寬平臺對路塹高邊坡穩(wěn)定性的安全調控機制

李 靖

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430071）

0 引 言

山區(qū)水利水電、礦山和交通建設常需要大規(guī)模挖方，形成不同規(guī)模的挖方高邊坡，強烈的卸荷作用會極大地改變初始地形，對邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)產生極大的不利影響[1-3]。阻滑段的卸荷使得挖方高邊坡整體和局部安全保障面臨挑戰(zhàn)[4-5]。

根據《建筑邊坡工程技術規(guī)范》（GB50330—2013）和《公路路基設計規(guī)范》（JTGD30—2015）對于一般邊坡的安全控制措施主要依靠坡率法+平臺相結合的方法，再增補錨桿索、樁錨、截排水等其他剛柔結合的加固及輔助措施，即坡率+平臺措施是基礎，坡率是根本，其他措施的有效性建立在坡率法能保證自穩(wěn)的基礎上，否則面臨極高的安全風險。

當前國內外對于挖方形成的高邊坡的研究主要集中在：①挖方高邊坡的靜動力穩(wěn)定性評價[6-9]；②挖方高邊坡的變形破壞機理[10-14]；③挖方高邊坡的設計方法[15-18]；④挖方高邊坡的加固措施及優(yōu)化[19-22]；⑤挖方高邊坡的安全監(jiān)測[23-26]。因此，挖方高邊坡的研究主要集中在由此造成的安全控制方面。

依托已經產生顯著變形破壞跡象的高速公路路塹高邊坡，采用極限平衡法[27]探討坡率和平臺對于該路塹高邊坡穩(wěn)定性的影響機制，獲取最佳的平臺寬度和設定位置；利用FLAC3D數值建模探討平臺寬度和不同位置設定寬平臺對路塹高邊坡的變形破壞特征的影響機制，獲取寬平臺對路塹高邊坡穩(wěn)定性的調控機制。

1 典型路塹高邊坡

1.1 典型路塹邊坡

由于開挖形成7級路塹高邊坡，7，6，5，4，3，2，1級坡由上至下開挖揭露的地層依次為：①第四系全新殘破積粉質黏土，褐紅色，硬塑，含少量巖石風化碎屑，6級坡中部-7級坡出露；②二疊系下統(tǒng)沙子坡上段強風化泥巖，灰紅色，薄層構造，巖芯多呈碎塊狀，2級坡頂部-6級坡中部出露；③二疊系下統(tǒng)沙子坡上段中風化泥巖，灰紅色，薄層構造，巖芯多呈碎塊狀，1級坡-2級坡頂部出露（表1，圖1）。

表1 路塹高邊坡各地層巖土力學參數

圖1 深挖形成的路塹高邊地質概況Fig.1 High cutting slope derived from deep excavation

造成路塹高邊坡變形破壞的根本原因在于阻滑段開挖卸荷部分的抗力大于坡面既有措施的加固力；滑移范圍的擴大化說明錨桿索的坡面有限深度加固作用顯著，深大滑移面的下滑力大于等于抗力，坡體發(fā)生變形破壞，運動特征明顯。

1.2 計算方案

利用極限平衡法，1級坡-2級坡，坡率1∶0.50，坡高10 m；3級坡-4級坡，坡率1∶0.75，坡高10 m；5級坡-7級坡，坡率1∶1.00，5，6級坡高10 m，7級坡高度8 m，下陡上緩），寬平臺尺寸分別為2，3，5，7，10 m，寬平臺分別設置在2級坡、3級坡、4級坡、5級坡、6級坡、7級坡平臺位置（圖1）。目的是獲取最佳平臺寬度和位置，同時為FLAC3D計算奠定基礎。

利用有限差分法，在FLAC3D平臺[28]，設計了3個相同位置不同平臺寬度工況，考察平臺寬度的影響，工況1各平臺寬度均為2 m；工況2：將5 m寬平臺設置在4級坡坡腳位置；工況3將10 m寬平臺設置在4級坡腳位置。為考察5 m寬平臺數量的影響，在6級坡增設1個5 m寬平臺工況。

