典型路堑边坡开挖卸荷应力变化特征与松驰规律

徐风光，廖小平, ，王 浩

(1.中铁科学研究院有限公司，四川 成都 610036；2. 福州大学 环境与资源学院，福建 福州 350108)

0 引言

近年来，随着道路工程向山区快速发展，路堑边坡破坏已成为山区道路工程建设较为突出的工程问题。路堑边坡的失稳破坏与自身所处复杂地质条件、工程建设的环境条件及工程作用等因素密切相关，如大气降雨、爆破施工、边坡的开挖卸荷、防护加固对策等各种因素都将对路堑边坡稳定性产生巨大影响。其中，边坡的开挖卸荷是诱发路堑边坡失稳破坏最主要的工程原因，一直受到工程界的广泛关注。

国内开展边坡开挖卸荷松弛问题研究主要以水利水电边坡和路堑边坡为主[1-5]。哈秋舲[6]通过对三峡等重点工程研究，较早地认识到边坡开挖卸荷所产生的问题，提出了卸荷岩体的各项异性特性。邓建辉等[7]对三峡工程永久船闸北坡进行了现场监测试验，得到了边坡岩体松动区的范围。高大水等[8]采用多种监测技术结合数值分析，将三峡船闸中隔墩岩体分为爆破-卸荷松弛带、卸荷松弛带和非卸荷松弛带3个带。肖世国等[9]通过数值分析，提出通过沿水平方向或坡顶地面线平行的参考线的应力应变变化曲线来确定坡体开挖松弛区的范围。黄润秋等[10-11]通过对边坡开挖或河谷下切的卸荷过程的边坡二次应力场分布规律的研究，以三峡船闸高边坡为典型实例，探讨了卸荷带的工程地质意义及力学性状表现。王浩等[12]基于典型边坡的有限元开挖模拟，研究最大主应力增量与塑性屈服区的特征与规律，提出了以开挖边坡应力张量增量的最大主应力增减变化作为开始松弛区的划分标准。袁继国等[13]基于工程案例采用有限元法模拟了边坡的分级开挖，通过研究开挖过程中边坡水平位移的变化，从坡面向里将边坡开挖的扰动区分为松弛区、开挖变形区和衰减区。赵川等[14]提出了以剪应变增量确定卸荷松弛区的方法，将开挖后岩体分为剪切变形区、开挖扰动区和应力不变区。胡田飞等[15]提出了以偏应力增量作为确定边坡开挖松弛区的方法。陈洪凯等[16]针对均质岩体边坡，采用弹性理论楔形体力学模型，建立了开挖岩体边坡卸荷带宽度的计算公式。孙云志等[17]提出了以张开裂缝宽度、张开裂隙累计宽度、波速比等量化指标作为谷坡岩体卸荷带划分的标准。

目前国内有关边坡开挖卸荷松弛问题的研究，多是基于三峡船闸边坡、岩质边坡或重点边坡案例展开的,国外相关成果较为少见。本研究从不同岩土强度、边坡坡率和边坡高度组合条件下的典型路堑边坡开挖卸荷的应力变化特征与规律方面开展研究，对补充和丰富路堑边坡开挖卸荷松弛区的划分标准与确定方法具有重要的学术意义和实用价值。

1 边坡开挖卸荷应力变化特征

1.1 边坡开挖卸荷应力松驰现象

边坡开挖卸荷应力松弛的定义可理解为边坡开挖卸荷工程作用打破了原有边坡的力学平衡，引起应力调整或释放至新的力学平衡，使开挖面附近一定区域或范围内岩土体应力水平降低，该区域可称之为边坡开挖卸荷应力松弛区。应力松弛现象主要表现为边坡岩土体向开挖临空面方向发生卸荷回弹变形，使原岩结构面张开或形成新裂隙，破坏了岩土体的完整性，使岩土体力学性能和强度产生明显的损伤劣化，从而诱发路堑边坡失稳破坏。

1.2 边坡开挖卸荷的数值分析模型

根据路堑边坡工程特点，建立图1所示的典型路堑边坡开挖卸荷的数值计算模型。该模型边坡分级逐级开挖，单级坡高8 m，平台宽度2 m。模型底部为双向零位移固定模拟稳定基岩，两侧采用水平零位移边界，限制水平位移，容许竖向变形。

