某高速K103+240～580边坡开挖与支护过程分析

2015-09-13杨树宝代帆周灏

重庆建筑 2015年9期

杨树宝，代帆，周灏

（1重庆市地质灾害防治工程勘查设计院，重庆 400700；2宝石机械成都装备制造分公司，四川成都 610000）

0 引言

近年来，随着西部大开发的不断深入，各类工程建设向西南山区不断发展，由于各种因素影响，高边坡工程问题日渐突出[1]。同时国内外不少学者、专家及工程地质技术人员，从工程地质学[2]、岩体力学、岩土工程学[3]和土力学等学科并结合现代计算机技术开展了卓有成效的研究工作，并取得了丰富的边坡工程经验，促进了理论和实践两方面的进步和发展[4]。例如巨能攀、赵建军、邓辉等[5]依托皖南山区汤屯高速公路，提出了一套操作性强的公路高边坡优化设计研究方法；周宏元、曾智勇[6]探讨了预应力钢筋锚杆框架梁加固与坡脚墙组合形成的轻型支护结构对土质或软质岩路堑的加固效果；赵晋乾、李天斌[7]，聂春龙[8]，许云华[9]等运用二维数值模拟软件分析了路堑边坡不同条件下的稳定性；杨溢[10]，汤正东[11]，杨国俊[12]等运用三维数值软件分析了边坡的应变特征。

本文以某高速公路K103+240～580段边坡为例，探讨“重力式抗滑挡墙+框架锚索”联合支护体系对高边坡的加固效果，为该支护体系对类似工程进行处置提供一定科学依据和借鉴价值。

1 边坡区工程地质条件

边坡位于某高速公路K103+240～580段，属暖温带季风湿润气候区，降水量一般在793.0～984.6mm之间，年平均降水851.7mm。地形起伏较小，高程1750～1840m，相对高差在60～70m，斜坡坡度一般为21～26°。边坡处于罗州～赫章背斜北西翼，岩层产状为70～83°∠5°～38°。下覆基岩主要为峨眉山玄武岩组（P2β）玄武岩和茅口组（P1m）石灰岩。地表水发育一般，地下水类型主要为基岩裂隙水，局部为松散堆积层孔隙水。

2 边坡基本特征[13-14]

2.1 形态特征

该段边坡位于高速公路右侧，1#边坡和2#边坡两段组成，见边坡平面图1。

图1 某高速公路k103+240～580段边坡平面图

1#边坡平面呈“圈椅”形状，横长约240m，坡高35～40m，坡向135°，该段边坡发生滑塌严重区域（HP1），平面呈“舌”状，主滑方向为135°，纵长约55m，横宽约80m，平面面积约0.31×104m2，前后缘相对高差26～28m，滑体厚约11m，体积3.3×104m3。

2#边坡平面呈“舌”形状，纵长约100m，高约31～36m，坡向128°。该边坡内发育两处滑坡分别为HP2和HP2-1。滑坡HP2平面呈“舌”形状，主滑方向为125°，纵长约40m，横宽约72m，平面面积约0.18×104m2，前后缘相对高差30～34m，滑体厚约6m，体积0.96×104m3。滑塌HP2-1平面呈“舌”形状，主滑方向125°，纵长约20m，横宽约62m，平面面积约0.11×104m2。前后缘相对高差11～13m，滑体厚约4m，体积0.28×104m3。

2.2 边坡结构特征

1#边坡由逆断层F1将下覆基岩分为灰岩区和玄武岩区两段。其中组灰岩区上覆红黏土，厚7～11m红褐色，可塑～软塑状，下覆基岩为灰岩，中厚层状构造，岩层产状130～150°∠32～42°，层面粗糙。灰岩岩溶发育，区内发育多处溶沟、槽，宽约2～5m，深约11～18m，沟槽内局部填充红褐色软塑状粘性土夹玄武岩角砾；玄武岩区，受断层影响，形成断层破碎带，岩体十分破碎。上部为粘土含强风化玄武岩角砾，灰黄色，硬塑～可塑状，厚约12～14m；下部为碎石角砾土，灰黄色，稍密～松散，碎石含量55～65%，粒径5～20cm。下覆基岩主要为强风化玄武，局部夹大块强风化灰岩，粒径一般40～70cm，碎块石为次棱角状～圆状，表面较光滑，厚度大于15m。

