高速公路高挖方邊坡失穩(wěn)機(jī)理分析

韓立明 謝作勤

摘要：文章以河池至百色高速公路納貢屯滑坡為例，通過對滑坡變形特征的調(diào)查分析，運(yùn)用FLAC3D模擬軟件進(jìn)行計算，對比斜坡體開挖前后位移場變化特征，揭示高速公路邊坡開挖后邊坡失穩(wěn)機(jī)理。研究結(jié)果表明：邊坡開挖使斜坡體失去原有支撐，加之持續(xù)強(qiáng)降雨，坡體上部全風(fēng)化粉砂巖層自重增加，強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致了高挖方邊坡的失穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：高速公路;挖方邊坡;FLAC3D;變形機(jī)理

With the Nagongtun landslide of HechiBaise Expressway as the example，through the investigation and analysis of landslide deformation characteristics，and by using the FLAC3D simulation software for calculation，this article compares the displacement field change characteristics before and after slope excavation，and reveals the slope instability mechanism after excavation of expressway slope.The research results show that the slope body loses the original support during slope excavation，then the continuous heavy rainfall increases the selfweight of fully weathered siltstone layer at the upper part of the slope，reducing the strength，which eventually leads to the instability of high excavation slope.

Expressway;Excavation slope;FLAC3D;Deformation mechanism

0 引言

對于地形起伏的丘陵區(qū)高速公路，為滿足路面技術(shù)指標(biāo)，通常設(shè)計較多的高挖邊坡。由于公路路線較長，無法像水電、礦山一樣做細(xì)致勘察，因此無法完全掌握挖方邊坡的工程地質(zhì)條件。隨著高速公路基礎(chǔ)建設(shè)的加快，近年來挖方邊坡失穩(wěn)發(fā)生頻率呈現(xiàn)增長的趨勢[1]。邊坡失穩(wěn)將產(chǎn)生高額的治理費(fèi)用，同時還威脅著人民生命財產(chǎn)安全[2]。針對這類問題，大量學(xué)者從多個方向進(jìn)行分析研究，其中坡腳的開挖深度、降雨量的動態(tài)變化、地下水位的升降、挖方的坡率、地層巖性、動力荷載均對挖方邊坡的穩(wěn)定性造成影響[3-6]。目前對挖方邊坡穩(wěn)定性分析的方法有傳統(tǒng)的極限平衡法、極限分析法以及逐步得到認(rèn)可和推崇的數(shù)值模擬法[7-8]。

本文擬采用FLAC3D有限元模擬軟件，對河池至百色高速公路納貢屯邊坡建立計算模型，對比邊坡開挖前后的分析結(jié)果，探究納貢屯滑坡的成因機(jī)理，對高速公路高挖方邊坡的設(shè)計和治理提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件及滑坡基本特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于東蘭縣東北部隘洞鎮(zhèn)納貢屯，紅水河向斜北東翼，區(qū)域巖層產(chǎn)狀傾向南西，傾角15°～50°，場區(qū)巖層產(chǎn)狀為260°∠15°。本區(qū)域發(fā)育有同樂斷層，大致沿隘洞河床發(fā)育，距離高速公路約100 m，切割C、P、T等地層，北西盤地層向北東錯動，南東盤地層向南西錯動。據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015）可知，工程區(qū)地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度，區(qū)域地殼穩(wěn)定，因此本次研究不考慮地震作用的影響。

1.2 基本地質(zhì)條件

研究區(qū)屬構(gòu)造剝蝕-侵蝕低山丘陵地貌區(qū)，原丘頂標(biāo)高382.40 m，隘洞河從滑坡區(qū)北側(cè)經(jīng)過，距離滑坡區(qū)最近處約80 m，高差約40 m，河谷標(biāo)高300～303 m。高速公路位于丘坡上，自然坡度25°～35°，山坡植被發(fā)育，坡頂現(xiàn)狀為耕作用地?，F(xiàn)狀地形坡度15°～75°，人工邊坡高度約30 m，路基設(shè)計標(biāo)高約340 m?；聟^(qū)上方零星分布有少量民居。研究區(qū)工程地質(zhì)平面圖如圖1所示，工程地質(zhì)剖面圖如圖2所示。

