深挖路塹高邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬與分析

劉忠祥，譚 濤，康 慧，陳曉艷

(江西東通交通科技股份有限公司，江西 南昌 330013)

0 引 言

318國道自東向西穿越了利川城區(qū)。近年來，由于本地車輛遞增快，過境車輛逐年增長，導(dǎo)致城區(qū)堵車現(xiàn)象頻發(fā)，嚴(yán)重影響了國道功能的發(fā)揮。因此，為緩解湖北省利川市城區(qū)交通擁堵現(xiàn)象并為當(dāng)?shù)匕傩盏某鲂袆?chuàng)造便利條件，湖北省交通部門籌劃并建設(shè)318國道利川繞城段。但是項目沿線有多處深挖路塹高邊坡，其穩(wěn)定性對公路的施工及運營安全具有重大影響。由于影響高邊坡穩(wěn)定性因素較多，包括破面形態(tài)、坡腳、坡高等外在因素和巖土體的內(nèi)摩擦角、粘聚力、重度等內(nèi)在因素。通過查閱前人研究成果及現(xiàn)場勘察資料，發(fā)現(xiàn)在眾多影響因素中，它們對邊坡穩(wěn)定性的影響力度各不相同。其中，影響力度較大的是巖土體的內(nèi)摩擦角、邊坡角、邊坡高度、巖土體黏聚力以及重度[1-3]。

為此，針對318國道利川繞城段深挖路塹高邊坡設(shè)計中的難點工程，利用有限元軟件PLAXIS 2D對該項目某個典型深挖路塹橫斷面以摩爾庫倫模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行多種工況下的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬與分析。

1 工程概況

318國道利川繞城段起于楊柳寺，止于石山廟，全長6.9 km，按國家一級公路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)。項目沿線路段地形地貌較復(fù)雜，河流、溝谷發(fā)育，溝壑縱橫，故在公路的建設(shè)過程中不可避免產(chǎn)生深挖路塹和高填路堤，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程量大，危險系數(shù)高的高邊坡。其中K0+300～K0+320段為最大深挖路塹段，且路基形式為整體式，左側(cè)開挖邊坡最大坡高41 m，位于K0+310處，施工中采用分級開挖方式進(jìn)行，且第一、第二級的坡率采用1∶0.5，第三至第五級的坡率均采用1∶0.75。

2 模型構(gòu)建

為了分析318國道利川繞城線樁號為K0+300～K0+320深挖路塹段高邊坡的穩(wěn)定性，選取典型剖面K0+310采用有限元模擬軟件FLAXIS 2D進(jìn)行模型的建立與分析。通過對該剖面進(jìn)行的地質(zhì)分析可知，該斷面屬于構(gòu)造剝蝕低中山區(qū)，中風(fēng)化巖層，鉆孔揭露地層組成為。

(1)表層：主要是被沖積碎石粉質(zhì)黏土所覆蓋，呈褐黃色或黃色，稍濕，局部為塊石，碎石成分主要是灰?guī)r，層厚0.5～1.3 m。

(2)中風(fēng)化巖層：呈青灰色，微晶結(jié)構(gòu)中厚層狀構(gòu)造，巖溶較發(fā)育，巖體表面局部見蜂窩狀溶蝕孔洞，巖芯較完整，承載力約為1 500 kPa。

各層實測巖土體參數(shù)如表1所示。

表1 實測巖土體參數(shù)

所構(gòu)建的模型中的各材料組均以摩爾庫倫本構(gòu)模型為基礎(chǔ)，且為同步現(xiàn)實中的施工過程，本次模擬也采用五步開挖的方式對原山坡土體進(jìn)行開挖并對該深挖路塹邊坡斷面穩(wěn)定性分別進(jìn)行模擬分析。其第一級和第二級坡率采用1∶0.5，第三級、第四級以及第五級均采用1∶0.75的坡率，且相鄰兩級直接的平臺均為2 m。同時，第一步開挖斷面高度為9 m，其余四步開挖高度均為8 m，且在第三至第五級邊坡上分別設(shè)置三排錨桿，其中第三、四級邊坡長錨桿采用3.0 m，短錨桿采用2.0 m。典型剖面K0+310的幾何模型見圖1。

