灰岩路堑边坡分级开挖过程中稳定性分析

时 祥 （中铁二十四局集团安徽工程有限公司，安徽 合肥 230011）

安徽省公路通车总里程增长较快，根据《安徽省高速公路网规划（2016～2030年）》，我省正在并将继续大力发展高速公路建设。而公路边坡崩塌灾害问题也越来越突出，若处理措施不当，不仅会造成严重的伤亡事故，而且会造成恶劣的社会影响。本文以宿州市S404宿城至皖苏界改建工程一标段为依托，进行边坡分级开挖过程的稳定性分析，为类似高速公路边坡设计、施工提供参考依据。

1 工程概况

1.1 概述

以宿州市S404宿城至皖苏界改建工程一标段K18+430～K18+650灰岩边坡为研究对象，左侧平均防护高度为8.5m、16.5m，其中最高处为22.82m，右侧采用四级坡锚杆框格防护，平均防护高度为23.0m，最大防护高度为33.06m，坡率均为1:1，各级平台宽度2m。开挖方案见图1。

图1 高边坡分级开挖方法

1.2 地质概况

该地段基岩大部分出露较好，局部零星出露，基岩为寒武纪（ε）中风化石灰岩，灰黄色、灰色，隐晶质结构，中厚层状构造，岩性较坚硬，节理、裂隙较发育，岩芯较完整，见溶蚀现象，结构面抗剪强度为 80～105kPa，其饱和抗压强度为26.3～60.3MPa。岩体质量等级为Ⅳ～Ⅵ级，土石类别为坚石，构造物基础较好，局部见小型崩塌、滑坡。该区总体工程地质条件较好。

2 模型建立

根据工程现场实际边坡尺寸，1:1的建立模型单元，按照平面应变建立计算模型，厚度方向为1m，如图2所示。

图2 三维计算模型

采用摩尔库伦模型计算，计算参数如下表。

3 边坡分级开挖计算结果分析

3.1 开挖边坡应力特征

边坡分级开挖过程中造成应力不断调整，从图3和图4中可以看出，最大主应力和最小主应力随着分级开挖，在坡脚处出现了应力集中现象，需要在开挖过程中注意坡脚的防护，提高边坡施工过程中的稳定性。

从图5和图6中可以看出，剪应力和剪应变随着分级开挖，在坡脚处变化最为明显，造成边坡坡脚的稳定性降低，需要加强坡脚支护以提高边坡整体稳定性。

3.2 开挖坡体位移特征

图3 分级开挖最大主应力分布云图

图4 分级开挖最小主应力分布云图

图5 分级开挖剪应力分布云图

图6 分级开挖剪应变分布云图

从图7和图8中可以看出，分级开挖过程中对水平位移和竖向位移影响较大，其中，第三次和第四次开挖对位移影响较大，第三次开挖的水平位移为4.80mm，竖向位移为38.14mm，第四次开挖的水平位移为5.62mm，竖向位移为41.85mm，坡脚处位移最为明显，需加强坡脚支护。

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图7 分级开挖水平位移分布云图

图8 分级开挖竖向位移分布云图

4 边坡支护方案

通过以上分析，随着开挖工程的推进坡体内部应力逐渐加大，坡脚处可能产生局部破坏，因此，采取施工方案如下。

①边坡采用台阶式边坡：边坡防护设计自下而上按8m一级放坡，各级坡面坡率均采用1:1。

②边坡的坡面防护形式主要采用锚杆框格梁配合植草灌进行边坡加固防护，锚杆长度9m，钻孔深度为9.4m，一片框格梁肋柱长11.31m，横梁长5.98m，顶梁长5.98m，入射角为30°，两片之间留2cm伸缩缝。框格梁采用C20混凝土，竖肋基础采用C25混凝土，框格梁底部为2m宽平台。

③坡顶设置浅碟形截水沟，采用10cmC25混凝土护面，边坡平台设置平台截水沟，采用M7.5浆砌片石砌筑，尺寸为0.3 m×0.4m，坡脚处设置矩形排水沟，采用C25混凝土，尺寸为0.6m×0.6m。

5 结语

本文建立了路堑边坡分级开挖过程的数值分析模型，进行了最大主应力、最小主应力、剪应力、剪应变和位移在开挖过程中的边坡稳定性分析，表明了坡脚位置是防护的重点，应加强坡脚支护，并设计了支护方案，为现场边坡施工提供了依据。