炭質(zhì)頁巖邊坡合理開挖施工工藝研究

陳向陽， 伍林林， 呂 哲

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

隨著我國西部大開發(fā)，高速公路在西部地區(qū)迅速發(fā)展，在建設(shè)過程中出現(xiàn)的炭質(zhì)頁巖路塹邊坡引起學(xué)者的廣泛關(guān)注。炭質(zhì)頁巖主要分布在我國廣西、云南等西南部地區(qū)，是一種軟巖，具有強(qiáng)度低，易風(fēng)化、易崩解等特點(diǎn)，由于巖體成分中含有大量的分散碳化有機(jī)物，遂成灰黑色。炭質(zhì)頁巖是一種沉積巖，環(huán)境差異使其物質(zhì)組成與巖體結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，具有“成分不均、分布不均、性質(zhì)不均”等特點(diǎn)。如何保持邊坡在施工開挖過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)是一直是工程難點(diǎn)之一。炭質(zhì)頁巖邊坡受開挖擾動(dòng)，邊坡中的應(yīng)力分布發(fā)生改變，其變形也進(jìn)一步增大，極有可能在開挖過程中產(chǎn)生破壞，對(duì)施工安全構(gòu)成重大威脅。為保證施工安全，找到一種最安全合理的開挖方式，使邊坡在開挖完成后穩(wěn)定性最好，魏麗梅等[1]以某公路炭質(zhì)頁巖邊坡為依托，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及FLAC數(shù)值模擬計(jì)算，得到了炭質(zhì)頁巖路塹邊坡開挖前后變形及穩(wěn)定性。本文在前人[2-7]研究基礎(chǔ)上，利用FLAC3D軟件對(duì)某邊坡以不同開挖坡和不同開挖分級(jí)深度工況下穩(wěn)定性情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同開挖方式下邊坡穩(wěn)定性的變化，為實(shí)際工程提供參考。

1 數(shù)值模擬建立及參數(shù)選取

選取柳南高速公路改擴(kuò)建工程K21+450斷面處邊坡為研究對(duì)象。該段炭質(zhì)頁巖路塹邊坡高度為50 m，根據(jù)工程地質(zhì)資料，坡頂以下0～30 m為強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁巖，30 m以下為中風(fēng)化炭質(zhì)頁巖，邊坡典型斷面如圖1所示。

圖1 初始邊坡簡(jiǎn)化斷面圖

運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)該進(jìn)行數(shù)值建模，然后導(dǎo)入FLAC3D中，模型尺寸寬130 m，左側(cè)高20 m，右側(cè)高70 m。模型共2 942個(gè)單元，6 026個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型如圖2所示。數(shù)值分析參數(shù)根據(jù)室內(nèi)土工

圖2 FLAC3D建立原始邊坡數(shù)值模型圖

試驗(yàn)，再通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理、分析，確定邊坡巖土的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)(見表1)。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)巖土名稱密度/(g·cm-3)粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁巖2.34934.525.335中風(fēng)化炭質(zhì)頁巖2.50163.036.220彈性模量/MPa剪切模量/MPa體積模量/MPa泊松比160.3265.3897.520.226280.38119.62142.470.172

圖3為初始邊坡剪應(yīng)變?cè)隽康戎祱D，圖4 為初始邊坡塑性區(qū)圖。從圖3、圖4可知，初始邊坡的安全系數(shù)為1.39，說明此邊坡開挖之前是安全的，邊坡的潛在滑動(dòng)面發(fā)生在塑性區(qū)內(nèi)，且都在上部巖層中。

圖3 初始邊坡剪應(yīng)變?cè)隽康戎祱D

圖4 初始邊坡塑性區(qū)圖

2 計(jì)算結(jié)果分析

在邊坡開挖過程中，邊坡開挖坡比是一個(gè)重要因素，本研究選取1∶1、1∶0.75、1∶0.5 這3種坡率對(duì)邊坡進(jìn)行開挖，并分別采用每級(jí)8、10、15 m這3種邊坡分級(jí)高度，計(jì)算邊坡在不同開挖坡率、不同邊坡分級(jí)高度下的穩(wěn)定性。因篇幅有限，本文只以開挖過程的安全系數(shù)和開挖后的剪應(yīng)變?cè)隽繄D來對(duì)比分析，通過剪應(yīng)變?cè)隽繄D可以直觀地判斷易失穩(wěn)位置和不同開挖深度下的變化。

2.1 按坡比為1∶1開挖

將開挖坡比固定為1∶1，對(duì)50 m邊坡按以下3種分級(jí)高度進(jìn)行開挖： ①按8 m高度分6級(jí)，前5級(jí)8 m、第6級(jí)10 m；②按10 m高度分5級(jí)，每級(jí)均為10 m；③按15 m高度分3級(jí)，前2級(jí)15 m、第3級(jí)20 m。臺(tái)階寬度均為2 m。

