顺层边坡稳定性影响因素及加固方案比选数值模拟研究

张永闯

（广西大汉岩土工程有限责任公司，广西 桂林541001）

边坡稳定性分析是保证工程建设安全的重要前提。我国是个多山国家，边坡成为修建高速公路不可逾越的障碍，其中最为常见的便是顺层岩质边坡。国内外众多研究人员对此问题进行研究［1-5］。 孔宪斌［6］为确定岩体结构面抗剪强度参数，开展了砂岩、砂岩夹泥岩、泥岩、页岩在天然状态及饱和状态下的原位抗剪试验。 根据试验设计参数对全线顺层路基边坡进行了优化设计；吴多华等［7］以四川省安县干磨房滑坡为原型，设计并完成了比例为1∶100的顺层岩体边坡大型振动台试验。通过逐级加载不同峰值、频率和持时的地震波， 研究了地震荷载作用下边坡的动力响应特征和变形破坏机制；刘新荣等［8］采用振动台模型试验和UDEC离散元数值计算方法，深入地探究了库区典型顺倾层状岩质边坡在高频次微小地震下的累积损伤和稳定性。

综上所述， 对于边坡稳定性分析的研究成果较多，分析方法也已经逐步走向成熟，然而随着实际工程的需要，不同类型的公路路堑顺层岩质边坡的稳定性分析仍然有许多需要考虑的问题，因此本文以岩层厚度和岩体特性为基础对顺层岩质边坡进行分类，分析其变形失稳机理及影响因素。 同时，以广巴高速典型顺层边坡为实际案例，对其进行开挖及支护稳定性分析，以期对其他类似工程具有一定的参考价值。

1 顺层岩质边坡稳定性影响因素分析

1.1 有限元模型

根据顺层边坡的岩体结构特征， 将顺层边坡分为硬岩-硬岩互层组合，硬岩-软岩互层组合，硬岩夹软岩组合及软岩夹硬岩组合边坡4 类。 考虑到软岩-软岩互层组合与硬岩-硬岩互层组合岩性结构类似，所得规律基本一致，此处仅归为一类且以硬岩-硬岩互层组合分析。 硬岩-硬岩互层组合及硬岩-软岩互层组合模型中，硬岩层与软岩层层厚相等，而硬岩夹软岩组合以及软岩夹硬岩组合边坡存在层厚差异，为便于进行规律性研究，凸显出计算规律，控制层厚分别为1.0m 及0.3m，即硬岩夹软岩组合中硬岩层厚1.0m，软岩层厚0.3m，软岩夹硬岩组合边坡反之。

所有模型尺寸底宽50m，左高30m，右高30m，边坡高15m，边坡坡脚暂定45°。边界条件为底部两向约束，顶部为自由表面，左右两侧施加水平向约束。 采用六节点三角形单元对模型进行有限元离散。4类顺层边坡计算模型如图1所示。

图1 不同顺层岩质边坡计算模型

顺层边坡岩体由岩石和结构面组合而成。 对于硬-硬组合顺层边坡， 模型材料包含硬质岩和结构面。 硬-软组合顺层边坡、硬夹软组合边坡及软夹硬组合边坡则包含硬质岩、软质岩和结构面3种材料。岩石采用实体单元模拟， 服从摩尔-库伦理想弹塑性本构关系； 结构面切向力学行为服从摩尔-库伦理想弹塑性本构关系。 各材料的物理力学参数如表1所示。