图1 典型路堑边坡数值计算模型

该模型材料为理想弹塑性Mohr-Coulomb本构模型，并基于以下基本假定：(1)边坡应力场为自重应力；(2)遵循二维平面应变假定；(3)不考虑结构面和地下水影响；(4)采用强度折减法计算安全系数。

为考察岩土强度、边坡坡率、边坡高度对路堑边坡开挖卸荷的影响。共设计如表1所示的12个数值计算模型，岩土物理力学参数见表2。边坡开挖坡率参考《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)设计要求确定。边坡高度体现为边坡逐级开挖，不单独进行分析研究。

表1 路堑边坡数值计算模型

表2 岩土物理力学参数

1.3 边坡开挖卸荷应力变化特征

根据上述建立的数值计算模型，结合前期既有研究[12]，边坡开挖过程中，应力不断调整变化，其大主应力增量的调整尤为明显且呈现一定规律性，会在边坡开挖面附近逐渐形成一定范围的应力降低区，以下重点分析路堑边坡开挖历时过程的大主应力增量Δσ1的变化特征。

1.3.1 坡残积层路堑边坡

(1)开挖坡率1∶0.75

开挖历时过程的大主应力增量变化如图2所示。边坡开挖4级后出现失稳破坏，该模型失稳时安全系数为1.0(各开挖时步云图变化量值范围一致，最大值Δσ1=70 kPa，最小值Δσ1=-630 kPa，图中粗线为Δσ1=0 kPa等值线,云图中颜色由浅变深表示大主应力增量逐渐增大，下同)。

图2 坡残积层路堑边坡(1∶0.75)大主应力增量云图(单位:kPa)

边坡开挖1级后，应力就开始调整，坡脚附近应力相对集中，坡面局部出现应力降低现象。边坡开挖2级后，边坡开挖面附近应力调整明显，此时在第1级坡面表层出现应力降低区。

边坡开挖3级后，应力继续调整，应力降低区沿坡脚向上和坡体内部逐渐扩展，坡脚附近最为剧烈，并出现一定的范围，主要在坡脚第1,2级边坡浅层。

边坡开挖4级后，出现失稳破坏，边坡安全系数为1.0。从大主应力增量云图可明显看出，应力降低区域沿坡脚向上和坡体内部迅速扩展，与坡顶接近贯通，呈“长舌”状。同时在边坡的内部形成1个Δσ1>0 kPa的应力急剧增高带，呈“狼牙”状。边坡开挖后最大剪应变的形态和范围与坡面附近的应力降低区十分接近，如图3所示。

图3 坡残积层路堑边坡(1∶0.75)最大剪应变云图

在1∶0.75坡残积层路堑边坡模型中，随着边坡开挖高度增大，边坡应力调整量值和范围逐渐加大，表现为沿坡脚向上和内部逐渐扩展形成1个“长舌”状的应力降低区，坡体内部形成1个应力值相对较大的“狼牙”状应力增高带，坡脚附近应力调整最大。

(2)开挖坡率1∶1.0

在1∶1.0坡残积层路堑边坡模型中，边坡开挖4级后，由于坡率变缓，在开挖面附近大主应力降低区的范围变小，开挖面附近的应力降低区主要位于坡脚第1级和第2级边坡浅表层，呈“半核”状，坡体内部未出现明显的应力急剧增高带，其大主应力增量Δσ1如图4所示。

图4 坡残积层路堑边坡(1∶1.0)大主应力增量云图(单位:kPa)

(3)开挖坡率1∶1.25

在1∶1.25坡残积层路堑边坡模型中，边坡开挖4级后，在开挖面附近形成的大主应力降低区的范围继续减小，开挖面附近的应力降低区变成在坡脚第1级和第2级边坡表层的“瓜片”状，坡体内部未出现明显的应力急剧增高带，大主应力增量Δσ1云图如图5所示。

图5 坡残积层路堑边坡(1∶1.25)大主应力增量云图(单位：kPa)

1.3.2 砂土状强风化层路堑边坡

(1)开挖坡率1∶0.75

砂土状强风化层模型(坡率1∶0.75)开挖过程中的大主应力Δσ1变化如图6所示。边坡开挖4级后发生失稳破坏，停止开挖，安全系数为1.01(模型各开挖步云图变化量值范围一致，最大值Δσ1=100 kPa，最小值Δσ1=-600 kPa)。

