分級(jí)開(kāi)挖含泥化夾層的層狀斜坡穩(wěn)定性影響研究

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.003

文章編號(hào)：1673-4874（2025）01-0009-04

0 引言

我國(guó)是一個(gè)多山國(guó)家，山區(qū)面積在我國(guó)國(guó)土總面積的占比 gt;30% ，在山區(qū)修建高速公路時(shí)，不可避免地需要進(jìn)行大量邊坡工程建設(shè)，比較典型的邊坡工程為路塹邊坡的開(kāi)挖及支護(hù)。由于山區(qū)地形及工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜，其中夾層和巖體破碎化是導(dǎo)致山區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜的主要原因之一，軟弱夾層的存在是邊坡失穩(wěn)的一大誘因。因此，研究含軟弱夾層邊坡的穩(wěn)定性對(duì)指導(dǎo)路塹邊坡開(kāi)挖及支護(hù)設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

目前對(duì)含軟弱夾層邊坡穩(wěn)定性及支護(hù)方法的研究已取得了較多成果。李天降1依托某含軟弱夾層的路塹順層邊坡工程，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了夾層土的力學(xué)特性，然后通過(guò)Geostudio軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不同開(kāi)挖坡率工況下邊坡的穩(wěn)定性。穆成林等依托黔西地區(qū)某高邊坡開(kāi)挖工程，搭建了含多層軟弱夾層的高邊坡物理模型，進(jìn)行了不同開(kāi)挖工況下的物理模型試驗(yàn)，分析了邊坡在開(kāi)挖條件下的變形破壞模式，研究了含多層軟弱夾層的高邊坡在開(kāi)挖條件下的破壞機(jī)理。王川等3將裂隙擴(kuò)展判別方法通過(guò)二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用于數(shù)值模擬中，并建立了某裂隙巖體邊坡的數(shù)值模型，模擬了分級(jí)開(kāi)挖工況下邊坡劣化及失穩(wěn)過(guò)程。盧超波等[4]依托某鈣質(zhì)頁(yè)巖順層路塹邊坡工程，利用數(shù)值模擬方法分析了分級(jí)開(kāi)挖后邊坡局部滑塌的原因。王杜等5通過(guò)ANSYS-FLAC3D耦合方法，研究了含軟弱夾層路塹邊坡開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)隨著邊坡開(kāi)挖深度的增加，邊坡及軟弱夾層的變形均明顯增大，邊坡穩(wěn)定性降低。劉洪瑜等依托云南某緩傾紅層邊坡開(kāi)挖實(shí)際工程，建立有限元數(shù)值模型，分析了開(kāi)挖高度、開(kāi)挖進(jìn)尺和開(kāi)挖角度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。陳夢(mèng)發(fā)等依托西南地區(qū)某鐵路路塹軟巖邊坡工程，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及FLAC3D軟件的數(shù)值模擬方法，分析了不同開(kāi)挖階段及開(kāi)挖完成后邊坡的變形特征。曾錦秀利用FLAC3D軟件建立路塹邊坡模型，模擬邊坡分級(jí)開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程，研究了不同支護(hù)方法對(duì)邊坡加固的效果，確定了土釘墻 + 預(yù)應(yīng)力錨索為最優(yōu)支護(hù)方案。

本文依托某含多層泥化夾層的順層巖質(zhì)邊坡路塹開(kāi)挖工程，對(duì)泥化夾層進(jìn)行了物理特性試驗(yàn)和原位剪切試驗(yàn)，獲得了泥化夾層的物理力學(xué)參數(shù)，并依據(jù)實(shí)際工點(diǎn)通過(guò)FLAC3D軟件建立含多層泥化夾層的順層巖質(zhì)邊坡數(shù)值模型，分析了開(kāi)挖后不支護(hù)和開(kāi)挖后支護(hù)兩種工況下邊坡開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性，并對(duì)邊坡的支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1泥化夾層的物理力學(xué)特性

泥化夾層與普通軟弱夾層相比，具有厚度更小、強(qiáng)度更低等特點(diǎn)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響更大。

本節(jié)依托某含多層泥化夾層的順層巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖工程，對(duì)邊坡泥化夾層的分布及物理力學(xué)特性進(jìn)行分析。泥化夾層在該邊坡巖體內(nèi)呈平行分布的特點(diǎn)，傾角為 ，間距為 ，厚度為 0

