松弛區(qū)由一定范圍“長舌”狀逐漸變成表層的“半核”狀，或“通耳”狀變成多級邊坡坡頂附近的“串耳”狀。

(3)路塹邊坡開挖卸荷效應(yīng)會引起巖土體強(qiáng)度的損傷劣化，在邊坡穩(wěn)定性計算分析和防護(hù)加固工程設(shè)計時，應(yīng)充分考慮開挖卸荷效應(yīng)的影響。