某高邊坡變形機制及治理措施研究

尹紅梅 石 謙

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司 武漢 430071）

某高邊坡位于云南省境內，開挖高度達109 m，根據勘探資料顯示，挖方邊坡段第四系沖洪積、殘坡積厚度20～40 m，其下為強風化侏羅系中統花開左組板巖，局部有弱風化板巖。邊坡設計從上至下分6級開挖，各級底部高程分別為1 570，1 550，1 530，1 510，1 492，1 471 m，邊坡坡率1∶1.0。

1 變形監測數據分析

該邊坡施工過程中，在坡面先后布置了14個表面變形監測點。2011年5月～10月期間，表面變形監測點的變形在平面圖上的投影見圖1，監測數據表明變形明顯的主要是 TP-06，TP-07，TP-08測點。

圖1 表面變形監測成果平面投影圖

沿側面邊坡中心線切取地質剖面I-I′，繪制TP-06，TP-07，TP-08監測點的變形在剖面上的矢量投影，見圖2。

圖2 監測點變形矢量在I-I′剖面圖上的投影形態

（1）3個點在剖面圖上的投影變形量總體相當，說明坡體表層整體滑移［1］。

（2）測點變形方向反應了測點所在位置底滑面傾角大小［2］；從上至下，測點變形方向與水平面夾角逐漸變緩；到監測點TP-08，測點變形方向已近水平，說明潛在剪出口可能就在TP-08附近。

（3）監測點變形方向與相應部位第四系下界面傾角吻合較好，說明潛在變形體沿第四系下界面滑移的可能性較大。

2 邊坡穩定性分析

2.1 邊坡穩定性分析參數選取

根據該邊坡勘測資料并參照以往工程經驗，邊坡各層巖土體參數選取如表1。

表1 邊坡參數取值

2.2 數值模擬方法分析邊坡穩定狀態

根據邊坡資料建立的邊坡穩定性數值模擬分析模型見圖3［3］，考慮了第四系、強風化板巖、弱風化板巖、微新巖體4個不同巖性層，按實際施工情況，邊坡分6級開挖。

圖3 邊坡數值分析模型

將自重應力導致的位移場清零，然后進行邊坡逐級開挖模擬。

圖4為計算模型中不平衡力隨計算荷載步的變化曲線。由圖4可見，第一級、第二級邊坡開挖時，計算迅速收斂，說明第一、二級開挖不會導致邊坡大量變形，但是開挖第三級時，計算收斂已經比較困難。

圖4 開挖時不平衡力隨荷載步變化曲線

圖5 為第三級開挖結束后邊坡的水平向變形等值線圖，最大水平變形已超過30 c m，且以開挖揭露部位第四系變形為主。進行第四級邊坡開挖模擬時，計算不再收斂，說明在無支護條件下，開挖第四級邊坡時，坡體會出現失穩滑移［4－5］。第四級邊坡的底部高程為1 510 m；數值模擬結果與現場實際監測到的邊坡大變形出現位置相吻合。

圖5 第三級開挖后邊坡水平變形等值線圖

2.3 極限平衡法分析邊坡穩定狀態

根據以往工程經驗，該邊坡失穩產生較大滑移的潛在滑移面有第四系下界面和強風化層下界面，見圖6和圖7中粗線所圈閉的范圍。

圖6 沿第四系下界面的穩定性分析模型

圖7 沿強風化層下界面的穩定性分析模型

采用不平衡推力法計算邊坡沿兩個滑移面滑動的穩定性系數［6］，結果為：沿第四系下界面的潛在滑移體，穩定性系數為0.8；沿強風化層下界面的潛在滑移體，穩定性系數為1.5。說明開挖后，在沒有及時支護的情況下，邊坡存在沿第四系下界面整體滑移的趨勢。

3 邊坡處治設計

邊坡施工過程中的變性監測數據、邊坡數值模擬穩定性分析結果及邊坡極限平衡法穩定性分析結果均表明，該高邊坡滑移面為第四系與基巖交界面，即第四系下界面。

3.1 邊坡剩余推力的計算

根據相關規范［7］，邊坡安全系數取1.3，采用不平衡推力法計算。邊坡剩余推力計算采用圖6所示的分析模型，圖8給出了開挖時各條塊剩余推力，邊坡潛在滑體剩余推力為3 484 k N。

