某高速公路顺层岩质边坡失稳机理分析及加固措施研究

钟卫平

(江西省赣南公路勘察设计院， 江西 赣州 341000)

顺层岩质边坡是岩层的倾角(倾向)小于边坡坡面的倾角(倾向)的岩质类边坡[1-2]。我国多条公路出现过由于顺层岩质边坡失稳引起的边坡垮塌事故[3-4]，对行车安全和公路运营造成了较大影响[5]。目前常用挡土墙、预应力锚索、锚杆框架梁、锚喷支护或抗滑桩等措施进行边坡治理和加固[6]。但利用抗滑键[7-9]对公路顺层岩质边坡进行病害治理的工程实例较少，其施工完成后的边坡稳定性需进行跟踪研究[10-13]。本文结合某高速公路边坡垮塌灾害，利用抗滑键进行边坡防护，通过对比分析有限元计算和现场监测数据等对边坡的失稳机理和加固措施进行了研究。

1 边坡工程概况

1.1 工程概况

位于我国西南某省的高速公路路基宽度为26m，采用双向四车道设计。其中K81+230～K81+510段为路堑开挖段，边坡开挖坡比为1∶0.5，边坡高度约为20～50m。此处属于亚热带季风气候，常年雨水较为充沛，年平均降雨量为1429.1mm。边坡附近除了西侧水田中有部分积水外，其它地方无表面给水。边坡坡顶地势较为平坦，自然边坡坡度介于10°和15°之间，边坡大多被第四系土层覆盖，在冲沟或山脊等处可以看到基岩出露，下伏基岩主要为砂岩和泥岩。

本边坡于2019年9月12日发生垮塌，塌方量约为1500m3，最大垮塌体体积超过100m3，垮塌体主要为体块较大的砂状岩。经过分析其垮塌原因为边坡中间部分砂岩由于受到节理裂隙切割，导致边坡沿着泥岩面出现了崩塌类的边坡失稳。经过垮塌后边坡中间部分出现了厚度为9m左右的倒悬体。公路路堑边坡坡面顺着裂隙面出现了卸荷裂缝，并且在节理裂缝和砂岩层的共同切割作用下形成了隔离体，该隔离体有随时垮塌的可能性。2019年9月12日5时左右，边坡再次发生垮塌，此次塌方量约为2500m3，最大垮塌体体积超过150 m3，垮塌截面分布有卸荷裂隙，坡面上同样存在几处倒悬的危岩体，有进一步失稳的可能性。

为确保施工期间人员设备安全，首先对倒悬的危岩体进行了清除爆破工作，在爆破清除过程中发现一条卸荷裂隙，其深度约为5m。虽然清除了倒悬的危岩体，短时间内不会发生边坡的垮塌，但是由于边坡失稳造成的裂隙使得边坡处于欠稳定的状态，在降雨或其它作用扰动下，裂隙会进一步发展，一旦贯穿则会再次出现崩塌，因此应进行快速有效地对边坡进行治理。

1.2 加固措施

结合该现场情况，参照同区域类似工程经验，经过方案比选，本工程选用的加固措施为在边坡坡脚处抗滑键，即“锚索+斜撑墙+抗滑桩”，具体如图1所示。抗滑键埋深3m，全长9m，断面形状为圆形，半径为1.0m。该方案可以快速有效地提高砂岩危岩体的安全性，保证边坡的稳定性，但为了边坡稳定和道路通行安全，需要对该边坡进行安全监控，及时了解边坡状态。

图1 公路路堑边坡支护结构及地质地层信息图Figure 1 Supporting structure and geological formation information map of highway cutting slope

1.3 边坡监测

分别对施工过程中和施工完成后进行了变形监测。其中施工过程中主要是为了实时获取边坡状态，如发生数据异常及时采取施工人员撤离或其它应急措施，保证施工人员的安全。在施工完成后进行监测，主要是为了对加固措施进行评价，掌握边坡实时数据，防止出现再次垮塌。本工程在边坡的关键位置设置了3个监测点，如图2所示。

图2 边坡监测点布置图Figure 2 Layout of slope monitoring points

2 有限元模型的建立

为了研究该高速公路边坡的失稳机理和抗滑键加固效果评价，本文基于有限元软件FLAC 3D[12-14]对施工抗滑键进行了模拟分析，FLAC 3D凭借其功能丰富、结算结果准确等优点在岩土工程领域内被广泛应用[15-16]，本文建立的有限元软件如图3、图4所示。

图3 边坡加固前的有限元模型Figure 3 Finite element model before slope reinforcement

图4 边坡加固后的有限元模型Figure 4 Finite element model after slope reinforcement

根据地勘报告等资料，文本采用的支护结构和边坡土层的力学参数如表1、表2所示。

表1 支护结构力学参数表Table 1 Mechanical parameters of supporting structure内摩擦角/(°)体力模量/GPa剪切模量/GPa泊松比抗拉强度/MPa粘聚力/MPa刚度/GPa·m-1 弹性模量/GPa锚索24.50———10 000200 10200斜撑墙34.45519.40313.60—1.351.86——抗滑桩10.00——0.3——130 80

