錨桿加固路塹高邊坡開挖過程穩(wěn)定性分析

摘要：為研究路塹高邊坡施工階段開挖過程及錨桿加固對邊坡穩(wěn)定性的影響，文章以廣西某高速公路90 m高路塹邊坡工程為例，采用Midas GTS軟件建立邊坡三維模型，分析了開挖過程中錨桿加固前后邊坡位移場及穩(wěn)定性的演化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著邊坡自上而下開挖，各特征點的水平位移和豎向沉降逐漸增大，且豎向沉降整體上高于水平位移。無支護狀態(tài)下，邊坡開挖穩(wěn)定性系數(shù)由1.59逐漸下降至1.24；錨桿支護狀態(tài)下，隨邊坡開挖步數(shù)增加，潛在滑動面由局部淺層破壞轉(zhuǎn)化為整體性深層失穩(wěn)，邊坡穩(wěn)定性呈先下降后回升、隨后逐漸降低的趨勢，最終安全系數(shù)為1.39。采用錨固加固措施可有效抑制邊坡變形，提高邊坡的整體穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：道路工程；邊坡開挖；錨桿支護；穩(wěn)定性分析

中圖分類號：U441+.4A210693

0引言

隨著我國高速公路建設(shè)的迅速發(fā)展，公路不斷向山區(qū)延伸，不可避免地形成眾多的路塹高邊坡。路塹高邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)受到開挖卸荷、氣候作用、地質(zhì)條件、防護措施等因素影響。其中，邊坡開挖卸荷導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象時有發(fā)生，研究路塹高邊坡在開挖過程中支護前后的變形及穩(wěn)定性演化規(guī)律，對保證公路施工期間及后期運營安全具有指導(dǎo)意義［1-2］。

徐風(fēng)光等［3］研究了不同邊坡坡度、高度和巖土參數(shù)條件下12個典型路塹邊坡的開挖卸荷變化過程，揭示了邊坡開挖誘發(fā)的應(yīng)力、應(yīng)變特征及卸荷松弛損傷劣化效應(yīng)。劉振華等［4］利用有限元軟件模擬了不同支護狀態(tài)下土質(zhì)高邊坡開挖過程中位移場、應(yīng)變場及穩(wěn)定性的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)錨桿和框架梁協(xié)同作用支護效果最佳。王杜等［5］采用有限差分法模擬了含軟弱夾層路塹邊坡的開挖過程，研究表明軟弱夾層變形的突然增加帶動了邊坡的整體失穩(wěn)。萬全等［6］探討了不同開挖工況下邊坡合理開挖的施工工藝，結(jié)果表明開挖深度過大易形成剪切破壞帶，而深度過小易造成對邊坡的持續(xù)擾動。上述研究主要采用數(shù)值模擬的手段來研究施工開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響，但針對90 m高度及以上的土質(zhì)高邊坡施工開挖過程變形及穩(wěn)定性發(fā)展規(guī)律鮮有報道。鑒于此，本文以廣西某高速公路90 m高的土質(zhì)高邊坡工程為研究對象，利用Midas GTS軟件，建立三維有限元數(shù)值模型，探討錨桿支護結(jié)構(gòu)下路塹高邊坡開挖過程位移場及穩(wěn)定性的變化規(guī)律，以期為類似土質(zhì)高邊坡開挖施工及邊坡災(zāi)害防治提供技術(shù)支持。

1工程概況

廣西某在建高速公路K35+890～K36+150段左側(cè)路塹高邊坡，開挖深度較大，坡頂距設(shè)計路面標(biāo)高豎向最大高度達90 m，坡向約40°，屬于逆向切層坡。邊坡表面為第四系覆蓋層，覆蓋著5～18 m厚度的角礫土，灰黃色-黃褐色，稍濕，中密，結(jié)構(gòu)較疏松，碎石含量約為60%，母巖成分以硅質(zhì)巖碎塊為主；下伏主要為強風(fēng)化硅質(zhì)巖，黃褐-棕黃色，強風(fēng)化，薄層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，破碎程度較高。該邊坡地下水埋藏較深，主要為基巖和松散堆積層孔隙水，地下水位對該邊坡開挖無顯著影響。根據(jù)室內(nèi)試驗，得到邊坡土層相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

邊坡開挖地質(zhì)剖面及開挖順序如下頁圖1所示。該邊坡共分為9級開挖，自上而下開挖Ⅰ～Ⅸ區(qū)域，每級高10 m，邊坡平臺高1.5 m，邊坡坡率均為1∶1.5。根據(jù)邊坡地形、地質(zhì)條件及穩(wěn)定性驗算結(jié)果，考慮坡面局部楔形體滑塌及掉塊影響，本邊坡防護方案為：第1～7級坡采用錨桿格梁防護，每級布置3根32 mm錨桿，縱向間距為4 m，入射角度為25°，其余坡面采用植被混凝土進行坡面防護和綠化。

2數(shù)值模型的建立及計算步驟

2.1數(shù)值模型的建立

數(shù)值模擬采用有限元軟件Midas GTS進行計算，建立與實際工程相同的三維網(wǎng)格模型（見下頁圖2）。邊坡模型總長260 m，左側(cè)高135 m，右側(cè)高47.6 m，模型寬度取32 m。有限元模型共32 436個節(jié)點，30 856個單元。

