不同拓宽模式下路堑边坡开挖应力特性分析

2021-07-14王成军郝耀虎

山西交通科技 2021年3期

王成军，郝耀虎

（1.山西交通控股集团有限公司晋城高速公路分公司，山西晋城 048000；2.山西省交通科技研发有限公司，山西太原 030032）

0 引言

山区高速公路进行改扩建势必要对原有路堑边坡进行二次开挖，开挖过程中会对现状边坡造成不同程度的扰动，破坏原稳定状态下的应力应变关系，可能会造成边坡的失稳破坏。因此，开展改扩建情况下边坡的风险变形规律及其稳定性分析，寻求并优化合理的开挖施工方法及变形控制措施有着重要的理论和现实意义。

高文静[1]等以云南小龙高速公路改扩建工程为依托，对不同开挖时序下典型岩质高边坡的稳定性进行了分析，并依据相关结论进行了优化设计；闫强[2]等运用离心模型以及数值分析等方法开展了高速公路高边坡改扩建开挖过程稳定性研究，分析了不同开挖支护时序对边坡安全系数、应力、位移等的影响；刘运思等[3]通过数值模拟手段对不同边坡施工工序进行了分析，得出的结论表明：边坡开挖一级支护一级最有利于边坡的施工稳定性。

在均质土边坡或类均质土边坡中，土体的失稳破坏主要模式为危险滑裂面处的应力突破土体自身抗剪强度，从而造成土体的剪切滑移。路基拓宽方式各有不同，施工工序的差异直接影响边坡二次开挖过程中的稳定性。因此，开展不同开挖形式下坡体剪应力分布情况研究，对路堑边坡改扩建的设计、施工具有一定的理论和实践意义。

1 路堑边坡拓宽模式

路堑边坡在公路改建过程中的拓宽模式主要有以下两类[4-6]：a）保持原有边坡坡率不变或略微放缓坡率，根据新路基设计对原边坡进行整体开挖。在开挖过程中需采取支护措施，以确保开挖稳定，其结构如图1a所示；b）保持原边坡上部坡率及位置不变，对边坡下部进行开挖从而使得路幅变宽。这种开挖形式减少了对坡体的扰动面积，但是由于下部开挖导致边坡变陡，需要根据实际情况，增加设置挡墙或锚固措施等，实现对边坡的保护，其结构如图1b、图1c所示。

图1 路堑边坡拓宽模式示意图

2 模型建立

本文采用midas软件，对路堑边坡二次开挖施工过程进行分析，探究不同拓宽形式下边坡坡体最大剪应力特征。

边坡自上而下土层依次为坡积亚黏土、残积黏性土、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、弱风化花岗岩。坡脚附近为残积层与砂土状强风化层分界处，基岩顶面距离边坡刷方线较远，各地层岩土物理和力学参数见表1。

表1 材料参数表

岩土体材料特性按均质弹塑性考虑，采用MC屈服准则。边坡稳定性分析采用强度折减法。建立均质或似均质土坡模型如图2所示，模型表面设置为自由边界，左右两侧边界限制其水平方向的位移，底部取固定边界，约束其向两侧移动。

图2 模型网格划分

首先对模型进行初始地应力平衡，位移清零。然后进行开挖模拟，开挖过程由上而下逐级开挖，共挖7个台阶。具体工况见表2，其中等坡比开挖模拟各级坡率均为1∶0.75，单级坡高6 m，平台宽度从上往下依次为：3 m、4 m、3 m、4 m、3 m、3 m，坡高42 m；工况2中，第1级～第3级边坡采用比原坡比1∶0.75更陡坡率1∶0.5进行刷坡，到第4级边坡进行局部削坡，与原坡体顺接。原第5级到第7级坡体维持旧坡体结构不变，第1级坡体施作抗滑挡墙；工况3首先在第2级边坡平台施抗滑桩，而后开挖第2级坡体，再施作抗滑桩锚索，最后开挖第1级边坡。采用比原坡比1∶0.75更陡坡率1∶0.5进行刷坡，到第4级边坡进行局部削坡，与原坡体顺接。采用该拓宽方式时，原第3级到第7级坡体维持旧坡体结构不变。

表2 计算工况表

3 数值模拟结果分析

为了揭示均质或似均质土坡开挖变形破坏机理，在总结均质或似均质土坡坡体结构与工程特点的基础上，采用有限元软件进行此类边坡开挖数值模拟，系统研究分析其开挖变形特征与破坏规律。

3.1 等坡比开挖过程坡体最大剪应力

如图3所示为分别开挖完7个台阶后，坡体最大剪应力分布图。

图3 应力分布

综合相关计算成果，从剪应力变化过程分析如下：边坡开挖前，最大剪应力沿深度方向呈线性分布，其等值线在纵向分布较为均匀；开挖前两级时，由于坡体顶部荷载减小，坡体内应力场发生偏转，剪应力向坡脚集中，但此时量值较小，边坡整体未产生拉应力区；4～5级边坡开挖时，坡脚剪应力集中程度进一步增强，且应力量值明显增大；开挖4级坡时，坡顶一定范围内发育有最小主应力负值区，坡顶存在受拉区。此外，开挖坡脚时也出现零星最小主应力负值区，坡脚同样具有受拉特征。

综上，边坡开挖过程中，坡脚产生明显的剪应力集中现象，且随着不断开挖沿坡脚逐步向上延伸发展，最终在坡体中产生似圆弧状剪切和拉伸混合的条带，即“剪拉带”。