基于FLAC3D错落体稳定性分析及治理效果评价

余和广，张俊德

(中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

错落是山区公路建设中遇到的一种特殊的岩质边坡变形类型，指被陡倾角的构造面与后山完整岩体分开的风化破碎的岩体，因坡脚受冲刷或人工开挖而被压缩，引起的坡体以垂直下错为主的变形现象。错落病害常位于路基挖方边坡、隧道进出口边坡。文献[2]指出了错落依附的地质基础条件、外貌特征、演变过程及变形特征；田义斌等研究了错落体稳定性与滑坡转化关系；文献[4]、[5]采用有限差分软件FLAC3D分析了岩质边坡稳定性；文献[6]-[8]进行了预应力锚索框架加固边坡数值分析及性能研究。该文针对青海某公路K8错落病害，通过建立地质边坡模型、预应力锚索框架结构模型，根据有限差分软件FLAC3D计算结果，采取必要的加固措施，以提高错落体的稳定性，保证错落体下方公路的长期安全运营。

1 工程背景

1.1 病害概况

K8错落体位于青海省某在建公路左侧，为南北走向高达200 m山脊的一部分，错落体由白垩系河口群厚层砾岩、粉砂质泥岩夹薄层砂岩组成，产状NE60°∠70°/NW14°∠18°，通过出露岩层显示，在路基面以上70 m高范围内发育9组砾岩、砂岩互层，其中6组发育于后部稳定岩层，3组发育于外侧错落体，错落体与稳定岩层之间以宽10 m的断层破碎带断开，如图1所示。公路选线时未发现该错落病害，原设计公路在错落体前部以路堑形式通过，路堑开挖过程中，本已压实到位的错落体再次出现整体滑动变形，错落体变形后沿公路宽120 m，垂直公路长83 m，前后高差60 m，平均厚约20 m，体积16×104m3。

1.2 变形特征

错落体一般为三段式变形，按先后顺序为：压缩密实阶段、下错变形阶段、转化为滑坡阶段。K8错落体变形处于最后阶段，以水平位移大于竖向位移的滑动变形为主，错落体整体水平位移3～8 m，竖向位移0.5～3 m。

图1 错落体地质断面图

错落体平面上分两级滑动，因断层破碎带存在，坡体上发育3条贯通的后缘拉张裂缝，如图1所示，裂缝宽1～3 m，可见深度5～6 m，两侧延伸至侧缘裂缝；东、西两侧缘均发育有错动裂缝，受两组节理(NE50°/SW67°、NW28°/SE73°)控制，裂缝近直线形分布，裂缝下错1.5～2.5 m，宽40 cm左右；错落体前缘可见多处岩体卸荷裂缝，裂缝延伸方向与临空面基本平行，裂缝宽20 cm左右，开挖出露岩体节理面(NW60°/SE25°)可见滑动擦痕，泥质夹层附着大量白色石膏。

1.3 变形原因

(1)错落体存在一组陡、缓顺倾不利节理组合(后缘依附面EW/SE65°、主滑段依附面NW60°/SE25°)；

(2)错落体以厚层砾岩、砂岩等硬岩为主要构成物质，下卧软垫层以薄层泥岩等软岩为主要构成物质，错落体岩层结构属上硬下软式结构，节理面为泥质填充物，且含有大量石膏，为软弱夹层，遇水后抗剪强度急剧降低。

(3)人为坡脚大范围路堑开挖，剪断错落体前缘支撑，打破应力平衡。

(4)错落体后部存在一个断层破碎带，利于大气降雨后地表水汇集下渗软化软弱夹层。

(5)原设计未设防护措施以及开挖后未及时增设防护措施。

在以上几个因素影响下，已稳定的错落体再次出现大范围滑动变形。

2 稳定性分析

2.1 极限平衡理论

极限平衡理论假设滑体均为刚性体，通过简化力学模型，当滑体处于极限平衡状态时，抗滑力与下滑力比值为稳定系数。当滑动面为折线形时，采用传递系数法计算滑坡的稳定系数。选取最不利主轴断面，采用传递系数法计算错落体稳定系数，计算结果见表1，自然工况下，稳定系数为0.933，在暴雨及其他不利因素作用下，其稳定系数进一步降低。

