开挖方式对缓倾红层边坡稳定性的影响

2020-12-07刘洪瑜张玉芳李嘉明侯李杰李健

铁道建筑 2020年11期

关键词：进尺坡体主应力

刘洪瑜张玉芳李嘉明侯李杰李健

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100083）

云南地区在高速公路边坡施工时，时常遇到红层。其岩性以砂岩、泥岩、页岩为主，岩性组合以互层为特征，具有透水性弱、亲水性强、遇水软化失水崩解、强度低的特点［1］。在缓倾红层边坡开挖施工时，由于坡脚失去支撑，边坡极易沿缓倾面发生滑塌［2-3］。

本文以云南一边坡为例，分析该边坡结构特征，建立简化的缓倾红层边坡模型，计算分析不同开挖高度、开挖角度、开挖进尺下边坡稳定性，探讨最优开挖方式组合，并分析该组合下缓倾红层边坡的变形特征［4-7］。

1 边坡模型概况

1.1 工点概况

所研究的边坡位于楚雄至大理高速公路沿线，全长141.527 m。设计方案为4级边坡，坡体高31.6 m，一、二级边坡设计坡率为1∶0.75，三、四级为1∶1.00。边坡设计如图1所示。

路堑边坡位于构造剥蚀中山地貌区。该地区山峦叠嶂，谷地错落，山脊一般狭长平缓，起伏较大。局部有陡峭孤峰，地形切割深度较深，山体坡度多在30°～45°。地表植被较好，多为针阔混交林。

图1 边坡设计

1.2 地层岩性

根据工程地质调绘及钻探揭露结果，该区段分布的地层岩性自上而下为：

1）粉质黏土。灰褐色，硬塑，局部含风化角砾碎块，含量约8%～10%。干强度中等，韧性差，刀切面无光泽。表层40 cm厚含植物根系。

2）强风化泥质砂岩。紫红色，砂质结构，层状构造，母岩成分以石英、长石、云母为主，含少量泥质成分。节理裂隙较发育。岩芯多呈块状，块径一般3～10 cm。岩体易碎，锤击易散，遇水易软化分解。

3）中风化泥质砂岩。青灰色，砂质结构，层状构造，主要矿物成分为石英、长石等。岩芯多呈块状，块径一般3～8 cm。节理裂隙发育。岩芯风化痕迹明显。

4）中风化砂岩。紫红色，砂质结构，层状构造，主要矿物成分为石英、长石等。岩芯多呈柱状，块径一般8～30 cm，局部碎块状，块径一般3～8 cm。节理裂隙较发育，约2～3条/m。

1.3 水文地质条件

地下水以松散层孔隙水和基岩裂隙水为主，孔隙水主要赋存于第四系砂卵石层、黏性土、碎石土层中，多以潜水形式出现，水量甚微；基岩裂隙水赋存于砂岩、泥岩的节理裂隙中，地下水水位较深，主要由大气降水及周围地表水入渗补给。

2 计算模型

2.1 缓倾红层边坡特征分析

该边坡上部强～中风化泥质砂岩与下部砂岩强度相对较高。中部黄绿色泥质砂岩夹层强度较低，且风化痕迹明显。边坡上部、下部的岩块强度对边坡稳定性有影响但不起控制作用。黄绿色泥质砂岩软弱夹层（图2）的抗剪强度很低，对边坡稳定性起控制作用。

图2 黄绿色泥质砂岩夹层

该边坡岩层产状为NW80°/SW25°，层面为倾向临空面的缓倾结构面，对边坡稳定性也起一定的控制作用。

2.2 简化模型

通过分析，该边坡坡体为三层结构，上下层为强度较大的岩层，中部为软弱夹层。层面倾角25°，倾向坡外。以此特征［8］建立简化模型如图3所示。

图3 简化模型

2.3 模型参数

结合相关试验与经验参数，并依据现有坡面的既有工程和实际情况确定岩土参数，见表1。

表1 计算断面岩土参数及主滑段反算指标参数

3 计算结果分析

3.1 开挖高度对坡体稳定性的影响

分析开挖高度h=20，30，40 m 时坡体稳定性［9］，不同开挖高度坡体总位移见图4。可知，坡体位移主要发生在中部夹层以上，随着坡体开挖高度的增加，坡体位移逐渐减小，但当开挖高度达到中部夹层以下时，坡体位移不再发生明显变化。开挖高度为20 m时，坡体最大位移为277 mm；开挖高度为30，40 m 时，坡体最大位移保持在223 mm。

