不同卸荷方式对炭质泥岩路堑边坡孔压和稳定性的影响研究

蔡 军，许胜才，程 昀

(贺州学院 建筑工程学院，广西 贺州542899)

不同卸荷方式对炭质泥岩路堑边坡孔压和稳定性的影响研究

蔡 军，许胜才，程 昀

(贺州学院 建筑工程学院，广西 贺州542899)

为分析不同地下水位在边坡开挖过程中孔压的变化规律以及孔压和卸荷的耦合作用对边坡稳定性的影响，以广西某高速公路为依托工程，利用FLAC3D软件建立计算模型，计算分析炭质泥岩路堑边坡在不同开挖方式过程中边坡的孔压和稳定性的变化规律，研究结果表明：(1)卸荷会减小炭质泥岩边坡内部的孔压，从而降低边坡浸润线的高度，从而在一定程度上提高边坡稳定性；(2)在边坡约1/3高度以上进行开挖时，边坡卸荷越大边坡越稳定，在边坡1/3高度以下进行开挖时，边坡卸荷越大边坡安全系数越小；(3)对第二级边坡进行开挖时可采用先重后轻的方式，对第一级边坡开挖时可采用等重开挖方式，开挖过程中为确保边坡稳定应采取相应的措施降低地下水位。

路堑边坡；炭质泥岩；孔压；稳定性

路堑边坡安全稳定是影响道路正常运行的重要影响因素之一，而路堑边坡在改扩建过程中需对路堑边坡进行卸荷开挖，其对边坡内部的孔压和稳定性具有较大的影响，边坡卸荷和孔压变化对边坡稳定性的影响研究一直是岩土工程领域的热门课题。在孔压对边坡安全稳定性方面，相关学者已做了众多研究。刘红岩等[1-2]研究表明边坡的稳定性与地下水位的高低有关；文献[3-6]认为边坡在降雨期间会改变边坡土体的饱和状态，边坡部分土体会由非饱状态向饱和状态转变，从而影响边坡安全稳定，但其并未考虑边坡在开挖卸荷过程中对地下水位和边坡安全系数的影响；林同力等[7-10]分析了边坡开挖时的安全系数，但并未考虑边坡孔压对边坡稳定性的影响。

为进一步研究不同卸荷方式对炭质泥岩路堑边坡孔压和安全系数的影响，文中以广西某高速公路改扩建工程为背景，利用FLAC3D[11-12]有限差分软件建立数值模型，并采用流固耦合原理求解边坡开挖过程中孔压变化规律以及利用强度折减法分析卸荷和孔压变化对边坡安全稳定性的影响，进而确定边坡的最佳卸荷方式，为工程实践提供参考。

1 工程概况

1.1 工程地质概况

广西某高速公路所处的区域雨季时间长，雨量充沛，边坡的地下水位较高，选取本项目的K1251+000～K1251+180 的改扩建边坡工程作为研究对象，其地表植被主要以草灌为主，表层为褐黄、灰黄色硬塑状坡残积粘土，厚度较大，下伏基岩为中风化的泥岩，其物理力学参数如表1所示。

表1 边坡岩体物理力学参数

1.2计算模型

广西某高速公路原有边坡实际情况为边坡坡高24 m，边坡分为二级，每级边坡坡高均为12 m，坡度均为60°。由于原有公路进行改扩建，需对原有的边坡进行开挖，水文地质勘察资料显示，边坡内部地下水位最高为14.12 m，根据本项目高速公路的实际情况建立数值计算模型，模型的具体尺寸示意图如图1所示。在进行计算分析时，数值计算模型的下边界固定，上边界为自由边界，约束数值计算模型左右前后边界的水平位移，并采用Mohr-Coulomb准则描述土体的应力应变关系，以自重应力场作为初始应力场。

2 分析与讨论

为分析不同卸荷方式对炭质泥岩路堑边坡孔压和稳定性影响，文中采用三种开挖卸载方式，分别是先重后轻开挖、均重开挖、先轻后重开挖，分别计算边坡的安全系数、孔压变化规律。