2#边坡上覆残坡积粘土，黄褐色、灰黄色，含少量强风化玄武岩碎石角砾，硬塑～可塑状，厚2～4m；下覆基岩主要以玄武岩为主，灰黄色、灰白色，强风化呈土状。坡体主要发育两组裂隙，分别为陡倾坡内裂隙，走向与边坡坡向近垂直的裂隙。

2.3 变形破坏特征

1#边坡变形特征主要表现在区域内发生滑动的滑坡HP1后缘发育多条张拉裂缝，裂缝宽约0.8～1.2m，局部下挫，可见最大深度约1.5m，延伸长度55～65m，呈圆弧状。

1#边坡变形特征主要为滑坡HP2后缘拉裂下挫2.2～2.8m，滑坡两侧形成多处剪切裂缝，长度22～28m。另外，滑塌体HP2-1后缘发育多条拉裂缝，裂缝从坡顶位置向南西方向发育，发育长度约65m，裂缝宽度2～5cm，局部下挫25～45cm。且在滑坡前缘，滑体在前缘剪出口位置向边坡临空方向已经剪出6～12cm。

3 边坡支护措施[13-14]

根据边坡结构特征、边坡变形特征、稳定性状态，结合公路沿线其他边坡设计施工情况，对该段边坡分三段进行治理。分别以2-2’、3-3’、4-4’作为代表剖面进行设计，在对边坡进行四级放坡后，均采用“重力式抗滑挡墙+框架锚索”的联合支护方式进行支护。

具体方案为：对边坡进行四级放坡，第一级坡率为1∶0.75，采用重力式抗滑挡土墙支护；第二级坡率为1∶1.25削坡，高度8m，采用锚索框格梁支护；第三级坡率为1∶1.25，采用框格锚索（杆）支护，锚索长度25m，格构间距4m×4m；第四级坡率为1∶1.5，采用框格锚杆支护，锚杆长度5m，格构间距3m×3m。边坡外及减载平台设截排水沟。见治理措施剖面图2。

图2 某高速公路k103+240～580段边坡4-4’治理工程剖面图

3.1 计算参数及边界条件选取

根据前期勘察资料及试验数据，结合现场调研资料及工程地质类比，综合确定边坡各岩土体的物理力学参数如表1。

表1 边坡岩土体物理力学参数

据区域地质资料及现场勘察资料显示，边坡所处区域岩土应力场以重力场为主，尤其该边坡处于地壳浅表层，其它构造应力场影响微弱。因此，本次有限元计算模拟边界条件采用边界节点固定约束类型。

3.2 模型构建及计算方法选取

综合考虑边坡岩土组成及岩体结构特征等边坡实际工程地质条件，在假定边坡岩体应力、应变之间的本构关系为弹塑性，岩体的破坏服从摩尔－库仑准则的基础上进行模型建立。本次有限元计算中，有限元单元的划分以三节点、三角形单元为主，辅以少量四节点、四边形单元，整个有限元计算网格模型如图3所示。

图3 有限元计算网格模型

3.3 稳定性分析

在Mohr-Coulomb强度准则的基础上，采用Mohgenstem-Prince法评价滑坡的稳定性，结果见图4。

图4 稳定性计算结果图

模型采用自动搜索滑面，滑面沿后缘裂缝至拟建挡墙顶部贯通，与实际滑面位置相符。稳定性系数为0.665，处于不稳定状态。若不及时支护，滑坡将失稳。所以此路堑边坡必须进行护坡处理才能满足要求。

3.4 边坡开挖后应力应变特征分析

数值分析成果图展示了一级边坡开挖后边坡岩土的应力应变特征，从图5中可见。

图5 （a）开挖后最大主应力特征

图5 （b）开挖后X-Y应变特征

图5 （c）开挖后最大剪应变特征

图5 （d）开挖后最大应变特征

（1）应力特征：据图5（a）可见，一级边坡开挖后，坡体内部最大主应力方向仍然保持与重力方向近于一致，但在坡体表面最大主应力方向发生一定偏转，与坡面近于平行，边坡最大主应力约1800kPa。

（2）应变特征：一级边坡开挖后，据图5（b）可见，X-Y方向应变特征近垂直斜坡坡面，从后缘裂缝位置到前缘挡墙顶部位置逐渐增大，沿滑带表现出“外凸内凹”的突变现象，最大变形达16mm；据图5（c）可见，受重力场作用，剪应变方向近平行于坡面，在基覆界面处形成变形集中带，最大剪应变约35mm；据图5（d）可见，受重力场作用，最大应变方向近平行于坡面，滑带处应变有一定程度的增加，在基覆界面处形成变形集中带，最大剪应变约34mm。

