金沙江大橋麗江岸重力錨碇基坑邊坡穩(wěn)定性分析及加固措施

彭浩然廖小平胡平周文皎魏家旭

1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中鐵科學研究院有限公司，成都 610036；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；4.云南省建設投資控股集團有限公司，昆明650501

為確保路塹邊坡施工建設的安全及其道路運營投入的穩(wěn)定，對未發(fā)生災害的邊坡應做好有力支護，對已經(jīng)發(fā)生災害的邊坡應做好徹底整治［1-2］。同時，可借助數(shù)值分析軟件對邊坡穩(wěn)定狀態(tài)進行有效評估，從而更好地指導工程實踐［3-7］。王浩等［8］依托典型路塹高邊坡病害案例，研究了多次滑動狀態(tài)下的變形破壞特征及防治工程對策，采用節(jié)理有限元法模擬了邊坡漸進破壞演化過程，分析了滑動成因機制，并多方面闡述了滑坡治理成果。李庶林等［9］運用強度折減法，針對三道莊的高陡邊坡滑坡開展穩(wěn)定性分析評價，并系統(tǒng)地論證了滑坡治理加固的工程效果。喻永祥等［10］以雪浪山橫山寺西側高邊坡為研究對象，結合離散單元法計算在不同工況下邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)和破壞機理，利用模擬計算結果和后期監(jiān)測數(shù)據(jù)相互驗證，確保了工程治理措施的有效性。

本文參考以上文獻采用的模擬方法及研究思路，以云南香麗高速公路金沙江大橋麗江岸重力錨碇基坑西坡為例，采用有限差分軟件對該路塹邊坡加固防治的重要階段進行模擬分析，并利用強度折減法，評估其穩(wěn)定性狀態(tài)及防治工程效果。

1 工程概況

云南香麗高速公路金沙江大橋麗江岸重力錨碇基坑邊坡錨碇區(qū)地屬麗江市龍蟠鄉(xiāng)長勝村上莫古喜緩坡地帶［11］。原地形為一大型沖溝，溝谷內(nèi)堆積有多處不良地質(zhì)體，地貌高低起伏，凹凸不平。溝內(nèi)開挖面揭露主要為碎石土，黏土充填，含水豐富。

原設計邊坡為五級坡，高約48 m，每級坡高10 m，平臺寬2 m，各級邊坡依次布設錨索框架結構，錨索長度20~25 m。2016年8月，當開挖至第3級平臺時，邊坡大面積垮塌，對重力錨碇基坑的施工安全造成嚴重威脅。

對滑坡展開進一步分析調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該滑坡位于重力錨碇西側邊坡溝槽內(nèi)，斜坡表層分布松散體。當開挖至原設計3級平臺處，沿溝槽發(fā)生堆積體滑坡，滑體厚度約15 m，滑動體積約14.4萬m3，滑體物質(zhì)主要為碎石土。該滑坡主要表現(xiàn)為沿基巖頂面的堆積體滑動，滑面Ⅰ傾角約16°。但隨著邊坡變形持續(xù)擴展以及滑移體的蠕動擠壓，很可能會誘發(fā)深層滑動，進而產(chǎn)生沿強~中風化交界面的潛在滑動，潛在滑面Ⅱ傾角約20°。

因此，亟須對該邊坡滑坡進行整治加固，變更原設計方案，采用兩排抗滑樁+錨索的加固措施。下排抗滑樁設置在原邊坡2級平臺，共22根樁，上排抗滑樁設置在坡體中部，共18根樁，抗滑樁均采用圓形樁，旋挖成孔。樁頂以下布設多排錨索，均設置在腰梁上，邊坡設計加固斷面（K79+980）如圖1所示。

圖1 K79+980斷面邊坡加固示意

2017年6月，在抗滑樁施工完成并實施了第一次邊坡開挖之后，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)邊坡再次出現(xiàn)位移，同時抗滑樁樁頂處發(fā)生較大位移。由于錨索腰梁及時施作并發(fā)揮作用，坡體變形得以控制，邊坡恢復穩(wěn)定。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型參數(shù)的確定