图6 砂土状强风化层路堑边坡(1∶0.75)大主应力增量云图(单位:kPa)

边坡开挖1级后，应力开始调整，表现为坡脚应力集中。边坡开挖2级后，应力调整明显加大，在第1级边坡表层形成1个应力降低区，同时在降低区内侧形成1个与坡顶贯通的应力增高带。

边坡开挖3级后，应力调整继续加大，在第1～2级边坡开挖面浅表层附近形成1个应力降低带，坡体内应力增高带向下延伸，范围变大。

边坡开挖4级后，应力调整急剧增大，在边坡浅层形成1个一定范围与坡顶接近贯通的“长舌”状应力降低带，坡体内形成1个应力急剧增高带，向坡体内应力调整逐渐减小，此时边坡失稳破坏，最大剪应变云图如图7所示。

图7 砂土状强风化层路堑边坡(1∶0.75)最大剪应变云图

根据上述结构，该路堑边坡随着开挖高度的增加，逐渐在边坡开挖面附近一定范围内形成1个与坡顶接近贯通的“长舌”状应力降低带，坡体内形成1个“狼牙”状应力增高带，随开挖高度逐渐向下和坡内移动，范围变大。

(2)开挖坡率1∶1.0

该模型边坡开挖4级后，开挖面附近的应力降低区与坡率1∶0.75相比，范围减小，在第1～3级边坡浅表层形成1个“半核”状应力降低带，大主应力增量Δσ1向坡内平稳增大至0，未在坡体内部形成1个应力急剧增高带，大主应力增量Δσ1如图8所示。

图8 砂土状强风化层路堑边坡(1∶1.0)大主应力增量云图(单位:kPa)

(3)开挖坡率1∶1.25

在坡率1∶1.25的砂土状强风化层路堑边坡模型中，边坡开挖4级后，开挖面附近的大主应力降低区的范围，与坡率1∶0.75和1∶1.0的模型相比急剧减小，由边坡开挖面一定范围的“长舌”状和“半核”状变成1～2级边坡表层的“薄层”状应力降低区，坡体内未出现应力急剧增高带，如图9所示。

图9 砂土状强风化层路堑边坡(1∶1.25)大主应力增量云图(单位:kPa)

1.3.3 碎块状强风化层路堑边坡

(1)开挖坡率1∶0.25

1∶0.25碎块状强风化路堑边坡模型开挖过程中的大主应力Δσ1变化如图10所示。边坡开挖6级后，失稳破坏，安全系数为0.98(模型各开挖步云图变化量值范围一致，最大值Δσ1=297 kPa，最小值Δσ1=-520 kPa，图中粗线为Δσ1=0 kPa等值线)。

图10 碎块状强风化层路堑边坡(1∶0.25)大主应力增量云图(单位:kPa)

边坡开挖1级后，应力开始调整，主要为第1级坡脚应力集中，Δσ1=0 kPa等值线位于坡体下部。

边坡开挖2级后，应力继续调整，在第1级边坡中上部浅表层形成1个明显的“耳”状应力降低区，边坡第1，2级均存在坡脚应力集中现象，Δσ1=0 kPa等值线向下部移动，在坡面附近由缓变陡。

边坡开挖3级后，应力调整明显增大，单级边坡坡脚主要为应力集中，在第1,2级边坡浅表层分别形成2个“耳”状应力降低区，同时在第1级坡脚沿应力降低区侧界斜向上形成一个应力急剧增高带。

边坡开挖4级后，应力调整继续增大，在第1～3级边坡坡面附近形成“通耳”状贯通的应力降低区，坡体内沿坡脚斜向上的应力急剧升高带逐渐变大，坡内Δσ1=0 kPa等值线在形状上呈现出从岛状逐渐转变为半岛状。

边坡开挖5级后，应力调整继续增大，在开挖面附近形成1个与坡顶接近贯通一定范围的应力降低带，坡内应力增高带沿坡脚向上和内范围扩大。

边坡开挖6级后，应力调整急剧增大，边坡面应力降低区和坡内应力增高带同时与坡顶基本贯通，此时边坡已失稳破坏，应力降低区和应力增高区交界面附近的应力调整十分剧烈，数值上为Δσ1很大，最大剪应变云图如图11所示。