表1 错落体主轴断面稳定性计算结果

2.2 FLAC3D分析

在有限差分软件 FLAC3D边坡稳定性计算中，岩土体采用摩尔-库仑本构关系，视岩土体为一弹塑性体，且对c、φ强度同时进行双折减直至岩土体塑性区贯通达到破坏，此时得到的折减系数为稳定系数。

以边坡实际坡面线、原设计开挖线、软弱夹层建立主轴断面模型，以滑体(HT)、滑床(HC)、节理面(Interface)创建3个不同组材料模型。节理面填充的以泥岩为主的软弱夹层厚仅2～7 cm，为切合实际以接触面(Interface)形式建立。所有单元网格平均长1.5 m，以达到计算准确精度，模型如图2所示。滑体(HT)、滑床(HC)主要构成物质为厚层砂岩、砾岩，滑动面为节理面填充的以泥岩为主的软弱夹层(Interface)，岩体及软弱夹层力学指标见表2。由表2可知：砂岩、砾岩的弹性模量为软弱夹层的6～11倍，黏聚力为软弱夹层的11～13倍，内摩擦角为软弱夹层的2倍，FLAC3D数值计算中岩土体强度参数选取符合错落体岩层结构属于上硬下软式结构。通过FLAC3D计算，自然工况下，错落体稳定系数0.927，与传递系数法结果基本一致，稳定性计算结果及软弱夹层剪切应力云图如图2所示。

图2 FLAC3D稳定性计算模型及计算结果(单位：Pa)

表2 岩体及软弱夹层力学指标

3 治理措施

3.1 方案考虑

错落体段公路小里程侧100 m为公路隧道，已基本成型，大里程侧60 m为顺河桥梁，主体工程已完成大半。受已有工程和路线长度控制，无法改线绕避，因此治理错落病害是必然的。

若考虑刷方清除错落体，则刷方后在200 m高斜坡上形成一高60 m左右的人工边坡，一则对高边坡处治费用较高，再则该段岩层存在不利的软弱夹层，大范围刷方势必造成新的病害。因此在治早、治小的原则下，设计对错落体加固治理。

通过计算，错落体下滑力为1 380 kN/m，下滑力相对较大。若采用抗滑桩支挡方案，造价较高，故选择预应力锚索框架分级加固方案，其治理总体方案为：先行实施应急回填反压抢险工程，在错落体变形得到有效控制后，在已有坡型基础上适当顺坡，上部设置两级锚索框架分担下滑力，坡脚设置脚墙，同时辅以截排水进行综合治理。

3.2 治理措施

由于错落体已出现剧烈滑动变形，随时有可能从高空滑下，为保证施工安全，首先考虑应急抢险工程，待错落体稳定后实施永久治理工程。

(1)应急抢险工程

采用已有隧道弃方对错落体前缘回填反压，回填高10 m，顶宽5 m。反压后经地表位移监测，错落体无新增裂缝，已有裂缝无进一步发展，达到反压预期效果，可实施下一步永久治理工程。

(2)永久工程

在实施应急反压工程后，采取预应力锚索框架、坡脚挡墙、地表排水、填实裂缝综合治理，如图3、4所示，且严格按照由上至下逐级开挖加固的顺序施工。

图3 错落体治理平面图

图4 错落体治理断面图

4 效果评价

4.1 FLAC3D分析

(1)稳定系数对比

以治理后设计开挖线，沿公路长度以单片预应力锚索框架宽6 m重新建立工后效果评价数值分析模型，结构单元为锚索单元(Cable)、框架单元(Beam)，加固分2级，共计2片框架、12孔锚索。每孔锚索拉力为770 kN，锚索结构单元参数见表3，框架结构单元参数见表4，计算结果见图5。通过对比可知：治理前边坡稳定系数为0.927，治理后为1.537，治理后边坡稳定系数满足设计要求。