圖1 剖面K0+310的幾何模型

3 邊坡穩(wěn)定性分析

為了更好地分析深挖路塹高邊坡的安全性，對模型進(jìn)行逐級開挖，分析每一級邊坡開挖之后剪應(yīng)變增量的情況，并在路塹邊坡開挖過程中，將每一級邊坡開挖后的安全穩(wěn)定性系數(shù)以及邊坡加固前后的安全穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行對比分析，鑒定其是否滿足公路路基設(shè)計規(guī)范要求。

3.1 開挖過程剪應(yīng)變增量分析

利用有限元軟件PLAXIS 2D所建立的典型剖面K0+310的幾何模型在數(shù)值模擬過程中采用與實際施工過程一樣的分級開挖，為了對比每一級邊坡開挖后潛在滑移面范圍及安全穩(wěn)定系數(shù)，首先通過結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查的實際的巖土體數(shù)據(jù)資料， 對原山坡整體進(jìn)行了一次地應(yīng)力平衡驗算， 得到原山坡的 潛在滑移面以及其自身的安全穩(wěn)定系數(shù)，原山坡的剪應(yīng)變增量云圖見圖2。

圖2 原山坡剪應(yīng)變增量云圖

由圖2可以清晰地觀察到原山坡存在一條潛在的滑移面，在山體長期的堆積與沉淀下，坡體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。分析圖2可知，原山坡剪應(yīng)變主要集中在邊坡模擬開挖的第五級、第四級和第三級的巖土體內(nèi)部，尤其是在第三級邊坡巖土體內(nèi)部，其剪應(yīng)變增量呈突然集中后緩慢減小的趨勢。因此，邊坡在實際施工開挖第五級、第四級和第三級每一級的過程中，都對該級邊坡通過打入錨桿進(jìn)行加固，確保工人施工安全以及后期運行期間山坡整體的安全穩(wěn)定。

第五級和第三級邊坡開挖加固后其剪應(yīng)變增量云圖見圖3，其中圖3(a)為開挖第五級邊坡剪應(yīng)變增量云圖，圖3(b)為開挖第三級邊坡剪應(yīng)變增量云圖。由圖3(a)可知，開挖加固打破了原山坡潛在滑移面的狀態(tài)，改變了土體內(nèi)部剪應(yīng)變增量的范圍，使得滑移面較為平緩。同時可以看出，在距離山頂約5 m處，滑移面發(fā)生近似90°轉(zhuǎn)角，且在第五級邊坡坡腳處，又新增另一潛在滑移面，形成了兩條土體內(nèi)部的潛在滑移面。出現(xiàn)上述問題的原因是開挖第五級邊坡增大了第五級邊坡坡度，加大了其坡腳處中風(fēng)化灰?guī)r的剪應(yīng)變。由圖3(b)可知，開挖完第三級邊坡并打入長錨桿之后，其巖土體內(nèi)部的潛在滑移面由原先的兩條轉(zhuǎn)變成了一條，究其原因，是因為開挖第三級邊坡后采用長錨桿對邊坡進(jìn)行加固，使得滑移面更加平緩，山體穩(wěn)定性更大，發(fā)生滑移的可能性更小。由于邊坡開挖第二級輸出的剪應(yīng)變增量云圖與第三級開挖之后輸出的剪應(yīng)變增量云圖類似，在此就不再說明。

圖3 分級開挖邊坡剪應(yīng)變增量云圖

邊坡開挖加固前后剪應(yīng)變增量云圖見圖4，其中圖4(a)為邊坡開挖未加固剪應(yīng)變增量云圖，圖4(b)為邊坡開挖加固后剪應(yīng)變增量云圖。由圖4可知，邊坡分級開挖后，無論加固與否，土體最終潛在滑移面大致相同，但加固后的五級邊坡其潛在滑移面影響范圍明顯小于未加固的五級邊坡；第一級邊坡坡腳處的剪應(yīng)變增量遠(yuǎn)遠(yuǎn)地低于未加固邊坡的第一級坡腳處的剪應(yīng)變增量；且加固邊坡的剪應(yīng)變增量最大值發(fā)生在第三級邊坡錨桿的頂端處，而未加固邊坡剪應(yīng)變增量最大值則出現(xiàn)在第一級邊坡坡腳處，會嚴(yán)重影響山體的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致山體發(fā)生滑坡、泥石流、坍塌等災(zāi)害。