图11 碎块状强风化层路堑边坡(1∶0.25)最大剪应变云图

该模型边坡随着开挖高度逐渐增大，边坡开挖面附近的应力降低区由单级向多级逐渐贯通成带，坡内Δσ1=0 kPa等值线的形状从岛状向半岛状转变。当边坡6级开挖后，边坡形成1个与坡顶基本贯通的三角状降低带，在应力降低带的侧界为应力急剧增高带。

(2)开挖坡率1∶0.5

在1∶0.5碎块状强风化路堑边坡模型中，边坡开挖6级后，大主应力Δσ1如图12所示。

图12 碎块状强风化层路堑边坡(1∶0.5)大主应力增量云图(单位:kPa)

该边坡开挖过程中，应力不断调整，6级开挖完成后，开挖面附近的大主应力降低区的范围与坡率1∶0.25 相比明显降低，主要集中在1～4级边坡的浅表层，呈向上递减的“倒三角”状。坡体内部的应力急剧增高带由坡体内的大范围变成坡脚的1个条带状。

(3)开挖坡率1∶0.75

在1∶0.75碎块状强风化路堑边坡模型中，边坡开挖6级后，大主应力Δσ1如图13所示。

图13 碎块状强风化层路堑边坡(1∶0.75)大主应力增量云图(kPa)

该边坡开挖6级后，开挖面附近的大主应力降低区的范围与坡率1∶0.25和1∶0.75相比急剧减小，主要位于1～3级的单级边坡表层，未贯通成片，坡体内的应力急剧增高带消失，Δσ1=0 kPa等值线位于第4级边坡坡脚，形状上稍变陡。

1.3.4 中风化层路堑边坡

(1)开挖坡率1∶0.25

1∶0.25中风化路堑边坡模型开挖过程的大主应力Δσ1变化如图14所示(模型各开挖步云图变化量值范围一致，最大值Δσ1=1 000 kPa，最小值Δσ1=-445 kPa，图中粗线为Δσ1=0 kPa等值线)。

图14 中风化层路堑边坡(1∶0.25)大主应力增量云图(单位：kPa)

边坡开挖1,2级后，应力开始调整，在第1级边坡上半部形成1个“耳”状应力降低块，坡脚为应力集中，Δσ1=0 kPa等值线由上向下移至坡脚附近。

边坡开挖3,4级后，应力调整增大，坡脚应力集中，在单级边坡1,2,3级边坡中上部浅表层形成“串耳”状应力降低区，但未连成片。

边坡开挖6级后，应力调整明显增大，坡脚应力集中程度加大，第1～5级边坡坡顶表层附近形成5块“串耳”状应力降低区，等值线形状由岛状变成半岛状。该模型应力降低区主要为单级边坡表层附近，呈“串耳”状。坡内Δσ1=0 kPa等值线由位于坡脚附近，坡体内部形成1个“齿缺”状的应力增高区，最大剪应变云图如图15所示。

图15 中风化层路堑边坡(1∶0.25)最大剪应变云图

(2)开挖坡率1∶0.5

在1∶0.5中风化路堑边坡模型中，边坡开挖6级后，大主应力Δσ1云图如图16所示。

图16 中风化层路堑边坡(1:0.5)大主应力增量云图(单位:kPa)

与坡率1∶0.25边坡相比，其开挖面附近的大主应力降低区的范围明显减小，但基本保持“串耳”状的分布态势。Δσ1=0 kPa等值线向下移动到第3级坡脚附近，整体形状为半岛状。

(3)开挖坡率1∶0.75

在1∶0.75中风化路堑边坡模型中，边坡开挖6级后，大主应力Δσ1云图如图17所示。

图17 中风化层路堑边坡(1∶0.75)大主应力增量云图(单位:kPa)

与坡率1∶0.25和1∶0.5的边坡模型相比，开挖面附近的大主应力降低区的范围减小，主要位于第1～3级边坡中上部浅表层，形成“半圆”状的应力降低区，边坡4～5级坡顶附近的应力降低区基本消失。Δσ1=0等值线位于3级坡脚附近，形状稍变缓。