表3 锚索结构单元参数

表4 框架结构单元参数

图5 治理后稳定系数及滑动带剪切应力云图(单位：Pa)

(2)位移量对比

通过计算，治理前位移云图见图6、7，错落体启动变形瞬间，滑体水平位移基本上位于60～70 mm区间，最大位于坡脚，为84 mm；竖向位移基本位于25～45 mm区间，最大位于后缘，为64 mm。计算位移量与实际错落体启动滑动变形时基本相符。治理后位移云图见图8、9，滑体水平、竖向位移数据相对较小，可以忽略不计，说明治理后错落体变形已彻底消除，治理后稳定性满足设计要求。

图6 治理前水平位移云图(单位：m)

图7 治理前竖向位移云图(单位：m)

图8 治理后水平位移云图(单位：m)

图9 治理后竖向位移云图(单位：m)

(3)切应力对比

通过计算，治理前滑动带切应力基本位于220～248 kPa区间，最大位于坡脚约20 m附近，最小位于滑动带后缘。治理后滑动带中后部切应力基本位于90～180 kPa区间，中前部位于0～90 kPa区间，坡脚附近基本为0，说明治理后滑带土不会发生剪切破坏。

4.2 实用效果

病害治理工程从2011年11月完工至今，经历多次连续暴雨及多次强烈地震的不利影响，已完工工程措施完好无损，边坡未出现新变形，经受了时间的考验，保障了公路安全运营，治理工程取得了成功。

5 结论

(1)岩石具有很强的各向异性、非均质性、非连续性，岩质边坡的模型建立及参数选取应切合实际以得到准确的数值分析结果。

(2)错落体为岩质坡体，错落体后部稳定地层岩石的黏结强度较好，可提供满足设计要求的锚固力；错落体岩层结构属于上硬下软式，即使滑动后，硬质岩体整体性好且厚度大，利于框架通过锚索拉力将滑体整体约束并锚固至稳定地层，治理效果安全可靠。

对该错落病害治理，若采用传统的抗滑桩措施，其效果安全可靠，但造价高，治理费用大，工期长；若置不良地质条件于不顾，考虑不周全，贸然选择刷方清除错落体，在软弱夹层和不利节理面综合影响下必然引起更大范围的病害，增加治理费用及难度。

(3)严格贯彻“从上而下，开挖一级，支护一级”的施工原则。

原路堑开挖后，形成宽120 m、高25 m边坡未及时支护，引发错落体大范围变形，新增错落病害治理工程，增加工程投资；错落病害治理施工期间，施工方为加快进度，追赶工期，框架梁坡面连续开挖，高15 m坡面成形不足一个月，在软弱夹层、不利节理面、卸荷作用等多种不利因素影响下，错落体再次出现大范围滑动变形。在锚索已预埋的前提下，锚索顶端增设钢垫板，及时张拉锁定才得以控制变形，防止滑动范围进一步扩大。

(4)预应力锚索是治理错落病害关键工程，应通过钻孔严格校核地质情况，判断地层是否满足设计要求。在锚索施工过程中，应严格核对地层岩性及软弱夹层位置。如该文锚索锚固段设置于中后部的稳定岩层中，根据施工过程中钻孔揭露的地质情况，避免因地层发生变化，锚索锚固于断层破碎带或者不稳定的滑体导致锚固力不足，造成锚索工程失效从而导致整个治理工程失败。

(5)防患于未然，对未变形段坡体坡脚及时增设坡脚抗滑挡墙支挡，边坡加固范围延伸至错落体东、西两侧，确保公路内侧边坡长期稳定。