圖4 邊坡開挖加固前后剪應(yīng)變增量云圖

上述對邊坡開挖之后剪應(yīng)變增量云圖的分析可知，山體開挖過程中有無邊坡加固最為關(guān)鍵，尤其在第三級開挖之后進(jìn)行加固。如若沒有進(jìn)行加固，在邊坡開挖至第一級，深挖高度達(dá)到41 m時，由于其潛在滑移面的影響范圍大，且剪應(yīng)變增量最大值發(fā)生在坡腳處，會導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。邊坡加固后，邊坡整體潛在危害會大大減小，五級邊坡更加趨于穩(wěn)定狀態(tài)，可以保證公路后期的正常運營。

3.2 安全穩(wěn)定系數(shù)分析

采用有限元強(qiáng)度折減法計算邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)Fs[4-5]。在計算邊坡穩(wěn)定系數(shù)時，假設(shè)：(1)均質(zhì)邊坡足夠長，均質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問題為平面應(yīng)變問題。(2)土體為理想剛塑性體，破壞時服從線性M-C破壞準(zhǔn)則。(3)實施強(qiáng)度折減原理時僅對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行折減。

模型在進(jìn)行邊坡工程穩(wěn)定性分析時，由于采用有限元強(qiáng)度折減法，故最終得到的位移量并無實際意義。

深挖第五、四級邊坡山體的安全系數(shù)要略高于原山坡，這是由于形成第五、四級邊坡后對于原山坡起到了削坡減載的作用，故其安全系數(shù)會提高到1.2左右。且形成第四級邊坡時，加固與未加固的安全系數(shù)基本一致，究其原因在于山體的潛在滑移范圍距離開挖坡面較遠(yuǎn)。當(dāng)?shù)谝?、第二級邊坡開挖后，安全系數(shù)明顯低于前幾階段，因為第一、第二級邊坡坡率比前三個開挖階段以及原山坡坡度更陡，而且形成了整體性較大的五級高邊坡，穩(wěn)定性明顯降低，山體的安全系數(shù)最小，近似于1.07，但加固后安全系數(shù)大幅度提高到1.4以上。

《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2015)[6]對路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的規(guī)定如表2所示，深挖路塹在正常工況下，一級公路的安全穩(wěn)定系數(shù)范圍為1.20～1.30。故此類高邊坡加固方式能夠滿足深挖路塹高邊坡的安全設(shè)計要求。

表2 路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

綜合以上分析可知，第五、四、三級邊坡開挖及加固施工過程是保證五級高邊坡整體穩(wěn)定最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。通過對邊坡打入三排間距相等的錨桿且在第三級邊坡打入長度更長錨桿進(jìn)行加固后，使得深挖高度達(dá)到41 m的高邊坡安全系數(shù)能夠提高到1.42，說明在正常工況下邊坡土體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

4 邊坡防護(hù)措施

典型的深挖路塹斷面K0+310邊坡以強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖和中風(fēng)化灰?guī)r為主，根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2015)中相關(guān)路基防護(hù)規(guī)定，在考慮巖層土的破碎程度、風(fēng)化程度以及承載力等，確保邊坡土體安全穩(wěn)定的同時，邊坡防護(hù)措施要盡可能的降低工程造價，減少工程量，因此，在第一、第二級邊坡采用掛網(wǎng)植爬壁藤防護(hù)護(hù)坡，第三、第四、第五級邊坡采用掛網(wǎng)噴播混生植物護(hù)坡(C型)防護(hù)。

5 結(jié) 論

通過建立318國道利川繞城段典型深挖橫斷面K0+310的模型，綜合考慮施工過程、現(xiàn)場巖土體的材料參數(shù)及邊坡加固措施對此典型剖面進(jìn)行了多種工況下的邊坡穩(wěn)定性有限元驗算與分析，得出以下結(jié)論。

(1)風(fēng)化程度嚴(yán)重的巖層及土質(zhì)邊坡的潛在滑移面影響范圍較大，進(jìn)行邊坡加固措施時應(yīng)著重考慮。

(2)隨著路塹的深挖高度在不斷增大時，其安全系數(shù)值也會隨之減小。通過在邊坡處打入錨桿進(jìn)行加固，可以有效減小潛在滑移面的影響范圍，提高邊坡整體的穩(wěn)定性。

(3)本項目地段水位很低，且坡體主要為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖和中風(fēng)化灰?guī)r，故在進(jìn)行邊坡防護(hù)時，選用植被護(hù)坡可以達(dá)到保護(hù)邊坡長期穩(wěn)定的目的。