表1 围岩物理力学参数

1.2 顺层岩质边坡岩层倾角的影响

模型中岩层厚度固定为1.0m， 岩层倾角在15°～75°内变化，角度间隔10°，共计7个模型。 为量化不同岩层倾角对边坡的具体影响，以安全系数为指标，汇总不同岩层倾角变化下各边坡安全系数， 绘制不同岩层倾角与计算所得安全系数曲线如图2（a）所示。据图2（a）可知，随着岩层倾角的变化，硬岩软岩互层边坡安全性最高，其次是硬岩夹软岩边坡，硬岩-硬岩边坡及软岩夹硬岩边坡。 硬岩软岩互层边坡对其敏感度最小，但从数值上看，确可看出先轻微减小后轻微增大再继续减小的趋势； 硬岩夹软岩边坡，硬岩-硬岩边坡随着岩层倾角的增大，呈现出先减小后逐渐增大的趋势，当岩层倾角为25°时，边坡安全性最小，而软岩夹硬岩边坡呈现出先基本不变，当超多45°后边坡安全系数逐渐增大的趋势。 由此可见，当岩层倾角在25°附近时，顺层边坡安全性最低，特别需要注意具有此顺层倾角的天然边坡稳定性。

图2 不同影响因素下各组合边坡计算所得安全系数

1.3 顺层岩质边坡岩层厚度的影响

为研究岩层厚度的影响，选择硬岩-硬岩组合边坡及硬岩-软岩组合边坡，固定岩层倾角50°，变化层厚0.1，0.3，0.5，0.7，1.0，1.2，1.5，2.0，3.0，5.0m，共计10个工况进行计算分析。 绘制不同岩层厚度与计算所得安全系数曲线如图2（b）所示。据图2（b）可知，随着岩层厚度的增大，硬岩-硬岩边坡与硬岩软岩互层边坡安全性均出现不同程度的降低。 具体来说，硬岩-硬岩边坡在当岩层厚度低于2.0m内， 边坡安全系数降低幅度较小，从3.30降至3.24，但当岩层厚度超过2.0m后，出现安全系数的急剧降低，由3.24降至2.66；硬岩软岩互层边坡在当岩层厚度低于1.5m内， 边坡安全系数急剧降低，由4.57降至4.47，但当岩层厚度超过1.5m后， 出现安全系数的基本稳定甚至些微上升，由4.47升至4.48。 此外，从数值上看，随着岩层厚度变化，硬岩软岩互层边坡安全性均远大于硬岩-硬岩边坡。

1.4 顺层岩质边坡坡角的影响

为研究岩层厚度的影响， 选择四类组合边坡，固定岩层倾角45°，层厚1m，边坡开挖坡角变化范围为30°～80°，10°为增量梯度， 共计6个工况进行计算分析。 绘制不同开挖坡角与计算所得安全系数曲线如图2（c）所示。 据图2（c）可知，随着开挖坡角的逐渐增加，各组合边坡安全系数均出现近乎线形的减小。 其中，硬岩夹软岩组合边坡对边坡开挖坡角最为敏感，当坡角超过40°以后便无法计算收敛；软岩夹硬岩组合边坡及硬岩-硬岩边坡次之， 可计算边坡开挖坡角40°时的安全系数， 超过后边坡继续进行计算； 硬岩-软岩边坡则可以计算当开挖坡角最大为60°时的安全系数。 与此同时，随着开挖坡角的增大， 安全系数由大到小的边坡类型分别为硬岩-软岩边坡，硬岩夹软岩组合边坡，硬岩-硬岩边坡及软岩夹硬岩组合边坡。

2 顺层岩质边坡开挖数值模拟

2.1 工程背景

广巴高速起于广元市西南约10km的杨家湾，止于巴中市东南约4km的穆家坝，全长148.805km。广巴高速桩号K30+865～K31+025左侧边坡位于浅丘坡顶部位，为块状粉砂岩盖顶于层状紫红色泥岩之上。粉砂岩分布于上部12～16m，呈土黄色，粗粒，含长石和岩屑成分较多。 岩层层面产状298°∠120～16°，层面间距大于1.5m，面平直稍粗糙、层面结合紧密、无充填。 概化模型边坡岩层倾角为顺倾向20°，岩层厚度层状紫红色泥岩之上块状粉砂岩层厚平均2.7m，层状紫红色泥岩之下层厚平均1.5m。 左侧第一级边坡开挖坡角为38°，第二级边坡开挖坡角56°，右侧边坡开挖坡角为56°。