为建立含地下水位边坡，利用fish语言进行建立含地下水位的边坡，并且计算初始孔压(如图2所示)，利用FLAC3D软件中的null模型模拟边坡的开挖区，在进行数值模拟分析时以边坡的开挖深度作为土体重量的指标，边坡开挖卸载过程中由于重力和孔压的变化导致边坡安全系数发生变化。根据不同开挖方案计算的安全系数变化规律确定边坡开挖卸荷的最优方案。

图1数值模型(单位：m)图2边坡初始孔压值

由于土体的渗透性 从而导致边坡的内部孔压为0的位置比原地下水位高，在分析过程中可将边坡内部孔压为0的位置视为边坡内部浸润线的位置。

2.1 等重边坡开挖对边坡稳定性的影响

边坡在进行等重开挖时，分三个阶段进行，每阶段边坡开挖深度为4 m，计算每个阶段开挖时边坡内部的孔压，边坡的安全系数变化情况，边坡在进行开挖过程中，安全系数的变化规律如表2所示，地下水位变化规律如图3、图4所示。

表2 边坡等重开挖方式对边坡稳定性的影响

图3第二级边坡等重开挖时地下水位的变化情况图4第一级边坡等重开挖时地下水位的变化情况

由图3、图4可知：边坡在进行第一、二阶段开挖时，边坡坡脚附近的地下浸润线整体下降，第三阶段开挖时边坡的浸润线已低于路面高度；边坡在进行第四、五、六阶段开挖时边坡的地下浸润线只在开挖区坡脚处局部下降。由表2可知，边坡未进行开挖时，边坡的安全系数为1.01，边坡处于基本稳定的状态。边坡采取等重方案开挖第二级边坡时，边坡安全系数先缓慢增加、后快速增加、最后趋近平稳，增加幅度分别为0.02、0.23、0.11，边坡的安全系数分别为1.03、1.26、1.37，边坡开挖过程趋于稳定。在对第一级边坡采用等重进行开挖时，安全系数先是缓慢增加后迅速减少，各阶段的安全系数分别为1.40、1.18、0.96。在进行最后一阶段开挖时边坡安全系数小于1，处于欠稳定状态。

综上所述，等重进行开挖时边坡浸润线的下降速度不断增加，浸润线的高度与边坡坡面的荷载有关，荷载越大边坡的地下水位越高。在对边坡进行开挖时，第二级边坡的卸荷重量越大边坡的安全系数越高，第一级边坡卸荷时应采取边支护边开挖的方式，从而确保边坡的稳定。

2.2 先重后轻边坡开挖对边坡稳定性的影响

边坡在进行先重后轻的开挖时，每级边坡均分三个阶段进行，开挖深度分别为7 m、4 m、1 m，计算每个阶段开挖时边坡内部的孔压，边坡的安全系数，边坡开挖过程中安全系数变化规律如表3所示，浸润线变化规律如图5、图6所示。

表3 边坡先重后轻开挖方式对边坡稳定性的影响

图5 第二级边坡先重后轻开挖时地下水位变化情况 图6 第一级边坡先重后轻开挖时地下水位变化情况

由图5、图6可知，边坡采取先重后轻的开挖方案时，第一阶段边坡的安全系数为1.19，与等重开挖方式相比，边坡地下浸润线急剧下降，边坡的安全系数迅速增加，原因之一为边坡土体的重力降低，导致下滑力减少，另一个原因为边坡内部的土体地下浸润线降低从而有助于边坡的安全稳定。由表3可知，在对第二级边坡进行开挖时，由于此时第一、二阶段的卸荷重量较大，边坡安全系数快速增加，增加幅度均在0.18左右，边坡处于稳定状态。第三阶段边坡开挖深度为1 m，边坡安全系数增加幅度较小为0.02。在对第一级边坡开挖时边坡的安全系数减小幅度先慢后快，直至边坡的安全系数为0.96，处于欠稳定状态。