表2 边坡土层力学参数表Table 2 Mechanical parameters of slope soil layer内摩擦角/(°)抗拉强度/MPa剪切模量/GPa体积模量/GPa切向刚度MPa·m-1 法向刚度MPa·m-1 粘聚力/MPa泥岩34.450.4026.4673.50——1.77砂岩43.781.3530.00100.00——5.36结构面20.000.2924.50—10100.29

3 模拟和实测结果对比分析

3.1 加固前边坡变形规律

根据有限元计算结果，并结合现场实测数据可得3个监测点的变形曲线如图5所示。由图5可知，3个监测点变形随时间规律基本相同，均为先快速变大然后达到某一稳定的位移值。监测点1、2、3的实测稳定位移值分别为12.6、13.2和28.0mm。结合现场设计情况分析可知，由于监测点1处于泥岩地层和坡脚岩砂地层相接触的位置，其受到泥岩和砂岩的约束，因此其位移值要比位于临空面监测点2的小。同理，监测点3的位移值小于监测点2。

对比现场实测值和有限元仿真结果可知，其两者之间的误差较小且变化规律相同，这也证明了有限元结算结果的可靠性。其不同点在于监测点1和2的有限元仿真结果的位移为先急剧增大后减小而后急剧增大，而实测曲线没有中间减小的过程。其原因为泥岩和砂岩所在的结构面产生剪切位移，当该剪切位移持续发展并达到某一值时，由于FLAC 3D中有限元变形网格与结构面变形的进程之间发生了相互抑制的作用[17]，从而产生了方向相反的位移，体现在位移曲线上即位移值减小。

(a) 测点1

(b) 测点2

(c) 测点3

虽然有限元计算结果和现场监测结果显示边坡位移趋于某一稳定值，但并不代表该边坡处于稳定状态。由于边坡的变形值较大，存在边坡失稳垮塌的可能性。尤其是顺层岩质边坡在下部临空，或者在降雨或其它作用的干扰下，容易发生急剧变形和垮塌。因此有必要对该边坡采取相应的加固措施。

3.2 抗滑键边坡治理措施加固效果评价

3.2.1加固前后位移云图对比分析

图6和图7分别为边坡加固前后的位移云图。由图可知，加固前边坡整体上存在竖直向下的位移，其中坡脚处的位移值较大，边坡沿着土层结构面位移变化较为明显。边坡加固后，边坡的整体位移值明显减小，由于在边坡坡脚处设置了抗滑键，阻止了边坡在坡脚处的变形，变形较大为位置主要集中在临空面。抗滑键的设置有效阻止了结构面的剪切位移，控制了边坡的滑移变形。

图6 加固前位移云图Figure 6 Displacement cloud before reinforcement

图7 加固后位移云图Figure 7 Displacement cloud after reinforcement

3.2.2加固前后剪应力云图对比分析

根据有限元计算结果可得边坡加固前后的应力云图如图8和图9所示。由图可知，加固前边坡在结构面附近出现在应力集中现象，尤其是边坡坡脚处。加固后边坡土体中各处均不存在应力集中现象，说明了抗滑键起到了良好加固作用。

图8 加固前剪应力云图Figure 8 Shear stress cloud before reinforcement

图9 加固后剪应力云图Figure 9 Shear stress cloud after reinforcement

3.2.3边坡加固后变形规律

图10为加固后3个监测点现场监测数据和有限元计算结果。由图可知，3个监测点的位移值随着时间的变化规律基本一致，均为先变大而后趋于某一稳定值，3个监测点的最大位移值均较小，监测点1、2、3的最大位移值实测值分别为1.05、1.86、2.67mm，可满足安全要求，表明了抗滑键结构起到了较为理想的边坡加固效果。

(a) 测点1

(b) 测点2

(c) 测点3

4 结论

本文首先详细介绍了该边坡的工程背景和垮塌过程，提出了“锚索+斜撑墙+抗滑桩”边坡治理方法，并对边坡加固前和加固后进行了位移监测。基于有限元软件FLAC 3D建立了边坡加固前后的有限元模型，并结合现场监测数据进行对比分析，边坡加固前测点3的最大位移值已达到28.0mm，公路边坡处于欠稳定状态，边坡发生再次垮塌的可能性较大。采用抗滑键加固后，边坡的位移云图由加固前的沿着结构面变形变为沿着临空面变形，未出现边坡加固前结构面附近的应力集中现象。加固后边坡的最大位移值仅为2.67mm，表明边坡处于稳定状态，抗滑键取得了预期效果。