據(jù)鉆探揭露，滑坡區(qū)主要由三疊系中統(tǒng)蘭木組（T2l）粉砂巖組成，上部為全風(fēng)化粉砂巖，滑動面位于該層底部;中部為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，揭露厚度7.80～20.20 m;最下部為中風(fēng)化粉砂巖，中厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，產(chǎn)狀260°∠15°。

滑坡區(qū)地勢較高，北側(cè)隘洞河河床及河面標(biāo)高均較低，地下水不受隘洞河影響。地下水主要為基巖裂隙水類型，水量較為貧乏，主要補(bǔ)給來源于大氣降雨和臨近巖體裂隙水。

1.3 滑坡體基本特征

滑坡體位于河池至百色高速公路K49+540～K49+760路段左側(cè)，屬施工工程中開挖邊坡失穩(wěn)。邊坡設(shè)計開挖高度最高約37 m，坡面采用拱形骨架護(hù)坡，其中強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖采用1∶1.00的坡率;全風(fēng)化粉砂巖采用1∶1.25的坡率。

2016年6月，邊坡在開挖完成后發(fā)現(xiàn)一些細(xì)小裂縫;經(jīng)2016-07-04大雨后裂縫有所發(fā)展;2016-07-07邊坡發(fā)生變形破壞，已施工的拱形骨架護(hù)坡立柱被拉斷，坡頂水稻田沿田埂開裂;2016-07-08暴雨后，裂縫貫通呈圈椅狀滑坡。滑坡體周界清晰，沿周界可見明顯的裂縫及變形。滑坡前緣已鼓出約2.5 m，剪出口位于一級邊坡全風(fēng)化與強(qiáng)風(fēng)化層界面處;滑坡后緣縫寬約0.5～1.5 m，地面下沉約0.5～0.8 m?；麦w水平位移最大處約3.5 m，垂直位移最大處約2.0 m。

滑坡體前緣位于路塹邊坡坡面，高程約345 m，后緣位于半山腰，高程為379 m，前后緣高差約34 m。左側(cè)以K49+540為界，右側(cè)以K49+760為界。前緣范圍約220 m，主力軸長約90 m，面積約1.1×104 m2，滑坡體厚度3～15 m，體積約8×104 m3?；麦w變形特征如圖3所示。

2 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

2.1 模型建立

運(yùn)用FLAC3D有限元分析軟件對納貢屯邊坡開挖前后進(jìn)行數(shù)值模擬計算，建立計算模型，X軸為滑坡滑向、Y軸指向坡體內(nèi)側(cè)、Z軸垂直向上，模型上部自由邊界、側(cè)邊界及底邊采用單向約束[9]，模型如圖4所示。

隨著深度變化，邊坡巖性風(fēng)化程度隨之改變。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)將邊坡模型分為三層，分別為全風(fēng)化粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖以及中風(fēng)化粉砂巖。計算采用彈塑性模型及摩爾庫倫準(zhǔn)則，巖土力學(xué)參數(shù)經(jīng)實驗取得，如表1所示。

2.2 模擬計算

邊坡未開挖前，模型在自重應(yīng)力下達(dá)到平衡，將初始位移、速度置零，然后輸入表1中的物理力學(xué)參數(shù)，計算出邊坡位移云圖。根據(jù)圖5可知，邊坡僅在坡腳處有小部分水平向的位移，模型中未出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，無明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，斜坡體呈穩(wěn)定狀態(tài)。

邊坡開挖后，在降雨工況下，模擬邊坡中位移及矢量增加變化（考慮降雨作用雨水下滲有限，僅局限于全風(fēng)化粉砂巖層，因此最上層取飽和態(tài)物理力學(xué)參數(shù)）。計算結(jié)果如圖6所示。