综上所述，边坡在对第二级边坡开挖时，开挖深度越大，边坡的安全系数增加的幅度越大，边坡更倾向于稳定，因为此时边坡进行卸荷过程中能减小边坡的下滑力，并且第一级边坡未开挖的土体对边坡坡脚有压载作用，防止边坡下滑偏移。

2.3 先轻后重边坡开挖对边坡稳定性的影响

边坡采用先轻后重的方案开挖时，每级边坡分三个阶段进行，开挖深度分别为1 m、4 m、7 m，计算每个阶段开挖时边坡内部的孔压，边坡的安全系数。边坡开挖过程中安全系数变化规律如表4所示，浸润线变化规律如图7、图8所示。

表4 边坡先轻后重开挖方式对边坡稳定性的影响

图7第二级边坡先轻后重开挖时地下水位变化情况图8第一级边坡先轻后重开挖时地下水位变化情况

由图7、图8可知：边坡采取先轻后重的开挖方式时，边坡浸润线先是缓慢下降随后浸润线迅速下降，与边坡卸荷重量呈正比。对第二级边坡进行开挖时地下水位下降在坡面处整体下降，对第一级边坡开挖时边坡地下水位在开挖区处局部下降。由表2可知：在对第二级边坡进行开挖，第一阶段与第二阶段的卸荷重量较小，边坡安全系数先缓慢后快速增加，边坡逐渐趋于稳定状态。在对第一级边坡进行开挖时，安全系数先缓慢增加后急剧下降，安全系数减小幅度达到0.43，边坡处于欠稳定状态。

针对整个边坡而言，在边坡约1/3的高度以上进行边坡开挖，能增加边坡的安全系数，有助于边坡的安全稳定。在边坡约1/3的高度以下进行边坡开挖，安全系数开始减小，并且越往下边坡的安全系数越小，减小幅度越大。

3 结论

(1)综合三种开挖卸荷方式，边坡在进行开挖卸荷时，随着卸荷重量增加，边坡的安全系数呈现先增加后减小趋势，对于整个边坡而言，边坡安全系数变化的拐点在边坡1/3的高度。

(2)边坡在卸荷过程中，边坡卸荷重量越大地下水位下降越明显，在对第二级边坡开挖时，坡面的浸润线整体下降直至低于路面高度，在对第一级边坡开挖时，浸润线只在坡脚处局部下降。

(3)开挖第二级边坡时，可采取先重后轻的开挖方式，快速减轻边坡坡面荷载，从而确保边坡的安全稳定；因第一级边坡对整个边坡坡脚具有一定的压载作用，开挖第一级边坡时可采取等重开挖方式，安全系数变化幅度较小，在卸荷过程中可采用降低地下水位确保边坡稳定性。

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Effectofdifferentunloadingmodesonporepressureandstabilityofcarbonshalecuttingslope

CAI Jun, XU Sheng-cai, CHENG Yun

(schoolofCivilEngineeringandArchitecture,HezhouUniversity,Hezhou542899,China)

In order to analyze the change law of pore water pressure under different groundwater levels during slope excavation, and the influence of pore pressure and unloading coupling on slope stability, relying on a highway project in Guangxi, a calculation model is established by using FLAC3D software, based on the fluid-structure interaction theory to calculate the pore pressure change law, and the change law of the pore pressure and stability of the slope in the excavation process is calculated and analyzed, the results show that: (1) Unloading will reduce the pore pressure of the carbon mudstone slope, and thus reduce the height of the saturation line of the slope, so as to improve the slope stability to a certain extent; (2) When the slope is about 1/3 height above excavation, the safety factor of the slope increases, and the safety factor of the slope below the slope height of 1/3 is reduced. (3) When the second grade slope is excavated, the method of first weight and less weight shall be adopted. For the first grade slope excavation, equal weight excavation method shall be adopted. In order to ensure the slope stability, corresponding measures should be taken to reduce the water table during excavation.

cutting slope; carbonaceous mudstone; pore pressure; stability

2017-06-12

2017年度校级科研项目自然科学类(2017ZZZK12)

蔡军(1988—)，男，江西抚州人，助教。

1674-7046(2017)05-0039-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.05.008

U416.1+4

A