2 边坡开挖应力松弛区的分布规律

2.1 路堑边坡开挖应力松弛区的划分

通过对上述12个典型路堑边坡模型开挖过程中的应力变化特征分析得到，路堑边坡开挖过程中，坡体应力逐渐调整，会在开挖面附近一定范围或局部区域形成1个大主应力剧烈调整的应力降低区，应力调整程度随与坡面距离的增大而逐渐减小，最终坡体内应力状态改变基本和初始应力状态基本相当。基于上述研究成果，本研究将大主应力增量Δσ1增减变化作为路堑边坡开挖应力松弛区划分的特征参量。

为确定路堑边坡开挖应力松弛区，进一步研究了大主应力增量的数值大小与坡面距离之间的变化，结合开挖过程中的塑性区和最大剪应变的变化，研究得到路堑边坡开挖后的应力场可分为如图18所示的3个区域。其中应力松弛区主要位于开挖面附近大主应力增量负值突变区。应力集中区位于应力松弛区的侧界，在坡体内形成了1个应力急剧增高带或平缓过渡带，大主应力增量的数值可正可负。应力不变区位于应力过渡区外侧至边坡边界之间的区域，应力调整不明显，大主力增量数值基本为0，见图19。

图18 路堑边坡开挖后的应力场划分示意图

图19 大主应力增量大小与坡面距离的变化曲线

2.2 路堑边坡开挖应力松弛区的分布规律

路堑边坡开挖卸荷过程中，随开挖坡率、高度、岩土强度不同，在边坡开挖面附近形成的应力松弛区的分布范围和形态不同。

2.2.1 岩土强度

根据上述数值计算结果，随着岩土体强度增加，边坡开挖应力松弛区范围变小。坡残积层或砂土状强风化层边坡开挖后，边坡开挖面附近形成的应力松弛区为1个与坡顶接近贯通的“长舌”状应力松弛区，碎块状强风化路堑边坡在开挖面附近一定范围形成1个与坡顶接近贯通的“通耳”状应力松弛区，中风化路堑边坡在单级边坡坡顶表层附近的“串耳”状应力松弛块。

2.2.2 开挖坡率

路堑边坡随着开挖坡率逐渐减小，边坡开挖面附近应力松弛范围逐渐减小。在坡残积黏性土和砂土状强风化花岗岩模型中，边坡开挖面附近由一定范围的“长舌”状应力松弛区变成表层的“半核”状松弛区，坡脚应力集中现象逐渐消散为应力松弛，坡体内的应力集中区由一定宽度的“狼牙”状应力集中带逐渐消散。

在碎块状强风化花岗岩和中风化花岗岩模型中，随着开挖坡率减小，碎块状强风化花岗岩模型中边坡开挖面附近由大范围与坡顶接近贯通的“通耳”状应力松弛区变成第1～3级边坡浅表层的“倒三角”状薄层松弛带，中风化花岗岩模型边坡应力松弛区由单级边坡坡顶附近的“串耳”状变成坡脚表层的薄层状，坡体内部的应力集中区逐渐消散。

2.2.3 开挖高度

路堑边坡开挖卸荷过程中，随着边坡的逐级开挖高度增大，边坡应力调整增大，开挖面附近的应力松弛范围不断增大，应力松弛由单级边坡表层向多级边坡深部逐渐贯通成区，坡脚应力集中逐渐消散为应力松弛。

2.3 典型路堑边坡开挖应力松弛区的分布图

基于上述研究成果，典型路堑边坡开挖后的应力松弛区分布见图20。在坡残积或砂土状强风化路堑边坡开挖面附近形成1个“长舌”状的应力松弛区，坡体内部形成1个“狼牙”状的应力集中区。在碎块状强风化路堑边坡开挖面附近形成1个“通耳”状的应力松弛区，坡体内部形成1个“半岛”状应力集中区。在中风化路堑边坡开挖面单级边坡表层形成“串耳”状的应力松弛区，坡体内部形成1个“牙缺”状的应力集中区。

图20 典型路堑边坡应力松弛区分布

3 路堑边坡开挖松驰效应及工程应用

3.1 路堑边坡开挖卸荷松弛效应

自然界的岩土体是1种经地质作用、外部环境影响的复杂材料，材料内部不可避免的形成了许多形状各异、大小不一的微裂隙。在路堑边坡工程开挖卸荷作用下，局部可能从压应力调整为拉应力，会导致这些微裂隙不断扩展、汇合或形成新裂隙，破坏了岩土体的完整性，导致岩土体强度发生损伤劣化，从而诱发路堑边坡失稳破坏。