坡比為1∶1，不同分級(jí)高度下邊坡開挖后的剪應(yīng)變?cè)隽咳鐖D5所示。從圖5可以看出邊坡在30 m深度位置剪應(yīng)變最大，該處為2種炭質(zhì)頁巖層間位置，說明該位置較其他位置更易失穩(wěn)。圖5b剪應(yīng)變?cè)隽枯^圖5a變化不大，而圖5c中邊坡的剪應(yīng)變?cè)龃筝^多，即剪應(yīng)變?cè)隽吭诜旨?jí)開挖深度為15 m的情況下最大。邊坡在不同分級(jí)高度下，開挖過程的安全系數(shù)如表2。

a) 分級(jí)高度8 m

b) 分級(jí)高度10 m

c) 分級(jí)高度15 m

表2 按坡比1∶1開挖時(shí)不同分級(jí)高度在開挖過程中安全系數(shù)表開挖過程安全系數(shù)Fs分級(jí)高度8 m分級(jí)高度10 m分級(jí)高度15 m初始1.391.391.39第1級(jí)1.371.351.29第2級(jí)1.331.301.18第3級(jí)1.271.271.09第4級(jí)1.241.26—第5級(jí)1.211.24—第6級(jí)1.20——

從表2可知，無論分級(jí)高度多少，邊坡安全系數(shù)都隨著開挖深度增加而逐漸變小。分級(jí)開挖8 m時(shí)，安全系數(shù)由初始的1.39降低為1.20；分級(jí)開挖10 m時(shí)，安全系數(shù)由初始的1.39降低為1.24；分級(jí)開挖15 m時(shí)，安全系數(shù)由初始的1.39降低為1.09。由此可見分級(jí)開挖深度15 m時(shí)，安全系數(shù)降低最多，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。分級(jí)開挖10 m的時(shí)安全系數(shù)接近于規(guī)范值，只需對(duì)邊坡簡(jiǎn)單防護(hù)。

2.2 按坡比為1∶0.75開挖

將開挖坡比固定為1∶0.75，對(duì)50 m邊坡按前述3種分級(jí)高度進(jìn)行開挖。

坡比為1∶0.75，不同分級(jí)高度下邊坡開挖后的剪應(yīng)變?cè)隽咳鐖D6所示。從圖6仍然可以看出邊坡在30 m深度位置剪應(yīng)變最大，該處為2種炭質(zhì)頁巖層間位置，說明該位置較其他位置更易失穩(wěn)。剪應(yīng)變?cè)隽壳闆r與坡比為1∶1時(shí)類似。邊坡在不同分級(jí)高度下，開挖過程安全系數(shù)如表3。

從表3可知，邊坡安全系數(shù)隨著開挖深度增加而逐漸變小。同樣也是在開挖分級(jí)高度為10 m時(shí)，開挖后的安全系數(shù)最接近規(guī)范值，為1.14。但是與坡比1∶1時(shí)相比，在開挖過程中邊坡安全系數(shù)降低很快。開挖后邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，需要對(duì)邊坡進(jìn)行加固支護(hù)。

a) 分級(jí)高度8 m

b) 分級(jí)高度10 m

c) 分級(jí)高度15 m

表3 按坡比1∶0.75開挖時(shí)不同分級(jí)高度在開挖過程的安全系數(shù)開挖過程安全系數(shù)Fs分級(jí)高度8 m分級(jí)高度10 m分級(jí)高度15 m初始1.391.391.39第1級(jí)1.361.341.26第2級(jí)1.321.261.13第3級(jí)1.261.211.01第4級(jí)1.221.17—第5級(jí)1.151.14—第6級(jí)1.13——

2.3 按坡比為1∶0.5開挖

將開挖坡比固定為1∶0.5，對(duì)50 m邊坡按前述3種分級(jí)高度進(jìn)行開挖。

坡比為1∶0.5，不同分級(jí)高度下邊坡開挖后的剪應(yīng)變?cè)隽咳鐖D7所示。從圖7中仍然可以看出邊坡在30 m深度位置剪應(yīng)變最大，該處為2種炭質(zhì)頁巖層間位置，說明該位置較其他位置更易失穩(wěn)。剪應(yīng)變?cè)隽壳闆r類似以上兩種情況，但在同級(jí)開挖深度下，剪應(yīng)變?cè)隽孔兇罅?。邊坡在不同分?jí)高度下，開挖過程安全系數(shù)如表4。

a)分級(jí)高度8 m

b) 分級(jí)高度10 m

c) 分級(jí)高度15 m

從表4可知，邊坡安全系數(shù)隨開挖深度增大而逐漸變小。同樣，在開挖分級(jí)高度為10 m情況下，開挖后安全系數(shù)最大,為0.99。相比于坡比1∶1和坡比1∶0.75時(shí)，安全系數(shù)降低最為明顯，且開挖后處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在施工過程中必須邊開挖邊加固支護(hù)。

表4 按坡比1∶0.5開挖時(shí)不同分級(jí)高度在開挖過程的安全系數(shù)開挖過程安全系數(shù)Fs分級(jí)高度8 m分級(jí)高度10 m分級(jí)高度15 m初始1.391.391.39第1級(jí)1.321.281.19第2級(jí)1.231.211.03第3級(jí)1.151.160.88第4級(jí)1.061.08—第5級(jí)0.980.99—第6級(jí)0.94——

3 結(jié)論

1)不管采用哪種開挖方式，隨著邊坡開挖施工，邊坡安全系數(shù)越來越小,邊坡穩(wěn)定性降低。所以在施工中，要選用合理的開挖方式，降低對(duì)邊坡的擾動(dòng)。

2)邊坡開挖分級(jí)高度為10 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)最大。若分級(jí)開挖深度過小，施工工序多且時(shí)間長(zhǎng)，不利于邊坡穩(wěn)定；若分級(jí)開挖深度過大，則單次作業(yè)對(duì)邊坡擾動(dòng)大，同時(shí)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。