3.2 邊坡處治設計

根據滑體厚度、規模等，擬采用預應力錨索進行坡體加固。

錨索的軸向拉力設計值與滑坡推力設計值之間存在以下關系［8］：式中：Nt為錨索或錨筋樁軸向拉力設計值，k N；Fn為滑坡推力設計值；φ為滑動面內摩擦角，取22°；α為滑動面與水平面夾角，取平均值35°；β為錨索或錨筋樁與水平面的夾角，取平均值20°。

圖8 開挖時各條塊剩余推力分布曲線

邊坡潛在滑體剩余推力為3 484 k N，按式（1）計算得所需軸向拉力設計值Nt為3 851 k N。

在第四系滑移體內，布置11排預應力錨索，錨索列間距5 m×5 m［9］，錨索下傾20°，交錯布置，錨索長度根據滑面位置取L＝25～45 m。見圖9。

圖9 支護方案圖

單根錨索軸向設計拉力1 800 k N，11排錨索設計總拉力為19 800 k N，單寬滑體上的設計拉力為3 960 k N，大于所需軸向拉力。

3.3 邊坡開挖支護過程數值模擬

對邊坡開后采取錨索支護方案進行數值模擬，圖10為給支護后，計算模型中不平衡力隨計算荷載步的變化曲線，可以看出：每級邊坡開挖后，計算都能迅速收斂，說明邊坡開挖支護后整體穩定性較好。

圖11為支護后，邊坡內水平向變形等值線圖。由圖11可見，邊坡采用支護后最大水平向變形只有約5 c m。圖11中還給出了各排錨索荷載分布圖，圖中標注的數字為各級開挖面上錨索最大軸向出力［10］。從錨索荷載分布可以看出，第四級、第三級邊坡上錨索出力要大于第二級、第一級邊坡上錨索出力；第四級邊坡上，錨索最大出力為1 579 k N，小于設計荷載1 800 k N。

圖10 按原方案支護情況下不平衡力隨荷載步變化曲線

圖11 支護結束后水平向變形等值線圖及錨索荷載分布圖

圖12 為支護結束后，坡體內塑性區分布。可以看出，邊坡整體變形較小；且塑性區未貫通，說明邊坡整體穩定性較好。

圖12 支護后坡體內塑性區分布圖

4 結論及建議

綜合采用工程地質分析、極限平衡分析、數值模擬分析等手段，同時結合對變形監測資料的解析，基本查明了該高邊坡變形機制、變形過程及變形特征，邊坡在不同階段、不同情況下的穩定狀態，以及采取錨索支護措施對限制邊坡變形、維持邊坡穩定的作用過程及效果。

研究結果表明：

（1）該高邊坡滑移面為第四系與基巖交界面，即第四系下界面。

（2）在第四系滑移體內布置11排列間距為5 m的1 800 k N級預應力錨索支護方案提供的抗滑力能夠平衡潛在滑移體的剩余下滑力，使邊坡處于穩定狀態。

（3）邊坡開挖施工過程中應加強地表水、地下水的疏排。

［1］ 晏同珍.水文工程地質與環境保護［M］.武漢：中國地質大學出版社，1994.

［2］ 張倬元，王士天，王蘭生.工程地質分析原理［M］.2版.北京：地質出版社，1997.

［3］ FLAC3D3.0 User’s Guide.Itasca consulting group，Inc［M］.Mill Place111 Thir d Avenue South，Suite 450 Minneapolis，Minnesota 55401 USA，2005.

［4］ 艾志雄，羅先啟，劉 波，等.FLAC基本原理及其在邊坡穩定性分析中的應用［J］.災害與防治工程，2006（1）：19-24.

［5］ 姜海平.FLAC在邊坡穩定分析中的應用研究［J］.現代礦業，2010（9）：40-43.

［6］ GB 50330－2002建筑邊坡工程技術規范［S］.北京：中國計劃出版社，2002.

［7］ 徐 青，陳士軍，陳勝宏.滑坡穩定分析剩余推力法的改進研究［J］.巖土力學，2005，26（3）：465-470.

［8］ 張宜虎，尹紅梅.剩余推力法及其在斜坡穩定性評價中的應用［J］.巖土力學，2004，25（4）：628-632.

［9］ GB50086－2001錨桿噴射混凝土支護技術規范［S］.北京：中國計劃出版社，2001.

［10］ 曾祥勇，鄧安福.錨索與錨桿聯合錨固支護巖坡的有限元分析［J］.巖土力學，2007，28（4）：790-794.