選取具有代表性的剖面K79+980建立數(shù)值模型，模型全長235.0 m，高131.5 m，寬20.0 m。為有效提高計算效率、合理優(yōu)化計算精度，該基坑邊坡模型共劃分12 980個單元，14 714個節(jié)點。模型底面采用三向零位移邊界，側面均為水平零位移邊界，土體材料取理想彈塑性Mohr-Coulomb本構模型，開挖部分則采用內(nèi)置空模型。結合實際工程情況，考慮設置兩層滑面，分別為強風化板巖與上覆堆積層之間的堆積體界面（滑面Ⅰ）、強~中風化板巖間的風化界面（滑面Ⅱ）。除此之外的巖體結構面及次要影響因素暫不考慮在模型結構設計內(nèi)，地下水作用綜合反映并折算在其巖土強度參數(shù)中。結合現(xiàn)場相關試驗成果及穩(wěn)定狀態(tài)反分析方法，綜合確定該邊坡巖土體和各級滑面的力學參數(shù)，見表1、表2。

表1 巖土物理力學參數(shù)

表2 滑面物理力學參數(shù)

2.2 加固防治多過程分析

采用強度折減法計算得出自然條件下斜坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.24，處于穩(wěn)定狀態(tài)，與實際工程情況相符。分四個階段分析研究該邊坡的變形特征，并評價其支護加固效果，分析過程為：加固抗滑樁→第一次邊坡開挖→加固腰梁及預應力錨索→第二次邊坡開挖。

2.2.1 加固抗滑樁

在邊坡設計中，下排樁采用直徑2.5 m的旋挖圓形樁，樁長45 m，樁間距5 m，深入穩(wěn)定巖層以下數(shù)十米；上排樁采用直徑1.5 m的旋挖圓形樁，樁長35 m，樁間距5 m，深入基巖以下近10 m，抗滑樁結構布置如圖2所示。

圖2 抗滑樁結構布置

結合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)及樁-土界面性質(zhì)，綜合確定抗滑樁的結構參數(shù)，見表3。表中黏聚力及剛度取值均按單位長度計，切向耦合彈簧剛度和黏聚力參數(shù)反映樁土界面的剪切應力作用，法向耦合彈簧剛度和黏聚力參數(shù)反映樁土界面之間的法向力學作用。

表3 抗滑樁結構參數(shù)

運用強度折減法計算抗滑樁加固后邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.35，相較于自然斜坡更安全。這表明加固抗滑樁對穩(wěn)定邊坡起到重要支護作用，同時為后續(xù)坡腳處開挖重力錨碇基坑提供有力保障。

2.2.2 第一次邊坡開挖

在加固抗滑樁后，對邊坡實施第一次開挖?，F(xiàn)場第一次開挖三級邊坡后，坡體及樁頂均產(chǎn)生了不同程度的位移。由于及時加固完成腰梁錨索，邊坡變形得以有效控制。

1）自然工況

采用對第三級邊坡先整體開挖、再整體加固的模擬方案。第一次邊坡開挖高度近20 m，開挖土方量較大，容易危及邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。

在自然工況下第一次開挖后，邊坡的最大剪應變增量、塑性區(qū)分布及水平位移見圖3?？芍孩儆捎陂_挖松弛、卸荷回彈，坡體變形集中在邊坡開挖后的臨空側，以及依附于基巖頂面沿滑面Ⅰ末端向斜坡坡頂后緣延伸的剪切變形帶區(qū)域。②剪切屈服同樣集中在滑面Ⅰ末端向坡頂延伸的局部范圍，但此時屈服區(qū)還未與坡頂貫通，坡頂也尚未出現(xiàn)拉裂破壞。③水平位移主要發(fā)生在淺表堆積層界面以上，最大水平位移位于邊坡開挖臨空側頂部，達349.5 mm。結合現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)開挖后坡體變形特征與模擬結果相符，并且其樁體附近巖土體的位移均在同一量級，說明了該模型計算分析的合理性。

圖3 自然工況下邊坡第一次開挖后最大剪應變增量、塑性區(qū)分布、水平位移

上述變形特征表明，因坡體開挖，下部支撐削弱，沿滑面Ⅰ產(chǎn)生局部剪切變形，對邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。由于抗滑樁的支擋作用，坡體變形暫時得到一定程度的限制。

運用強度折減法計算第一次開挖后自然工況下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.09。此時邊坡穩(wěn)定系數(shù)較低，一旦遭遇連續(xù)降雨或其他工況作用，很可能造成邊坡整體失穩(wěn)變形，發(fā)生更為嚴重的病害。

2）降雨工況

為研究開挖后邊坡在降雨工況條件下的穩(wěn)定性狀態(tài)，假設邊坡巖土體重度為飽和重度，各級各段滑面巖土體抗剪強度力學參數(shù)折減至原強度95%，模擬預測降雨對邊坡的影響。