圖2 坡頂變形開裂情況Fig.2 Ruptures at the top of high cutting slope

FLAC3D模型計算條件下如下：①邊界條件：模型側邊法向約束，底面全約束，表面自由；②本構模型：采用理想彈塑性本構模型；③破壞準則：摩爾-庫倫屈服準則；④計算參數：數值模擬參數選用該邊坡各地層巖土力學參數（見表1）；⑤初始條件：首先進行初始地應力平衡，后續(xù)通過移除單元體實現7級坡的7個開挖步的動態(tài)模擬，探討平臺寬度和位置造成的變形運動機制的變化，揭示寬平臺的增穩(wěn)機理和安全調控機制。

圖3 計算模型Fig.3 Numerical model for basic computing scheme

2 基于極限平衡法的平臺最優(yōu)參數

2.1 平臺寬度對穩(wěn)定性的影響

采用簡化Bishop方法，坡頂最后一道裂縫位置-距離坡頂約25 m位置剪入，坡腳剪出口控制在一級坡坡腳位置，自動搜索潛在滑面并計算穩(wěn)定性系數（圖4）。

圖4 平臺寬度-穩(wěn)定性系數演化曲線Fig.4 Curve of safety factor and platform width

從圖4可以看出，下邊坡穩(wěn)定性系數0.93，隨著寬平臺位置的確定后，穩(wěn)定性系數隨著寬度的增加逐步增加，3～5 m增幅最顯著；4級坡位置設置寬平臺的穩(wěn)定性系數演化曲線處于最頂端，增幅也是最大，5 m寬度的增幅脈沖最顯著，之后穩(wěn)定性系數曲線有個變緩段，增幅曲線有個低估，之后再增加，這里存在一個改善效率的問題，即平臺越寬上部卸荷方量越大，征地范圍增加，基于費效比原則，5 m寬度平臺在經濟性和安全性綜合考察下最優(yōu)。

2.2 寬平臺位置對穩(wěn)定性的影響

平臺寬度確定后，穩(wěn)定性系數隨著平臺高度的降低先增后減，寬平臺位置-穩(wěn)定性系數曲線10 m寬度曲線最高>7 m>5 m>3 m>2 m寬度曲線，穩(wěn)定性系數最高點在4級坡位置；增幅最大的是5 m寬平臺>10 m>7 m>3 m>2 m寬平臺曲線，最高點在4級坡位置。因此，5 m寬度平臺在4級坡位置經濟性和安全性綜合考察下最優(yōu)。寬平臺的機理在于通過寬平臺之上的卸荷使得其下邊坡受力改善，影響邊坡穩(wěn)定的高度要素降低，這是寬平臺的增穩(wěn)機制。之所以是5 m最優(yōu)，而不是其他寬度，這與上部坡體的材料屬性密切相關，也與坡體開挖造成的擾動范圍和應力應變場的改變有關，5 m之后增幅有個收窄的變化，綜合考慮費效比平衡，確定5 m平臺寬度最優(yōu)，后續(xù)分析在此基礎上進行（圖5）。

圖5 寬平臺位置-穩(wěn)定性系數演化曲線Fig.5 Curves of safety factor and wide platform location

3 寬平臺對路塹高邊坡調控機制

3.1 路塹邊坡變形特征

隨著邊坡開挖至5級坡、4級坡和3級坡，在5級坡的坡腳位置的剪應變逐步往坡頂發(fā)展，尚未貫通；開挖至2級坡，則5級坡、4級坡、3級坡坡腳的剪應變云圖分別發(fā)展貫通，3個潛在滑動面；開挖至1級坡，則5級坡、4級坡、3級坡、2級坡分別發(fā)展貫通，4個潛在滑動面。開挖至3級坡坡體尚能保持整體穩(wěn)定，開挖至2級坡或再往下開挖會造成路塹高邊坡多級滑動整體失穩(wěn)（圖6）。