图4 不同开挖高度坡体总位移（单位：m）

不同开挖高度时坡体最大主应力见图5。可知：①坡体上部应力曲线近似水平。②进入坡面后曲线发生弯曲，总体仍与坡面近似平行，但局部发生应力集中，而且随着开挖高度的增加应力集中程度也有所增加。③在坡脚附近，不同开挖高度对应力影响较大。开挖高度20 m 时，坡脚应力曲线保持与坡脚平行；开挖高度30 m 时，坡脚应力曲线弯曲程度加大，进一步产生应力集中；开挖高度40 m 时，坡脚应力重新分布。

图5 不同开挖高度坡体最大主应力（单位：MPa）

为了确定开挖高度增加对坡体稳定性的影响程度，对未开挖和开挖后的坡体安全系数进行分析。

开挖高度对坡体稳定性的影响度见表2。可知，随着开挖高度增加，其对坡体稳定性的影响逐渐变大，但是单位开挖高度对坡体稳定性的影响逐渐减弱。当开挖高度达到30 m 以上时，中部夹层完全露出后，坡体安全系数保持不变。

表2 开挖高度对坡体稳定性的影响度

3.2 开挖角度对坡体稳定性的影响

分析开挖角度θ=63°，45°，34°时坡体稳定性，坡体总位移见图6。可知，开挖角度为63°时，坡体位移最大，其值为170 mm，随着开挖角度的减小，坡体位移总体上也逐渐减小；坡体变形区域均为开挖区域，说明开挖对坡体的稳定性产生影响。

图6 不同开挖角度时坡体总位移（单位：m）

不同开挖角度时坡体最大主应力见图7。可知，坡体应力曲线总体上与坡面保持平行，但是随角度增加，应力曲线弯曲程度增大，导致开挖区域出现应力集中的情况，从而导致其稳定性降低，产生破坏。在开挖角度较大时坡体稳定性较低，开挖角度较小时稳定性增强。

图7 不同开挖角度时坡体最大主应力（单位：MPa）

开挖角度为34°，45°，63°时，坡体安全系数分别为2.04，1.10，0.83。随着开挖角度的增加，坡体的安全系数逐渐降低。

3.3 开挖进尺对坡体稳定性的影响

分析开挖进尺d=45，55，65 m时坡体稳定性，坡体总位移见图8。可知，随着坡体开挖进尺的增加，坡体位移主要发生在中部夹层以上区域，但是坡体位移先增大后减小。开挖进尺为45，55，65 m 时，坡体最大位移分别为89.93，177.87，132.94 mm。

图8 不同开挖进尺时坡体总位移（单位：m）

不同开挖进尺时坡体最大主应力见图9。可知，随着坡体开挖进尺的增加，坡体应力曲线弯曲程度逐渐减小，应力集中也逐渐减小，坡体稳定性增强。

图9 不同开挖进尺坡体最大主应力（单位：MPa）

开挖进尺为 45，55，65 m 时，坡体安全系数为1.04，1.14，1.50。随着开挖进尺的增加，坡体安全系数逐渐增加。

3.4 影响因素综合分析

各因素中对安全系数影响最大的参数值分别为开挖高度20 m、开挖角度θ=34°、开挖进尺65 m，将其作为组合工况进行开挖稳定性分析。坡体位移及最大主应力见图10。可知，组合工况下坡体变形依旧集中在中部夹层以上，最大位移为191 mm，坡体应力曲线与坡面平行，且在斜坡区域未发生较大弯曲，说明未发生明显的应力集中，坡体较稳定。

图10 坡体位移及最大主应力

在开挖高度、开挖角度、开挖进尺3种影响因素中保持某单一因素取值不变，分析其另外两因素对坡体稳定性的影响。经计算可知，坡体稳定性受开挖高度、开挖角度、开挖进尺3种因素的综合影响，在开挖高度一定、开挖角度减小、开挖进尺增大时，坡体安全系数增加，由1.25增加到1.53；在开挖角度一定、开挖高度减小、开挖进尺增大时，坡体安全系数减小，由2.04减小到1.53；在开挖进尺一定、开挖高度减小、开挖角度减小时，坡体安全系数增加，由1.50增加到1.53。