1.1泥化夾層的物理特性

泥化夾層的顆粒級(jí)配是控制其強(qiáng)度、變形和泥化程度的重要因素，通過(guò)篩析法和密度計(jì)法測(cè)得該邊坡泥化夾層的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)，如圖1所示。

由圖1可知，泥化夾層的礫粒（ dgt;2m m 、砂粒 、粉粒 和黏粒（ 所占比例分別為0.985% 、8. 106% 、 13.778% 、77. 131% ，表明泥化夾層的顆粒組成以黏粒為主，泥化程度較高。

通過(guò)液塑限聯(lián)合測(cè)定法、比重瓶法、環(huán)刀法、烘干法得到泥化夾層的液限、塑限、比重、干密度和含水率，如表1所示。

1.2 泥化夾層的剪切特性

泥化夾層抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析起到至關(guān)重要的作用。由于泥化夾層取樣難度較大，且取樣擾動(dòng)對(duì)泥化夾層的力學(xué)特性會(huì)產(chǎn)生較大影響，因此考慮采用原位剪切試驗(yàn)獲取泥化夾層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。選取不同深度的兩個(gè)點(diǎn)位 ， $B（1.1＼mathfrak{m}）$ 分別進(jìn)行自然狀態(tài)和浸水狀態(tài)的原位剪切試驗(yàn)，并基于“摩爾一庫(kù)侖\"強(qiáng)度準(zhǔn)則，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到泥化夾層原位剪切試驗(yàn)結(jié)果如圖2和表2所示。

由圖2和表2可知，自然狀態(tài)下，泥巖夾層的黏聚力平均值為 26.918kPa ，內(nèi)摩擦角平均值為 ；而在浸水狀態(tài)下，泥巖夾層的黏聚力平均值為 ，相較于自然狀態(tài)下衰減了 49.22% ，內(nèi)摩擦角平均值為 ，相較于自然狀態(tài)下衰減了25. 63% ，表明泥巖夾層浸水后發(fā)生軟化，抗剪能力發(fā)生明顯劣化。

2數(shù)值模型的建立

為研究含多層泥化夾層的順層巖質(zhì)邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性，選取靠近邊坡中軸線(xiàn)的典型斷面，利用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，模擬開(kāi)挖過(guò)程中邊坡的變形及穩(wěn)定性。通過(guò)地質(zhì)勘察可知，邊坡的地層巖性組成包括紅黏土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、泥化夾層、中風(fēng)化粉砂巖，泥化夾層呈平行分布的特點(diǎn)，傾角為 ，間距約為 2m ，厚度為 。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD30—2015）的相關(guān)規(guī)定，對(duì)于挖方路基邊坡，應(yīng)采用分級(jí)開(kāi)挖支護(hù)的方式進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。該邊坡坡高 ，分四級(jí)開(kāi)挖，其中一級(jí)邊坡和二級(jí)邊坡的開(kāi)挖坡率為 1：0.5 ，三級(jí)邊坡的開(kāi)挖坡率為 1：0.75 ，四級(jí)邊坡的開(kāi)挖坡率為 1：1 相鄰兩級(jí)邊坡之間設(shè)置一個(gè)寬2m的平臺(tái)，一級(jí)邊坡采用錨桿框格梁支護(hù)，錨桿間距為 3m ，采用全黏結(jié)錨桿，錨桿長(zhǎng)度為 ，傾角為 ；二、三、四級(jí)邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索框格梁支護(hù)，錨索間距為 3m ，錨索長(zhǎng)度為 ，傾角為 ，錨固段長(zhǎng)度為 ，預(yù)應(yīng)力值為 300k N

建立數(shù)值模型時(shí)，在保證符合工程實(shí)際情況的基礎(chǔ)上可對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)為削弱邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)模型的計(jì)算范圍適當(dāng)放大。模型的邊界條件設(shè)置為：在模型底部設(shè)置水平方向和豎直方向的約束，限制其水平和豎直方向的位移，在模型前后左右4個(gè)邊界設(shè)置水平方向的約束，限制其水平位移，模型頂面為自由邊界，計(jì)算模型如圖3所示。計(jì)算模型中巖土體本構(gòu)模型采用摩爾一庫(kù)侖模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型采用彈塑性模型，巖土體模型參數(shù)取值如表3、表4所示。