路塹高邊坡的破壞主要是下部2級坡和1級坡的開挖造成的，之前雖有變形和運動但邊坡尚能保持整體穩(wěn)定，之后不能保持整體穩(wěn)定呈現多級滑移。

3.2 寬平臺對路塹高邊坡調控機制

邊坡安全特性的表征包括強度和變形兩方面，穩(wěn)定性系數描述了邊坡的整體和局部穩(wěn)定性，變形指標描述了坡面和坡體深部的運動特征和穩(wěn)定狀態(tài)，兩類指標是互補關系，目前尚沒有與安全系數標準嚴格對應的變形標準，對于變形描述的穩(wěn)定狀態(tài)更多的是觀察變形趨勢或者增速（圖7）。

圖6 路塹邊坡變形破壞特征云圖Fig.6 Contour of high cutting slope’s deformation features

由圖7（a）～（c）塑性區(qū)可知，隨著4級坡平臺寬度的增加，原設計下2級坡到頂部貫通整體滑動的破壞特征得到有效控制，5 m平臺上下部分的塑性區(qū)貫通的趨勢得到控制，下部邊坡塑性區(qū)連續(xù)性降低，上部塑性區(qū)的連通性相對下部要高，但是總體上還是沒有貫通，證明5 m寬平臺的設置對于路塹高邊坡的整體穩(wěn)定性調控顯著；4級坡平臺寬度增加到10 m，下部1～4級坡的塑性區(qū)范圍控制比5 m平臺的情況要顯著，但上部4～7級坡塑性區(qū)的范圍控制情況比5 m平臺的差。這說明平臺寬度的安全調控效果以5 m為宜，不是越寬越好。

由圖7（d）～（f）剪應變云區(qū)可知，原設計下2級坡、3級坡、4級坡、5級坡坡腳發(fā)育多級滑面，以2級坡坡腳的滑面運動特征最顯著，為優(yōu)勢滑面；4級坡設定5 m寬平臺下，僅5級坡位置存在未貫通潛在滑面；4級坡設定10 m寬平臺下，5級坡和7級坡發(fā)育多級滑面，運動特征顯著，說明4級坡設定5 m寬平臺對于路塹高邊坡的安全調控效果最佳，剪應變云圖的變化與塑性區(qū)揭示的結論類似。

開挖至6級坡以后，水平位移曲線有一小幅增加趨勢，其中10 m寬平臺位移增幅最大，表現為急劇抬升和脈沖增幅，說明上部邊坡已經發(fā)生較大運動變形，10 m寬平臺下的上部邊坡的變形穩(wěn)定狀態(tài)較差，最大位移由0.9 mm增加到12.6 mm，隨后小幅增加趨于平穩(wěn)。2 m平臺，開挖至3級坡以后，水平位移曲線急劇抬升，增幅急劇增大，4.5 mm到15.9 mm再到36.5 mm，增幅11.4 mm和20.7 mm，說明邊坡變形失穩(wěn)。5 m寬平臺，水平位移隨著開挖一直小幅增加，5級坡、4級坡開挖增幅相對較大，隨后趨穩(wěn)。開挖完成后的最大水平位移5 m寬平臺6.0 mm<10 m寬平臺20.9 mm<2 m寬平臺36.5 mm。不同開挖步下水平位移最大值揭示的5 m寬平臺安全調控效果最佳（圖8）。

圖7 平臺寬度對路塹高邊坡破壞特征的改變Fig.7 Deformation and failure features of high cutting slope changed by wide platform

圖8 不同平臺寬度下開挖位移曲線Fig.8 Curve of horizontal displacement and excavation platform under different platform width conditions

5 m寬平臺數量的增加，對上部邊坡的塑性區(qū)控制和剪應變云圖揭示的潛在滑移控制效果顯著，證明有限寬度寬平臺對路塹高邊坡整體和局部穩(wěn)定狀態(tài)的安全調控效果顯著，推薦最佳寬度5 m（圖9）。

