某公路高邊坡不同開挖方式穩(wěn)定性分析

摘要：文章結(jié)合某公路邊坡實(shí)例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)獲取巖土體力學(xué)參數(shù)，使用數(shù)值模擬方法分析不同開挖方式以及爆破開挖擾動(dòng)情況下的邊坡穩(wěn)定性情況。結(jié)果表明：邊坡安全系數(shù)隨著坡比的減小而增大，隨著開挖級(jí)數(shù)的增多而增大，隨著臺(tái)階寬度的增大而增大;爆破開挖會(huì)造成邊坡安全系數(shù)在瞬間低于規(guī)范要求，但邊坡整體穩(wěn)定性仍較好;在邊坡開挖過(guò)程中應(yīng)盡量降低邊坡開挖坡度、提高臺(tái)階高度并嚴(yán)格控制炸藥用量。

關(guān)鍵詞：高邊坡;開挖方式;爆破;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U416.1+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.1 3282/j. cnki. wccst. 201 9. 12. 012

文章編號(hào)：1673 - 4874（2019）12 - 0041 - 03

0 引言

隨著國(guó)家公路建設(shè)的快速發(fā)展，高陡地形區(qū)域修建公路越來(lái)越常見。在這些區(qū)域進(jìn)行公路建設(shè)時(shí)，往往需要對(duì)天然斜坡進(jìn)行開挖，形成人工高邊坡。人類工程活動(dòng)對(duì)天然邊坡的擾動(dòng)必然會(huì)造成邊坡穩(wěn)定性發(fā)生變化，因此，針對(duì)這方面的研究是非常必要的。穆成林等[1]考慮巖體結(jié)構(gòu)特征對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，采用未確知測(cè)度方法對(duì)開挖邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。劉爽等[2]以損傷理論為基礎(chǔ)，在分析邊坡開挖卸荷的過(guò)程中充分考慮了巖體材料的非均勻性。習(xí)朝輝等嘲使用物理模型試驗(yàn)，分析順層邊坡開挖變形過(guò)程，采用數(shù)學(xué)擬合方法獲取邊坡開挖破壞范圍與巖體傾角等因素的關(guān)系。目前，在高邊坡的研究中較為常用的方法包括：數(shù)值模擬[4-5]、物理模擬[6-7]、理論分析[8-9]等。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)某公路邊坡開挖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 邊坡工程地質(zhì)條件

該邊坡位于我國(guó)西南山區(qū)，巖性主要為白云質(zhì)灰?guī)r，地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)較為強(qiáng)烈。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，邊坡內(nèi)巖體層面產(chǎn)狀為25～35°∠30～40°，存在兩組主要的結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀為160～175°∠60～70°、270 --295°∠65～75°。區(qū)域內(nèi)白云質(zhì)灰?guī)r層厚為2.0～3.0m，局部夾有強(qiáng)度較低的泥質(zhì)夾層，厚度為2～3 cm，是控制邊坡穩(wěn)定性的主要結(jié)構(gòu)面。此次開挖邊坡坡高為25 m。

2 現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)巖體強(qiáng)度參數(shù)的確定

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)獲取巖土體強(qiáng)度參數(shù)為邊坡穩(wěn)定性計(jì)算提供參數(shù)依據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)結(jié)構(gòu)破壞面多呈起伏狀。根據(jù)剪切試驗(yàn)結(jié)果，剪切破壞面多發(fā)生于泥質(zhì)夾層中，該層強(qiáng)度較低，由大剪結(jié)果可知泥質(zhì)夾層的粘聚力C值為19.2 kPa，內(nèi)摩擦角φ值為13.6°，而白云質(zhì)灰?guī)r的粘聚力C值為92.6 kPa，內(nèi)摩擦角∞值為32.3。。