2.2 天然稳定性分析

计算采用边坡岩土体物理力学参数如表2。建立如图3所示边坡计算模型，其中左右边界约束水平位移，底部约束两向位移，顶面自由；计算模型底部长130m，左侧边界高56m，右侧边界高32m；采用6节点三角形单元进行网格划分， 得到8239个单元，16698个节点。经计算，计算关键云图如图4所示。边坡天然状态下稳定性安全系数为3.79，处于稳定状态。 左侧边坡坡顶最高处由于重力作用下存在最大位移，与此同时，右侧边坡最大位移随着层面发展，向岩层结构面与底部边界处汇集；最大剪应变为0.03，集中分布与左侧边坡最上部及右侧边坡岩层结构面与底部边界交汇处聚集，印证了位移发展；从屈服区可以看出，边坡在自重作用下，在左侧边坡、右侧边坡大部及边坡中部上缘处发生大部分屈服。 综合以上分析可以看出，边坡在天然状态下处于稳定状态。

表2 边坡岩土体物理力学参数

图3 天然状态下边坡计算模型

图4 天然状态下边坡计算关键云图

2.3 开挖边坡稳定性分析

鉴于道路修建途径此处， 因此应根据实际开挖情况进行开挖稳定性分析， 确定边坡开挖后的稳定及需要支护加固与否。 边坡拟挖深度11～17m，开挖坡比1∶0.75，采用切层开挖。经计算，第一级边坡开挖后稳定性安全系数为1.93，处于稳定状态；第二级边坡开挖后稳定性安全系数为0.96，处于不稳定状态，需要采取支护加固治理，方可进行路面的修建。由边坡开挖后屈服区分布图5可以看出，第一级边坡开挖后，边坡在自重作用下，在左侧边坡、右侧边坡大部及边坡中部上缘处发生小部分屈服， 较边坡未开挖天然状态下范围更小，应力得到局部释放；第二级边坡开挖后，边坡在自重作用下，在左侧边坡坡顶处、右侧边坡边界处及边坡中部开挖表面处发生小部分屈服，较第一级边坡开挖范围更小，应力得到进一步释放，同时结合边坡位移趋势可知，边坡开挖后开挖面底部受到挤压，发生屈服。

图5 开挖后边坡塑性区分布云图

综合分析看出， 第一级边坡开挖后边坡仍处于稳定状态， 但当第二级边坡开挖后边坡处于不稳定状态，需要采取支护加固措施进行稳定，保证高速公路修建与运营的安全性。

3 边坡加固数值模拟

3.1 抗滑桩加固

由于边坡开挖完毕后处于不稳定状态， 本文采取常见的抗滑桩、 锚杆框架梁及抗滑挡土墙进行加固数值模拟分析，以寻求较为适宜的加固方式。计算采边支护结构参数如3。

表3 支护结构力学参数

采取抗滑桩加固开挖后的边坡， 同时联合削坡与喷射混凝土技术对坡面进行相应防护，其中布置1排抗滑桩，桩长16m，尺寸1.8 m×2.5m，加固于第一级边坡顶部，边坡左侧后缘由于过于陡峭，对其进行小范围削方处理， 同时施加10kPa均布荷载于路面，以模拟相应荷载对边坡的反压影响， 最后计算模型如图6（a）。

图6 不同支护方式边坡计算模型

经计算， 边坡在抗滑桩加固下稳定性安全系数为1.31，处于稳定状态。边坡的总位移分布及Mises应力分布分别如图7（a），8（a）。 左侧第一级边坡坡顶存在最大位移，且出现于抗滑桩加固附近，原因可能在于边坡抗滑桩对边坡存在扰动。综合分析看出，边坡在抗滑桩加固作用下处于稳定状态， 但由于抗滑桩的打入对于桩右侧临空边坡土体的约束作用不强，同样存在较大位移。