在降雨工況下第一次開挖后，邊坡的最大剪應變增量、塑性區(qū)分布及水平位移見圖4?？芍孩偌羟凶冃稳约性谶吰麻_挖后的臨空側以及沿滑面Ⅰ向坡頂后緣延伸區(qū)域，但相較于自然工況，開挖臨空面附近土體變形呈持續(xù)增大趨勢，滑面Ⅰ末端的剪切變形帶與坡頂基本連通。②剪切屈服區(qū)范圍明顯增加，主要表現(xiàn)為沿滑面Ⅰ末端向坡頂剪切屈服貫通，并且在坡頂處出現(xiàn)拉裂屈服。③水平位移的產(chǎn)生依附于堆積層界面，并有沿堆積層界面向臨空面方向的滑移趨勢，變形程度及范圍相較于自然工況明顯增大，其中最大水平位移達613.7 mm，比自然工況增大了75.6%。

圖4 降雨工況下邊坡第一次開挖后最大剪應變增量、塑性區(qū)分布、水平位移

在模擬預測的降雨工況條件下，坡體變形已由局部發(fā)展到整體，形成了貫通坡體內(nèi)部的剪切變形帶。與此同時，后緣裂縫張開并伴有局部下錯，不穩(wěn)定斜坡體對抗滑樁的擠壓作用變得更為明顯。經(jīng)計算，降雨工況下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)由自然工況的1.09減小到1.03，邊坡穩(wěn)定性進一步降低，產(chǎn)生了較為嚴重的坡體變形。

綜合邊坡的變形特征及穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，抗滑樁雖然對抑制邊坡變形起到一定的防護作用，但受開挖擾動及降雨作用的影響，下部坡體支撐受開挖削弱，滑面受雨水浸潤軟化，抗滑力減?。煌瑫r，地下水位上升，坡體自重增加，下滑力增大，致使邊坡產(chǎn)生嚴重失穩(wěn)變形。因此，需要及時對邊坡施加其他治理手段和防護措施，否則一旦發(fā)生大規(guī)?；聻暮?，治理難度將變得更大，費用也更高。

2.2.3 加固腰梁及預應力錨索

為及時治理邊坡病害，防止變形加劇，立即對邊坡采取了腰梁及預應力錨索加固措施。在下排樁樁頂以下1、5、9、13、17 m設置5φ15.2預應力錨索，上排樁樁頂以下1.5、4.5 m設置5φ15.2預應力錨索，鉆孔孔徑150 mm，抗拉強度為1 860 MPa。錨索位于圓形抗滑樁的兩側，且均布置在腰梁上，腰梁高0.5 m、厚0.45 m，腰梁及預應力錨索布置如圖5所示。

圖5 腰梁及預應力錨索布置示意

結合本工程實際情況，分別選用梁結構單元（beam）和錨結構單元（cable）模擬腰梁及預應力錨索結構。腰梁及預應力錨索的結構參數(shù)見表4、表5，表中黏聚力及剛度取值均按單位長度計。

表4 腰梁結構參數(shù)

表5 錨索結構參數(shù)

邊坡在腰梁及預應力錨索加固后的最大剪應變增量、塑性區(qū)分布及水平位移見圖6?？芍杭庸毯笃麦w剪切變形得到有效控制，塑性區(qū)分布顯著減少，同時滑帶末端未有任何變形跡象；最大水平位移由加固前的349.5 mm降低到102.5 mm，減小了70.7%，變形顯著降低。

圖6 腰梁及預應力錨索加固后邊坡最大剪應變增量、塑性區(qū)分布、水平位移

運用強度折減法計算加固后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.45，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

為進一步研究在不同階段抗滑樁的變形特征，沿樁深每間隔1 m設置監(jiān)測點，將不同模擬階段分別簡化為自然工況（第一次邊坡開挖后）、預測降雨工況（第一次邊坡開挖后）、加固工況（加固腰梁及預應力錨索），得到抗滑樁變形曲線見圖7。

