深挖路堑高边坡稳定性数值模拟与分析

刘忠祥，谭 涛，康 慧，陈晓艳

(江西东通交通科技股份有限公司，江西 南昌 330013)

0 引 言

318国道自东向西穿越了利川城区。近年来，由于本地车辆递增快，过境车辆逐年增长，导致城区堵车现象频发，严重影响了国道功能的发挥。因此，为缓解湖北省利川市城区交通拥堵现象并为当地百姓的出行创造便利条件，湖北省交通部门筹划并建设318国道利川绕城段。但是项目沿线有多处深挖路堑高边坡，其稳定性对公路的施工及运营安全具有重大影响。由于影响高边坡稳定性因素较多，包括破面形态、坡脚、坡高等外在因素和岩土体的内摩擦角、粘聚力、重度等内在因素。通过查阅前人研究成果及现场勘察资料，发现在众多影响因素中，它们对边坡稳定性的影响力度各不相同。其中，影响力度较大的是岩土体的内摩擦角、边坡角、边坡高度、岩土体黏聚力以及重度[1-3]。

为此，针对318国道利川绕城段深挖路堑高边坡设计中的难点工程，利用有限元软件PLAXIS 2D对该项目某个典型深挖路堑横断面以摩尔库伦模型为基础，进行多种工况下的边坡稳定性数值模拟与分析。

1 工程概况

318国道利川绕城段起于杨柳寺，止于石山庙，全长6.9 km，按国家一级公路标准进行建设。项目沿线路段地形地貌较复杂，河流、沟谷发育，沟壑纵横，故在公路的建设过程中不可避免产生深挖路堑和高填路堤，形成结构复杂，工程量大，危险系数高的高边坡。其中K0+300～K0+320段为最大深挖路堑段，且路基形式为整体式，左侧开挖边坡最大坡高41 m，位于K0+310处，施工中采用分级开挖方式进行，且第一、第二级的坡率采用1∶0.5，第三至第五级的坡率均采用1∶0.75。

2 模型构建

为了分析318国道利川绕城线桩号为K0+300～K0+320深挖路堑段高边坡的稳定性，选取典型剖面K0+310采用有限元模拟软件FLAXIS 2D进行模型的建立与分析。通过对该剖面进行的地质分析可知，该断面属于构造剥蚀低中山区，中风化岩层，钻孔揭露地层组成为。

(1)表层：主要是被冲积碎石粉质黏土所覆盖，呈褐黄色或黄色，稍湿，局部为块石，碎石成分主要是灰岩，层厚0.5～1.3 m。

(2)中风化岩层：呈青灰色，微晶结构中厚层状构造，岩溶较发育，岩体表面局部见蜂窝状溶蚀孔洞，岩芯较完整，承载力约为1 500 kPa。

各层实测岩土体参数如表1所示。

表1 实测岩土体参数

所构建的模型中的各材料组均以摩尔库伦本构模型为基础，且为同步现实中的施工过程，本次模拟也采用五步开挖的方式对原山坡土体进行开挖并对该深挖路堑边坡断面稳定性分别进行模拟分析。其第一级和第二级坡率采用1∶0.5，第三级、第四级以及第五级均采用1∶0.75的坡率，且相邻两级直接的平台均为2 m。同时，第一步开挖断面高度为9 m，其余四步开挖高度均为8 m，且在第三至第五级边坡上分别设置三排锚杆，其中第三、四级边坡长锚杆采用3.0 m，短锚杆采用2.0 m。典型剖面K0+310的几何模型见图1。

图1 剖面K0+310的几何模型

3 边坡稳定性分析

为了更好地分析深挖路堑高边坡的安全性，对模型进行逐级开挖，分析每一级边坡开挖之后剪应变增量的情况，并在路堑边坡开挖过程中，将每一级边坡开挖后的安全稳定性系数以及边坡加固前后的安全稳定性系数进行对比分析，鉴定其是否满足公路路基设计规范要求。

3.1 开挖过程剪应变增量分析

利用有限元软件PLAXIS 2D所建立的典型剖面K0+310的几何模型在数值模拟过程中采用与实际施工过程一样的分级开挖，为了对比每一级边坡开挖后潜在滑移面范围及安全稳定系数，首先通过结合现场调查的实际的岩土体数据资料， 对原山坡整体进行了一次地应力平衡验算， 得到原山坡的 潜在滑移面以及其自身的安全稳定系数，原山坡的剪应变增量云图见图2。

图2 原山坡剪应变增量云图

由图2可以清晰地观察到原山坡存在一条潜在的滑移面，在山体长期的堆积与沉淀下，坡体处于安全稳定状态。分析图2可知，原山坡剪应变主要集中在边坡模拟开挖的第五级、第四级和第三级的岩土体内部，尤其是在第三级边坡岩土体内部，其剪应变增量呈突然集中后缓慢减小的趋势。因此，边坡在实际施工开挖第五级、第四级和第三级每一级的过程中，都对该级边坡通过打入锚杆进行加固，确保工人施工安全以及后期运行期间山坡整体的安全稳定。