本文擬設(shè)置兩種不同的計(jì)算工況：（1）開(kāi)挖后不支護(hù)；（2）每級(jí)邊坡開(kāi)挖后立即支護(hù)。研究開(kāi)挖擾動(dòng)對(duì)含多層泥化夾層的順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

3數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.1開(kāi)挖后不支護(hù)工況下邊坡的穩(wěn)定性

根據(jù)開(kāi)挖后不支護(hù)工況下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提取不同開(kāi)挖階段邊坡坡表不同高度的水平位移數(shù)據(jù)，如圖4所示。

由圖4可知，邊坡在未開(kāi)挖條件下，邊坡開(kāi)挖面位置的水平位移為 ，表明在自重作用下，邊坡的水平位移有向 X 負(fù)方向發(fā)展的趨勢(shì)，邊坡整體較為穩(wěn)定。當(dāng)開(kāi)挖三級(jí)、四級(jí)邊坡時(shí)，邊坡開(kāi)挖面的水平位移出現(xiàn)小幅增大，泥化夾層未被揭露，泥化夾層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較小，邊坡沿泥化夾層的下滑趨勢(shì)被坡前巖土體提供的抗滑力抵消，邊坡呈現(xiàn)整體穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)三級(jí)邊坡開(kāi)挖后，開(kāi)挖面的最大水平位移出現(xiàn)在二級(jí)邊坡開(kāi)挖面處，原因可能為邊坡上部巖體卸荷導(dǎo)致邊坡下部發(fā)生向外鼓脹變形的趨勢(shì)。當(dāng)開(kāi)挖二級(jí)邊坡后，邊坡開(kāi)挖面位置的水平位移明顯增大，最大水平位移為 ，泥化夾層在二級(jí)邊坡的開(kāi)挖面上部分出露，導(dǎo)致出露的泥化夾層以上的巖土體產(chǎn)生沿出露的泥化夾層下滑的趨勢(shì)，邊坡開(kāi)挖導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性明顯降低，邊坡整體產(chǎn)生向臨空面的水平位移。當(dāng)開(kāi)挖一級(jí)邊坡后，開(kāi)挖面位置大量泥化夾層被揭露，因開(kāi)挖導(dǎo)致坡前巖土體提供的抗滑力大幅減小，邊坡沿泥化夾層朝向臨空面產(chǎn)生較大的水平位移，邊坡整體失穩(wěn)。綜上，對(duì)含多層泥化夾層的順層巖質(zhì)邊坡進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，在不進(jìn)行支護(hù)的條件下，會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低，泥化夾層的揭露會(huì)大大提升邊坡穩(wěn)定性的劣化程度，二者共同作用，最終導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)。

3.2開(kāi)挖后支護(hù)工況下邊坡的穩(wěn)定性

根據(jù)開(kāi)挖后支護(hù)工況下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提取不同開(kāi)挖階段邊坡坡表不同高度的水平位移數(shù)據(jù)，如圖5所示。

由圖5可知，在考慮分級(jí)支護(hù)的條件下，當(dāng)開(kāi)挖三級(jí)、四級(jí)邊坡時(shí)，邊坡開(kāi)挖面的水平位移較小，且在三級(jí)、四級(jí)邊坡開(kāi)挖面位置，邊坡表面出現(xiàn)較大的朝向 X 負(fù)方向的水平位移，這是因?yàn)榭蚋窳涸陬A(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)應(yīng)力作用下，向開(kāi)挖面施加與臨空方向相反的壓力，使得邊坡穩(wěn)定性明顯提高。在開(kāi)挖一級(jí)、二級(jí)邊坡后，邊坡開(kāi)挖面雖然也出現(xiàn)了明顯的水平位移，邊坡穩(wěn)定性出現(xiàn)明顯降低，但在支護(hù)結(jié)構(gòu)作用下，邊坡整體仍保持穩(wěn)定狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力錨索框格梁代替原有的坡前巖土體發(fā)揮了抵抗邊坡沿泥化夾層朝向臨空面位移的趨勢(shì)。