3 開挖邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 不同開挖方案邊坡穩(wěn)定性分析

3.1.1 開挖坡比對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

坡比是邊坡開挖過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)開挖邊坡的穩(wěn)定性具有重要的影響。為了研究開挖坡比的影響，采用一坡到底的開挖方式，建立4組數(shù)值模擬模型，坡比分別為1：0.5、1：1.0、1：1.5、1：2.O。各方案邊坡數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見圖1。從圖1可知，隨著坡比的減小，坡體內(nèi)部剪應(yīng)力分布也逐漸變化，有效降低了坡腳部位的剪應(yīng)力集中，這對(duì)于控制開挖邊坡的穩(wěn)定性是十分重要的。坡比與安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。從表1可知，隨著坡比的減小，開挖邊坡的安全系數(shù)逐漸降低。

3.1.2 開挖級(jí)數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為了研究不同開挖級(jí)數(shù)對(duì)高邊坡穩(wěn)定性的影響，建立兩組數(shù)值模擬模型，開挖坡比均為1：1.5，其中一組采用一坡到底的開挖方式（一級(jí)開挖）;另一組采用兩級(jí)開挖的方式，中間臺(tái)階寬度為3.Om。兩組試驗(yàn)方案數(shù)值模擬結(jié)果見圖2。從圖2可知，兩組開挖方式下，邊坡發(fā)生塑性變形的位置集中于坡頂與二級(jí)邊坡的臺(tái)階處，當(dāng)采用一坡到底的開挖方式時(shí)，整個(gè)斜坡均處于較大的變形區(qū)域內(nèi)，而設(shè)置臺(tái)階后，塑性變形區(qū)域面積與一坡到底相比減小了約18. 96 m2。由此可見，采用兩級(jí)開挖中間設(shè)置臺(tái)階的方式，有利于開挖坡體內(nèi)部應(yīng)力的優(yōu)化調(diào)整，有利于開挖邊坡的整體穩(wěn)定。

同時(shí)，邊坡巖體結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育表面存在較大的細(xì)小巖體顆粒，采用兩級(jí)開挖中間設(shè)置平臺(tái)的方式，可以作為緩沖平臺(tái)降低巖體碎塊的沖擊力，有效保障下方公路的安全，工程效益較為顯著。

3.1.3 不同臺(tái)階寬度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在邊坡開挖過(guò)程中臺(tái)階寬度一般在2～5 m之間。根據(jù)本工程的邊坡特點(diǎn)，設(shè)置4組數(shù)值模擬模型，臺(tái)階寬度分別為2.Om、3.5 m、5.Om和7.0 m，坡比依然為1：1. 50。不同臺(tái)階寬度所需要的開挖工程量和安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。從表2可知，隨著臺(tái)階寬度的增大，邊坡安全系數(shù)越高，最大位移越小，但同時(shí)邊坡的開挖方量也越大，將會(huì)導(dǎo)致工程總投資明顯提升。臺(tái)階寬度與最大位移和安全系數(shù)關(guān)系曲線見圖3，當(dāng)臺(tái)階寬度<5.Om時(shí)，隨著臺(tái)階寬度的增加，安全系數(shù)增大速率和最大位移減小速率較大;當(dāng)寬度>5.0 m時(shí)，安全系數(shù)增大速率和最大位移減小速率均有所降低。

3.2 爆破開挖作用下邊坡響應(yīng)研究

巖質(zhì)邊坡強(qiáng)度較高，僅僅依靠人力或者機(jī)械難以直接對(duì)其進(jìn)行開挖，因此，需要借助炸藥破碎巖體，從而降低巖質(zhì)邊坡的開挖難度。

3.2.1 爆破荷載分析

使用加速度表示開挖施工過(guò)程中的炸藥爆破荷載，設(shè)加速度時(shí)間為1.6s，最大加速度為9.67 m/s，計(jì)算模擬第1級(jí)邊坡開挖施工。在數(shù)值模擬過(guò)程中，爆破荷載加載時(shí)間為2 ms，衰弱時(shí)間為4 ms，荷載作用曲線見圖4。

3.2.2 爆破荷載作用下開挖邊坡安全系數(shù)