3.2 路堑边坡开挖卸荷力学参数的劣化规律

路堑边坡岩土体开挖是1个卸荷的过程，其力学参数弹性模量、黏聚力、内摩擦角会发生损伤劣化，前期根据卸荷力学和RFPA2D数值软件[18]进行了卸荷数值试验研究，得到了如式(1)所示的岩土体强度劣化规律：

(1)

式中，α(E)为弹性模量损伤量；α(c)为黏聚力损伤量；α(φ)为内摩擦角损伤量；Δ为开挖卸荷量累计百分比。

3.3 工程应用

本研究借助数值软件，进一步研究了开挖卸荷效应对边坡稳定性的影响，见图21和图22(岩土体参数损伤劣化对路堑边坡开挖的影响，是基于全场离散动态力学参数的路堑边坡数值分析方法考虑的[18]，即根据边坡开挖卸荷量，按式(1)所示的岩土体强度劣化规律，对边坡开挖过程中的力学强度进行动态调整；结构面强度影响主要是通过结构面的峰值强度和残余强度综合考虑的，即在弹性变形阶段结构面强度参数为峰值强度，在塑性变形阶段结构面强度参数变为残余强度)。

图21 考虑岩土体强度损伤开挖后最大剪应变云图

图22 考虑结构面损伤开挖后最大剪应变云图

根据数值计算结果(如图21所示，是一个开挖坡率为1∶1.0 的典型6级土质边坡开挖模型)。路堑边坡受开挖卸荷效应，岩土体强度损伤劣化，边坡开挖4级后，边坡失稳破坏，见图21(b)，未考虑岩土体损伤劣化时，边坡6级开挖完成后，内部未形成贯通的滑动面，见图21(a)。基于上述结果可明显看出，开挖卸荷作用对路堑边坡稳定性的影响十分显著，而对山区高速公路建设过程中已出现问题的路堑边坡研究时发现，此类型边坡在建设过程中，如未进行及时加固，多数边坡在第3,4级开挖时即发生变形或破坏，在常用坡率且不设支挡加固条件下开挖6级土坡能保持稳定的很少见，与本研究考虑卸荷作用的路堑边坡数值分析结果一致。

根据上述计算结果，在结构面考虑损伤时(见图22(b))，边坡第3级开挖后变形明显，坡体中形成接近贯通的滑动带，沿坡脚顺倾结构面剪出。未考虑结构面损伤时(见图22(a))，变形主要为坡脚顺倾结构面附近，坡体内未形成滑动带。

4 结论

本研究采用数值分析方法，系统研究了12个典型路堑边坡开挖过程的应力变化特征，提出了路堑边坡开挖应力松弛区的划分方法，总结了不同岩土强度、开挖坡率和开挖高度的路堑边坡开挖应力松弛区的分布规律，并对路堑边坡开挖卸荷效应进行了阐明及应用研究，得到以下主要结论：

(1)路堑边坡开挖过程中的大主应力增量可作为边坡开挖应力松弛区划分的特征参量，边坡开挖后的坡体应力场可划分为应力松弛区、应力集中区和应力不变区3个区，应力松弛区位于开挖面附近大主应力增量负值突变区。

(2)路堑边坡开挖形成的应力松弛区与边坡开挖坡率、高度、岩土强度密切相关。随着路堑边坡开挖坡率变缓，应力松弛现象减弱，应力松弛区由一定范围的“长舌”状逐渐变成“半核”状，“通耳”状逐渐变成“串耳”状。路堑开挖高度越高，应力松弛现象越明显，由单级边坡表层的应力松弛区逐渐变成多级边坡贯通的松弛区。边坡开挖岩土强度越高，应力松弛现象越弱，应力松弛区由一定范围“长舌”状逐渐变成表层的“半核”状，或“通耳”状变成多级边坡坡顶附近的“串耳”状。

(3)路堑边坡开挖卸荷效应会引起岩土体强度的损伤劣化，在边坡稳定性计算分析和防护加固工程设计时，应充分考虑开挖卸荷效应的影响。