3.3不同工況下的邊坡穩(wěn)定性對(duì)比分析

為進(jìn)一步對(duì)比兩種不同計(jì)算工況下的邊坡穩(wěn)定性，提取不同開(kāi)挖階段的邊坡沿 X 正方向的最大水平位移繪制不同開(kāi)挖階段開(kāi)挖面沿 X 正方向的最大水平位移曲線(xiàn)，如圖6所示。通過(guò)有限差分強(qiáng)度折減法計(jì)算不同開(kāi)挖階段邊坡的安全系數(shù)，繪制不同開(kāi)挖階段邊坡安全系數(shù)變化曲線(xiàn)，如圖7所示。

由圖6和圖7可知，開(kāi)挖三級(jí)、四級(jí)邊坡時(shí)，開(kāi)挖后不支護(hù)和開(kāi)挖后支護(hù)兩個(gè)工況下邊坡開(kāi)挖面水平位移和邊坡安全系數(shù)變化基本一致，開(kāi)挖面水平位移較小，邊坡穩(wěn)定性較高，在開(kāi)挖四級(jí)邊坡后，無(wú)論是否支護(hù)，邊坡的安全系數(shù)均有小幅提升。當(dāng)開(kāi)挖一級(jí)、二級(jí)邊坡后，兩個(gè)工況下的邊坡開(kāi)挖面水平位移均快速增大，安全系數(shù)均明顯降低。在一級(jí)邊坡開(kāi)挖完成后，開(kāi)挖后不支護(hù)工況下邊坡開(kāi)挖面的最大水平位移達(dá)到 108.5m m ，安全系數(shù)為0.8，判定邊坡發(fā)生失穩(wěn)；開(kāi)挖后支護(hù)工況下邊坡開(kāi)挖面的最大水平位移為33.5mm，安全系數(shù)為1.1，邊坡整體為穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明分級(jí)支護(hù)對(duì)于邊坡開(kāi)挖過(guò)程的穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用。

4開(kāi)挖邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

根據(jù)前文的計(jì)算結(jié)果可知，錨索框格梁支護(hù)對(duì)提高含多層泥化夾層的順層巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性有明顯效果，但按照初步支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，開(kāi)挖后邊坡雖仍為穩(wěn)定狀態(tài)，但安全系數(shù)僅為1.1，缺少足夠的安全儲(chǔ)備。因此，為進(jìn)一步探究支護(hù)結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響，對(duì)初步支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。本節(jié)利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，采用控制變量法設(shè)計(jì)計(jì)算工況，研究錨索間距、錨索長(zhǎng)度、錨索預(yù)應(yīng)力對(duì)開(kāi)挖邊坡支護(hù)效果的影響，具體計(jì)算工況及計(jì)算結(jié)果如表5所示。

由表5可知，開(kāi)挖后的邊坡安全系數(shù)隨錨索間距的增大逐漸減小、隨錨索長(zhǎng)度的增大逐漸增大、隨錨索預(yù)應(yīng)力的增大逐漸增大。其中，錨索長(zhǎng)度對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響較大，而錨索預(yù)應(yīng)力 gt; 300kN后，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的提升較小。綜合計(jì)算結(jié)果，選取錨索間距3.0m、錨索長(zhǎng)度 、錨索預(yù)應(yīng)力300KN為最優(yōu)方案，并擬采用該方案對(duì)該邊坡進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。

5結(jié)語(yǔ)

（1）泥化夾層的級(jí)配良好，其顆粒組成以黏粒為主，泥化程度較高，泥化夾層在浸水后發(fā)生軟化，抗剪能力發(fā)生明顯劣化。

（2）對(duì)含多層泥化夾層的順層巖質(zhì)邊坡進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，在不進(jìn)行支護(hù)的條件下，開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低，泥化夾層的揭露會(huì)大大提升邊坡穩(wěn)定性的劣化程度，二者共同作用，最終導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)。

（3）在考慮分級(jí)支護(hù)的條件下，預(yù)應(yīng)力錨索框格梁代替原有的坡前巖土體發(fā)揮了抵抗邊坡沿泥化夾層朝向臨空面位移的趨勢(shì)，大大提高了邊坡開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性。

（4）開(kāi)挖后的邊坡安全系數(shù)隨錨索間距的增大逐漸減小、隨錨索長(zhǎng)度的增大逐漸增大、隨錨索預(yù)應(yīng)力的增大逐漸增大，選取錨索間距3. 錨索長(zhǎng)度 錨索預(yù)應(yīng)力300KN為最優(yōu)方案，并擬采用該方案對(duì)該邊坡進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。

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