图7 不同支护方式边坡计算总位移云图

图8 不同支护方式边坡计算Mises应力分布

3.2 锚杆框架梁加固

本文采取锚杆框架梁加固开挖后的边坡， 同时联合削坡与喷射混凝土技术对坡面进行相应防护，其中第二级边坡布置4排锚杆，间距5m，长度从长到短依次为25，21，17，12m； 第一级边坡布置3排锚杆，间距5m，长度均为17m；锚索与水平面成30°打入边坡体，直径150mm；边坡左侧后缘由于过于陡峭，对其进行小范围削方处理，同时施加10kPa均布荷载于路面，以模拟相应荷载对边坡的反压影响，最后计算模型如图6（b）。

经计算， 边坡在锚杆框架梁加固下稳定性安全系数为1.32， 处于稳定状态。 边坡的总位移分布及Mises应力分布分别如图7（b）、图8（b）。 右侧边坡出现最大位移6.78cm，左侧边坡位移支护较为均匀，展现出锚杆对边坡位移支护的良好性能；Mises应力及塑性区同时表明，路面下部至岩层结构面区域、岩层结构面与模型底部边界交汇处存在较大应力集中。综合分析看出， 边坡在锚杆加固作用下处于稳定状态，且位移能够得到良好的控制。

3.3 抗滑挡土墙加固

采取抗滑挡土墙加固开挖后的边坡， 最后计算模型如图6（c）。 经计算，边坡在挡土墙加固下稳定性安全系数为1.13，处于基本稳定状态。 边坡的总位移分布及Mises应力分布分别如图7（c）、图8（c）。边坡左侧最高处出现最大位移7cm，相较于开挖后边坡位移发展趋势并无太大变化，安全系数得以提高，这与挡土墙加固原理吻合， 仅依靠自身重力对墙后变形土体产生约束；Mises应力及塑性区同时表明， 挡土墙底部至岩层结构面区域、 岩层结构面与模型底部边界交汇处存在较大应力集中。综合分析看出，边坡在挡土墙加固作用下处于基本稳定状态， 但未能满足规范要求的安全系数1.15。

根据对3种加固方式的计算，对比发现，边坡在抗滑桩加固作用下处于稳定状态，安全系数为1.32，但由于抗滑桩的打入对于桩右侧临空边坡土体的约束作用不强，边坡第一级边坡坡面存在较大位移；边坡在锚杆加固作用下处于稳定状态， 安全系数为1.31，且位移能够得到良好的控制；边坡在挡土墙加固作用下处于基本稳定状态， 但未能满足规范要求的安全系数1.15，且位移约束效果不佳，加之挡土墙体量过大， 现场施工不便， 因此舍弃挡土墙加固方案，最优可采用锚杆框架梁加固方案。

4 结语

（1）通过系统研究顺层岩质边坡结构类型及破坏机理， 根据顺层岩质边坡的结构类型及岩层单层厚度的组合，可将顺层岩质边坡分为硬岩-硬岩互层组合边坡，硬岩-软岩互层组合边坡，硬岩夹软岩组合边坡及软岩夹硬岩组合边坡4类。

（2）发现当岩层倾角在25°附近时，顺层边坡安全性最低， 特别需要注意具有此顺层倾角的天然边坡稳定性；随着岩层厚度的增大，硬岩-硬岩边坡与硬岩软岩互层边坡安全性均出现不同程度的降低且硬岩软岩互层边坡安全性均远大于硬岩-硬岩互层边坡；随着开挖坡角的逐渐增加，各组合边坡安全系数均出现近乎线形的减小；与此同时，随着开挖坡角的增大，安全系数由大到小的边坡类型分别为硬岩-软岩边坡，硬岩夹软岩组合边坡，硬岩-硬岩边坡及软岩夹硬岩组合边坡。

（3） 案例涉及的顺层边坡在天然状态下具有较好的自稳性，但在路堑开挖未支护情况下易失稳；在抗滑桩加固作用下处于稳定状态，但存在较大位移；在锚杆加固作用下处于稳定状态， 且位移能够得到良好控制； 边坡在挡土墙加固作用下处于基本稳定状态，但未能满足规范要求的安全系数1.15，且位移约束效果不佳， 加之挡土墙体量过大， 现场施工不便。 综合选用锚杆框架梁加固方案。