第五级和第三级边坡开挖加固后其剪应变增量云图见图3，其中图3(a)为开挖第五级边坡剪应变增量云图，图3(b)为开挖第三级边坡剪应变增量云图。由图3(a)可知，开挖加固打破了原山坡潜在滑移面的状态，改变了土体内部剪应变增量的范围，使得滑移面较为平缓。同时可以看出，在距离山顶约5 m处，滑移面发生近似90°转角，且在第五级边坡坡脚处，又新增另一潜在滑移面，形成了两条土体内部的潜在滑移面。出现上述问题的原因是开挖第五级边坡增大了第五级边坡坡度，加大了其坡脚处中风化灰岩的剪应变。由图3(b)可知，开挖完第三级边坡并打入长锚杆之后，其岩土体内部的潜在滑移面由原先的两条转变成了一条，究其原因，是因为开挖第三级边坡后采用长锚杆对边坡进行加固，使得滑移面更加平缓，山体稳定性更大，发生滑移的可能性更小。由于边坡开挖第二级输出的剪应变增量云图与第三级开挖之后输出的剪应变增量云图类似，在此就不再说明。

图3 分级开挖边坡剪应变增量云图

边坡开挖加固前后剪应变增量云图见图4，其中图4(a)为边坡开挖未加固剪应变增量云图，图4(b)为边坡开挖加固后剪应变增量云图。由图4可知，边坡分级开挖后，无论加固与否，土体最终潜在滑移面大致相同，但加固后的五级边坡其潜在滑移面影响范围明显小于未加固的五级边坡；第一级边坡坡脚处的剪应变增量远远地低于未加固边坡的第一级坡脚处的剪应变增量；且加固边坡的剪应变增量最大值发生在第三级边坡锚杆的顶端处，而未加固边坡剪应变增量最大值则出现在第一级边坡坡脚处，会严重影响山体的稳定性，甚至导致山体发生滑坡、泥石流、坍塌等灾害。

图4 边坡开挖加固前后剪应变增量云图

上述对边坡开挖之后剪应变增量云图的分析可知，山体开挖过程中有无边坡加固最为关键，尤其在第三级开挖之后进行加固。如若没有进行加固，在边坡开挖至第一级，深挖高度达到41 m时，由于其潜在滑移面的影响范围大，且剪应变增量最大值发生在坡脚处，会导致边坡出现失稳现象。边坡加固后，边坡整体潜在危害会大大减小，五级边坡更加趋于稳定状态，可以保证公路后期的正常运营。

3.2 安全稳定系数分析

采用有限元强度折减法计算边坡安全稳定系数Fs[4-5]。在计算边坡稳定系数时，假设：(1)均质边坡足够长，均质边坡稳定性问题为平面应变问题。(2)土体为理想刚塑性体，破坏时服从线性M-C破坏准则。(3)实施强度折减原理时仅对抗剪强度指标进行折减。

模型在进行边坡工程稳定性分析时，由于采用有限元强度折减法，故最终得到的位移量并无实际意义。

深挖第五、四级边坡山体的安全系数要略高于原山坡，这是由于形成第五、四级边坡后对于原山坡起到了削坡减载的作用，故其安全系数会提高到1.2左右。且形成第四级边坡时，加固与未加固的安全系数基本一致，究其原因在于山体的潜在滑移范围距离开挖坡面较远。当第一、第二级边坡开挖后，安全系数明显低于前几阶段，因为第一、第二级边坡坡率比前三个开挖阶段以及原山坡坡度更陡，而且形成了整体性较大的五级高边坡，稳定性明显降低，山体的安全系数最小，近似于1.07，但加固后安全系数大幅度提高到1.4以上。

《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)[6]对路堑边坡稳定安全系数的规定如表2所示，深挖路堑在正常工况下，一级公路的安全稳定系数范围为1.20～1.30。故此类高边坡加固方式能够满足深挖路堑高边坡的安全设计要求。

表2 路堑边坡稳定安全系数

综合以上分析可知，第五、四、三级边坡开挖及加固施工过程是保证五级高边坡整体稳定最为关键的环节。通过对边坡打入三排间距相等的锚杆且在第三级边坡打入长度更长锚杆进行加固后，使得深挖高度达到41 m的高边坡安全系数能够提高到1.42，说明在正常工况下边坡土体处于安全稳定状态。

4 边坡防护措施

典型的深挖路堑断面K0+310边坡以强风化粉砂岩和中风化灰岩为主，根据《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)中相关路基防护规定，在考虑岩层土的破碎程度、风化程度以及承载力等，确保边坡土体安全稳定的同时，边坡防护措施要尽可能的降低工程造价，减少工程量，因此，在第一、第二级边坡采用挂网植爬壁藤防护护坡，第三、第四、第五级边坡采用挂网喷播混生植物护坡(C型)防护。

5 结 论

通过建立318国道利川绕城段典型深挖横断面K0+310的模型，综合考虑施工过程、现场岩土体的材料参数及边坡加固措施对此典型剖面进行了多种工况下的边坡稳定性有限元验算与分析，得出以下结论。

(1)风化程度严重的岩层及土质边坡的潜在滑移面影响范围较大，进行边坡加固措施时应着重考虑。

(2)随着路堑的深挖高度在不断增大时，其安全系数值也会随之减小。通过在边坡处打入锚杆进行加固，可以有效减小潜在滑移面的影响范围，提高边坡整体的稳定性。

(3)本项目地段水位很低，且坡体主要为强风化粉砂岩和中风化灰岩，故在进行边坡防护时，选用植被护坡可以达到保护边坡长期稳定的目的。