模型底部為剛性約束，坡面為自由邊界，其余各面均受法向位移約束。角礫土和強風(fēng)化硅質(zhì)巖采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，錨桿采用彈性本構(gòu)模型模擬。邊坡按照自上而下的先后順序分9步進行開挖，在開挖計算過程中對邊坡開挖面上特征點（A、B、C、D、E、F）進行了實時監(jiān)測。

2.2數(shù)值計算步驟

根據(jù)實際邊坡的開挖步序，數(shù)值計算步驟為：（1）初始狀態(tài)下進行初始應(yīng)力場平衡，并將位移場和速度場清零；（2）開挖區(qū)域Ⅰ的坡體，計算至平衡狀態(tài)，同時勾選強度折減法計算邊坡穩(wěn)定性；（3）重復(fù)數(shù)值計算步驟（2），依次開挖Ⅱ～Ⅸ區(qū)域坡體；（4）進行數(shù)值模擬后處理，提取相關(guān)數(shù)據(jù)。

3計算結(jié)果及分析

3.1邊坡豎向沉降變化規(guī)律

圖3和圖4分別展示了邊坡特征點A～F無支護開挖和錨桿支護開挖過程中豎向沉降的變化曲線。由圖3和圖4可知：特征點A～E隨邊坡開挖過程的持續(xù)，豎向沉降逐漸增大，但每一開挖步數(shù)的增加速度不盡相同，處于相對較高位置先擾動而變形，邊坡開挖至相應(yīng)特征點時，其沉降會驟然增加，且沉降變化主要集中在特征點A～C的角礫土層；特征點F因上部邊坡滑動和路基卸荷回彈效應(yīng)，開挖至最下層時引起路基隆起作用。邊坡無支護開挖的最大豎向沉降為63 mm，而錨桿支護開挖的最大豎向沉降為48.5 mm。

3.2邊坡水平位移變化規(guī)律

圖5和圖6分別展示了邊坡特征點A～F無支護開挖和錨桿支護開挖過程中水平位移的變化曲線。由圖5和圖6可知：特征點A～E隨邊坡開挖過程的持續(xù)，開挖卸荷對邊坡變形的影響程度越大，水平位移逐漸增大，特

征點A和B的位移量顯著高于其余特征點，無支護開挖和錨桿支護開挖的最大位移均位于B點，最大位移分別為27 mm和20 mm。特征點F因路基中部受到坡體擠壓變形影響，水平位移為負(fù)值，并穩(wěn)定在2～3 mm。

3.3邊坡開挖過程穩(wěn)定性分析

圖7為邊坡在開挖過程中支護前后的穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律，由圖7可知：在放坡開挖狀態(tài)下進行邊坡開挖，邊坡安全系數(shù)呈逐漸降低趨勢，由1.59下降至1.24，放坡開挖完成后邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)不滿足Fs＞1.25的設(shè)計要求，該邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，需采取必要的支護措施。采用錨桿支護后，增強了邊坡自穩(wěn)能力和土體強度，從而提高了邊坡穩(wěn)定性。邊坡開挖穩(wěn)定性系數(shù)呈先下降后回升，隨后逐漸降低的趨勢，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最終下降至1.39。放坡開挖+錨桿支護的開挖方式比放坡開挖完成后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)提高了12.1%，邊坡穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

究其原因是，邊坡開挖前期對邊坡產(chǎn)生擾動，造成坡體應(yīng)力、應(yīng)變重分布，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸下降；開挖至第2步后，錨桿及時對每級邊坡進行加固，此時錨桿對滑體穩(wěn)定性起主導(dǎo)作用，且開挖土體減輕了邊坡的自重，從而使邊坡整體穩(wěn)定性有所提高，開挖至第4級邊坡時穩(wěn)定性系數(shù)達到最大值1.68；隨著向下大范圍繼續(xù)開挖，邊坡持續(xù)受到開挖擾動和卸荷作用，加上下滑力增大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低。

圖8為錨桿支護下邊坡開挖不同步數(shù)的剪切應(yīng)變增量云圖。由圖8可知：邊坡開挖步數(shù)前半段，邊坡滑動面主要集中在角礫土層，剪切滑動面表現(xiàn)為局部的淺層破壞；開挖后半段，錨桿將滑動體的下滑力傳遞到邊坡內(nèi)部，剪切應(yīng)變增量逐漸向坡腳和深層擴展，剪切滑動面表現(xiàn)為整體的深層破壞。

4結(jié)語

（1）在路塹高邊坡自上而下開挖作業(yè)過程中，各特征點的水平位移和豎向沉降呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，且豎向沉降整體上高于水平位移。路基中部因卸荷回彈效應(yīng)，產(chǎn)生向上隆起的現(xiàn)象。

（2）在放坡狀態(tài)下進行邊坡開挖，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)呈逐漸降低趨勢，由1.59下降至1.24，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，需要采取必要的支護措施提高邊坡穩(wěn)定性。

（3）在錨桿加固邊坡后，邊坡開挖過程中穩(wěn)定性系數(shù)呈先下降后回升、隨后逐漸降低的趨勢，最終安全系數(shù)為1.39，較邊坡放坡開挖完成時的穩(wěn)定性系數(shù)提高12.1%。

（4）邊坡開挖前半段，剪切滑動面表現(xiàn)為局部的淺層破壞；開挖后半段，錨桿將滑動體的下滑力逐漸傳遞到邊坡內(nèi)部，剪切滑動面表現(xiàn)為整體的深層破壞。

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作者簡介：陳亮勝（1996—），碩士，助理工程師，主要從事道路與橋梁施工管理工作。