這部分塑性和變形分析的結論是對極限平衡法分析結論的驗證和精細化修正，邊坡上部一般為下滑段，下部為阻滑段，平臺寬度越大，邊坡整體綜合坡率越低，卸荷造成下滑力減小，下部阻力不變，則邊坡越趨穩(wěn)定。隨之帶來的開挖方量增加，開挖擾動加劇，用地增加，若平臺寬度持續(xù)增加，高邊坡將演化為相對獨立的幾個有限高度邊坡，每部分的穩(wěn)定性增強，整體穩(wěn)定程度提高。綜合考慮高邊坡穩(wěn)定性和寬平臺的費效比，邊坡平臺并非越寬越多越好，探究合理寬度和設置寬平臺的數量有利于邊坡的優(yōu)化。

4 寬平臺對路塹高邊坡的增穩(wěn)機理

4.1 寬平臺對高邊坡的增穩(wěn)機理

阻斷機制，高邊坡的整體性和高度造成的規(guī)模效應被有效阻斷，將高邊坡分割為幾個有限高度的邊坡，各部分的穩(wěn)定性由于高度的降低得到極大改善；消能機制，寬平臺的消能機制有助于控制局部崩塌、坍滑造成的勢能轉化動能產生的威脅范圍擴大化問題，在露天礦領域邊幫安全控制上得到極好的應用和體現；增穩(wěn)機理，寬平臺的設置造成上部卸荷，下滑力減小，下部的抗滑力由于減重會有削弱，但總上有利于抗滑性能的提升和改善，在變形破壞特征和位移響應得到驗證。

4.2 寬平臺高邊坡加固

寬平臺的設置使得路塹高邊坡在不考慮加固措施下從原來的的失穩(wěn)（Fs<1.0）到基本可以維持自穩(wěn)（Fs>1.0）。

4級+6級坡設置5 m寬平臺加固效果最佳，即土石方量增加有限，但穩(wěn)定性系數在不考慮加固措施下可保證坡體自穩(wěn)（表2）。

圖9 5 m寬平臺數量造成的路塹高邊坡變形特征變化Fig.9 Deformation characteristics of high cutting slope changed by number of wide platforms with 5 m width

表2 不同寬平臺下路塹邊坡穩(wěn)定性計算結果及挖方量

5 結 論

1）穩(wěn)定性系數隨著平臺寬度單調遞增，寬平臺的穩(wěn)定貢獻隨著平臺高度逐步遞減，寬平臺位置-穩(wěn)定性系數曲線最外側高點曲線為4級坡位置5 m寬平臺曲線；平臺寬度-穩(wěn)定性系數增幅曲線增幅脈沖最大的是5 m寬平臺，路塹高邊坡穩(wěn)定性揭示的最優(yōu)寬平臺為5 m寬設定在4級坡平臺位置。

2）路塹高邊坡在開挖到2級坡形成5級坡、4級坡、3級坡坡腳到頂部貫通的3個潛在滑動面；開挖至1級坡，形成5級坡、4級坡、3級坡、2級坡坡腳到頂部貫通的4個潛在滑動面，即開挖至3級坡坡體尚能保持整體穩(wěn)定，開挖至2級坡或再往下開挖會造成路塹高邊坡多級滑動整體失穩(wěn)。

3）相對于原設計開挖下5級坡、4級坡、3級坡、2級坡發(fā)育4級滑動和4級坡設定10 m寬平臺下5級坡、7級坡發(fā)育2級滑面，4級坡設定5 m寬平臺下，僅5級坡位置存在未貫通潛在滑面，寬平臺的阻斷機制顯著；開挖完成后的最大水平位移5 m寬平臺6.0 mm<10 m寬平臺20.9 mm<2 m寬平臺36.5 mm，說明4級坡設定5 m寬平臺對于路塹高邊坡的安全調控效果最佳。

4）寬平臺對于路塹高邊坡的安全調控機制在于阻斷機制、消能機制和減滑增阻的增穩(wěn)機制。平臺寬度不是越大越好，以5 m為宜；加固效果排序為2個5 m寬平臺>1個5 m寬平臺>1個10 m寬平臺>2 m寬平臺，可以考慮間隔設置5 m寬平臺。