（3）综合分析：滑坡应力场特征在一定程度上表现出明显的受重力场控制的斜坡应力场特征；滑坡应变场特征明显，滑面及基覆界面处应变值较大。若不支护，滑坡将从拟建挡墙顶部剪出。

3.5 边坡按设计削坡后应力应变场特征

数值分析成果图（图6）展示了边坡按照设计削坡后边坡应力应变场的分布特征，从应力应变成果图中分析可见。

图6 （a）削坡后最大主应力特征

图6 （b）削坡后X-Y应变特征

图6 （d）削坡后最大应变特征

（1）应力特征：据图6（a）可见，削坡后，边坡最大主应力变化不大，最大值约为1800kPa。

（2）应变特征：据图6（b）可见，削坡后，X-Y方向应变特征变化明显，应变集中带向坡内基覆界面处迁移，最大应变值减小了2mm，为14mm；据图6（c）可见，削坡后，滑带两侧的剪应变方向近平行于坡面，滑带处应变出现突变，形成了两个应变集中带，分别位移三级削坡边坡前缘和斜坡内部基覆界面处，各应变集中带出最大剪应变约30mm和28mm；据图6（d）可见，削坡后，最大应变方向在三级边坡附近表现为“外凹内突”，向内转变为近平行于坡面，应变集中带向坡内迁移，形成于基覆界面处，最大剪应变约28mm。

（3）综合分析：按照设计坡率削坡后，边坡坡体内应力应变场较第一级边坡开挖时坡体内应力应变场发生一定变化。因分级削坡量较大，急剧减少了滑面上方的土体质量，重力减低明显，对坡面附近应力应变场产生了一定范围的改变，致使应变明显降低。削坡一定程度上控制住了滑坡的变形。

3.6 边坡支护后应力场及变形特征

图7展示了重力式抗滑挡墙+锚索框架梁支护后，边坡应力应变场的分布特征。

图7 （a）边坡支护后最大主应力特征

图7 （b）边坡支护后X-Y应变特征

图7 （c）边坡支护后最大剪应变特征

图7 （d）边坡支护后最大应变特征

（1）应力特征：据图7（a）分析可见，采用”重力式抗滑挡墙+框架锚索”支护后，最大主应力等值线图变现为“外凹内凸”，附近最大主应力有一定程度的增加，特别是在挡墙顶部后缘发生突变；锚杆附近最大主应力变化不大。

（2）应变特征：据图7（b）可见，支护后，X-Y方向应明显降低，较削坡后，最大X-Y应变值减小了6mm，为8mm；据图7（c）可见，支护后，剪应变值进一步降低，较削坡后，三级削坡边坡前缘的应变集中带基本消失，只有斜坡内部基覆界面处的应变集中带，最大剪应变约26mm；据图7（d）可见，支护后，近坡面最大应变明显降低，较削坡后，最大应变值减小了4mm。

（3）总体分析：“重力式抗滑挡墙+框架锚索”支护措施对边坡变形的作用效果明显，保证了边坡的稳定性。

4 结论

某高速公路K103+240～580段以路堑边坡形式通过，一级边坡开挖坡度较大，造成前缘临空侧岩土体变薄，为滑坡下滑形成有利的前缘剪出条件，致使滑坡失稳。为此提出了在一定的坡率放坡条件下，采用“重力式抗滑挡墙+框架锚索”的联合支护方案。通过geo-studio数值模拟软件对边坡开挖-削坡-支护过程的分析，得出以下主要结论与认识：

（1）边坡稳定性差，处于不稳定状态。若不及时支护，滑坡将失稳。一级边坡开挖引起的应力场改变是诱发边坡失稳的主要原因，其中边坡岩土结构及边坡所处的工程地质环境是边坡发生失稳的重要因素。

（2）削坡可引起边坡应力应变场的明显变化，削坡急剧减少了滑面上方的土体质量，重力减低明显，对坡面附近应力应变场产生了一定范围的改变，致使应变明显降低。削坡一定程度上控制住了滑坡的变形。

（3）“重力式抗滑挡墙+框架锚索”支护体系，对边坡变形起到有效的控制，确保了边坡稳定及保证了公路施工安全和其正常运营。且该支护体系结构受力良好，经济适用，在此类边坡中具有推广应用价值。

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