斜坡體在邊坡開挖后，坡體內(nèi)部呈現(xiàn)出較規(guī)律性的變形特征。由圖6（a）可知，在X方向即水平向上，最大位移出現(xiàn)于全風(fēng)化粉砂巖層，較下部強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖層，其位移量達(dá)3～4倍，同時對比滑坡體前緣與后緣水平向的位移可知，坡體前緣的位移量也要遠(yuǎn)高于后緣。斜坡體失穩(wěn)破壞的具體特征表現(xiàn)為滑坡體前緣呈“凸”起狀鼓脹，部分已施工完成的骨架錯位或被折斷。

由圖6（b）可知，在Z方向即豎直向，全風(fēng)化粉砂巖層產(chǎn)生了明顯的位移量，在滑坡體的后緣附近位移量達(dá)到了最大，滑動面上部的位移量較未滑動位置位移量高10倍左右，滑坡體前緣豎向位移量也遠(yuǎn)高于后緣。斜坡體失穩(wěn)的具體特征表現(xiàn)為滑坡體后緣出現(xiàn)臺階狀錯動，地面下沉約0.5～0.8 m。

根據(jù)模型中各網(wǎng)格之間位移變化及與鄰近網(wǎng)格之間的聯(lián)系，繪制出邊坡開挖后斜坡體變形矢量圖，如圖7所示。

圖7中箭頭方向表示節(jié)點變化方向，長短表示節(jié)點變形的大小。由斜坡體矢量變形特征可知，挖方邊坡在全風(fēng)化粉砂巖層的變形特征較強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖層有明顯的突變，能夠從圖中直觀地反映出滑動面的大致位置?；麦w前緣以水平向的變形為主，方向朝向臨空面;滑坡體后緣為豎直向變形特征，滑體中的大部分節(jié)點的變形方向與滑體滑向一致。

2.3 結(jié)果分析

納貢屯滑坡是多種因素共同作用下產(chǎn)生的。斜坡體未開挖前處于天然平衡狀態(tài)，按設(shè)計標(biāo)高進(jìn)行開挖后，斜坡體失去了原有支撐，臨空面為山體向外變形破壞提供了空間;同時由于山體的開挖，山體內(nèi)部原有應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了改變，平衡狀態(tài)遭到破壞，在斜坡坡腳和全風(fēng)化與強(qiáng)風(fēng)化接觸面附近產(chǎn)生了塑性區(qū)，坡腳卸荷，邊坡巖體應(yīng)力釋放和大變形;加之持續(xù)強(qiáng)降雨，斜坡體上部全風(fēng)化層處于飽水狀態(tài)，容重增加，風(fēng)化層接觸面在水浸潤作用下，抗剪強(qiáng)度減小，巖土體沿全～強(qiáng)風(fēng)化接觸面呈折線型下滑，在自重作用下，坡體前緣滑動后，牽引坡體后緣巖土體，產(chǎn)生牽引下滑，向前推動已失穩(wěn)的下滑坡體不斷向兩側(cè)發(fā)展，最終造成了納貢屯滑坡的發(fā)生。

3 結(jié)語

（1）高速公路高邊坡的開挖改變了斜坡體原有的平衡狀態(tài)，原有支撐被開挖，形成較好的臨空面，為斜坡體的變形破壞提供了空間，邊坡巖體應(yīng)力釋放。

（2）持續(xù)強(qiáng)降雨下，斜坡體上部全風(fēng)化巖層自重急劇加強(qiáng)和自穩(wěn)能力下降，巖土體沿全～強(qiáng)風(fēng)化接觸面呈折線型下滑。

（3）在自重作用下，坡體前緣滑動后，牽引坡體后緣巖土體，產(chǎn)生牽引下滑，向前推動已失穩(wěn)的下滑坡體不斷向兩側(cè)發(fā)展，影響場地安全。

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