設(shè)計(jì)開挖斷面采用兩級(jí)開挖，臺(tái)階寬度為3.Om，爆破位置位于第一級(jí)邊坡處，數(shù)值模擬計(jì)算得到的安全系數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線見圖5。從圖5可知，在全過(guò)程中，邊坡的平均安全系數(shù)Fs取值為1.254，大于規(guī)范規(guī)定的1. 20的要求，但安全系數(shù)在隨時(shí)間的變化過(guò)程中變化幅度較大，其中最大安全系數(shù)為2. 85，最小安全系數(shù)僅為0. 53，這表明在爆破開挖過(guò)程中，斜坡并非一直處于安全系數(shù)較高的狀態(tài)。

邊坡安全系數(shù)隨著開挖擾動(dòng)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程中，在一段時(shí)間內(nèi)安全系數(shù)>1. 20，這時(shí)邊坡處于穩(wěn)定性較好的狀態(tài);另一部分時(shí)間邊坡安全系數(shù)<1. 20，此時(shí)邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)較差，極有可能發(fā)生破壞，從而對(duì)施工人員的安全以及工程進(jìn)度造成影響。安全系數(shù)在瞬時(shí)小于規(guī)范要求時(shí)，邊坡一般情況下并不會(huì)發(fā)生大規(guī)模的破壞，通常僅出現(xiàn)小規(guī)模的破壞。

通過(guò)分析爆破開挖擾動(dòng)形成的塑性區(qū)范圍可知，爆破擾動(dòng)范圍較小，均位于爆破發(fā)生的一級(jí)邊坡內(nèi)，并不影響邊坡的整體穩(wěn)定性。因此，在爆破開挖過(guò)程中嚴(yán)格控制炸藥用量是十分重要的。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）影響邊坡開挖穩(wěn)定性的因素眾多。本文結(jié)合某公路邊坡實(shí)例，建立不同開挖數(shù)值模擬模型，邊坡安全系數(shù)隨著坡比的減小、臺(tái)階寬度的增大和開挖級(jí)數(shù)的增多而增大。

（2）爆破開挖會(huì)造成邊坡整體安全系數(shù)在瞬間低于規(guī)范要求，但邊坡整體穩(wěn)定性較好，爆破影響范圍較小。

（3）針對(duì)巖質(zhì)邊坡開挖時(shí)，應(yīng)盡量選擇小坡比、大臺(tái)階寬度以及多級(jí)數(shù)的開挖方式，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制爆破開挖時(shí)的炸藥用量。

參考文獻(xiàn)

[1]穆成林，裴向軍，裴鉆，等.基于巖體結(jié)構(gòu)特征和未確知測(cè)度評(píng)價(jià)模型的巖質(zhì)開挖邊坡穩(wěn)定性研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2019，46（4）：150 - 158.

[2]劉爽，束加慶，周晨露，等.基于損傷理論的巖體邊坡開挖卸荷松弛數(shù)值模擬研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2018，5I（SI）：273- 278.

[3]習(xí)朝輝，裴向軍，穆成林，等.順層巖質(zhì)邊坡開挖變形特征模型試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2018，58（12）：100 -103.

[4]唐雪峰.三明市水舞半山郡開挖邊坡現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)和邊坡治理效果模擬分析[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2018.

[5]王海濤，張小浩，宋詞，等.預(yù)應(yīng)力錨桿加固高陡邊坡的數(shù)值模擬[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，201 7，38（6）：98 -102.

[6]陳正東.含軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)制及支護(hù)優(yōu)化研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，201 7.

[7]袁廣.開挖黃土邊坡失穩(wěn)機(jī)理與預(yù)警判據(jù)研究[D].成都：成都理工大學(xué)，201 7.

[8]殷博.緩傾順向軟弱夾層巖體邊坡穩(wěn)定性研究[D].貴陽(yáng)：貴州大學(xué)，2019.

[9]李國(guó)鋒，李寧，劉乃飛，等.多年凍土區(qū)露天礦邊坡開挖的關(guān)鍵參數(shù)研究[J].水利水電技術(shù)，2018，49（9）：8-17.

作者簡(jiǎn)介：馬家明（1967-），工程師，從事公路與橋梁工程建設(shè)工作。