圖7 抗滑樁變形曲線

由圖7可知：自然工況下抗滑樁產(chǎn)生了20 mm以上的撓度，與現(xiàn)場實際發(fā)生的樁體位移變形狀態(tài)相符。從自然工況到預測降雨工況，兩排抗滑樁的樁身撓度均有較大幅度提升，說明降雨條件下抗滑樁需要承受更大的滑坡推力來抵抗坡體變形滑動，因而產(chǎn)生的樁體位移更為顯著。在加固完成腰梁及預應力錨索后，樁身撓度明顯降低，表明腰梁錨索與抗滑樁的協(xié)同作用抵抗坡體下滑力，樁錨變形協(xié)調(diào)作用充分發(fā)揮，進而保障了坡體穩(wěn)定。另外，觀察上排樁的撓度曲線，發(fā)現(xiàn)樁體在預測降雨工況下產(chǎn)生了向滑動方向的整體偏位，表現(xiàn)出被推歪的狀態(tài)，說明上排樁深入基巖的長度還稍有欠缺，故產(chǎn)生偏位轉動。而下排樁的撓度曲線曲率隨樁深逐漸減小，樁體下部幾乎未發(fā)生任何位移，表明其埋深較大的嵌固端無法轉動，樁體僅發(fā)生撓曲變形。相較于加固前，坡體變形和樁身撓曲在腰梁及預應力錨索加固后均得到有效控制，邊坡穩(wěn)定系數(shù)由1.09提升到1.45，恢復穩(wěn)定狀態(tài)，因此對該邊坡實施腰梁錨索加固措施很有必要。

在完成腰梁錨索結構的加固后，對錨碇基坑西坡下排抗滑樁實施了深孔位移監(jiān)測，結果見圖8?？芍和ㄟ^對現(xiàn)場的長期監(jiān)測，測斜孔孔口以下13 m處的位移累計達到1.1 mm，其監(jiān)測孔位移較小，未發(fā)生明顯變形。綜合現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結果，發(fā)現(xiàn)兩者具有良好的一致性，說明了數(shù)值反演分析能夠較為真實地揭示邊坡災變過程，預測加固防護效果。

圖8 腰梁錨索加固后下排樁累計深部位移監(jiān)測曲線

2.2.4 第二次邊坡開挖

完成腰梁及預應力錨索加固后，開挖第一、二級邊坡，坡率按1∶0.3設計。邊坡在第二次開挖后的最大剪應變增量見圖9?？芍旱诙芜吰麻_挖并未引起明顯的剪切變形，說明腰梁及預應力錨索的加固防治對邊坡穩(wěn)定起到積極作用。運用強度折減法計算第二次邊坡開挖后的穩(wěn)定系數(shù)為1.43，相比開挖前僅損失0.02，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 第二次開挖后邊坡最大剪應變增量

研究第二次邊坡開挖后在預測降雨工況條件下的穩(wěn)定性狀態(tài)，仍采用假設邊坡巖土體重度設為飽和重度，各級各段滑面巖土體抗剪強度參數(shù)折減至原強度的95%的方法，用以模擬降雨對邊坡的影響。經(jīng)計算，第二次開挖降雨后邊坡的穩(wěn)定系數(shù)由自然條件下的1.43變化為1.40，滿足JTG D30—2015《公路路基設計規(guī)范》中對高速公路邊坡非正常工況穩(wěn)定系數(shù)的規(guī)定。通過對比數(shù)值模擬結果與后期運營監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其變形特性及坡體穩(wěn)定狀態(tài)與現(xiàn)場實際監(jiān)測結果相符，進一步表明腰梁及預應力錨索的加固防治措施具有必要性。

3 結論

1）邊坡開挖后，由于坡腳失去支撐，抗滑力主要由抗滑樁來承擔，產(chǎn)生的剪切變形主要集中在邊坡開挖后的臨空側以及依附于基巖頂面沿滑面Ⅰ末端向坡頂延伸的剪切變形帶區(qū)域。從開挖后的自然工況到預測降雨工況，坡體變形及樁身撓曲顯著提升，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。僅依靠抗滑樁支擋難以防控坡體變形，亟須其他加固措施維持坡體穩(wěn)定。

2）在完成腰梁及預應力錨索加固后，樁錨變形協(xié)調(diào)作用充分發(fā)揮，坡體位移及抗滑樁樁體位移均大幅降低。同時邊坡穩(wěn)定系數(shù)由加固前的1.09提升到1.45，即使在第二次開挖后的降雨工況下穩(wěn)定系數(shù)也保持在1.40，皆滿足設計規(guī)范中的穩(wěn)定性要求。這一結果表明腰梁及預應力錨索加固的有效性和必要性，為保障邊坡穩(wěn)定起到了關鍵作用。