抗滑鍵加固渝黔高速公路順層巖質邊坡模擬研究

劉 中 帥

(1.蘭州交通大學 交通運輸學院，甘肅 蘭州 730070；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶400067)

抗滑鍵加固渝黔高速公路順層巖質邊坡模擬研究

劉 中 帥1,2

(1.蘭州交通大學 交通運輸學院，甘肅 蘭州 730070；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶400067)

基于渝黔高速公路順層巖質邊坡垮塌事件，采用FLAC-3D模擬軟件建立了順層巖質邊坡抗滑鍵加固前后的模擬模型，設立3個監控點采集了順層巖質邊坡抗滑鍵加固前后的位移、剪應力等參數。模擬結果與現場監測數據對比發現，邊坡加固前處于非穩定狀態，屬于牽引式破壞模式，并具有突發性。邊坡采用抗滑鍵加固后位移等值線圖顯示得出，沿結構面變形轉為邊坡沿臨空面的圓弧型變形，結構面上的剪應力集中現象明顯消失。加固后的監測位移和模擬位移對比得出，邊坡變形量較小，處于穩定狀態，抗滑鍵加固措施具有較好的支擋效果。

道路工程；抗滑鍵；數值模擬；順層巖質邊坡

0 引 言

順層巖質邊坡是指巖層傾向、巖層傾角與坡面傾角接近或一致的巖質邊坡。工程開挖引起高速公路順層巖質邊坡變形破壞在西南地區十分常見，并對公路施工和運行造成嚴重影響。目前，對于整治順層巖質邊坡的工程技術措施較多，如抗滑樁、錨桿、預應力錨索、擋土墻等，但采用抗滑鍵治理順層巖質邊坡較為少見，其結構計算方法以及施工完成后的邊坡穩定性評價方法尚未成熟。因此，研究抗滑鍵結構加固順層巖質邊坡對山區公路施工和營運具有迫切意義。

目前，關于順層巖質邊坡的治理措施研究較為廣泛，如王發玲等[1]運用彈性力學和結構力學對全場黏結型錨桿加固順層巖質邊坡的機制進行了研究，提出了新的錨桿加固順層巖質邊坡的力學模型；劉煥存等[2]針對增北路順層巖質滑坡，提出了格構錨拉擋墻和混凝土立柱擋墻聯合支護方法，取得了較好地經濟效益；代云山[3]介紹了樁墻復合結構治理順層巖質邊坡的方法，驗證得出其具有安全性和適用性；李安洪等[4]總結提出了順層巖質邊坡路塹邊坡的分類及8種破壞模式，并給出了治理順層巖質邊坡的加固措施；王秒等[5]認為以應力強度因子作為巖體的壓剪破壞判據解釋順層巖質邊坡預應力錨索的抗震加固機制，能較好地解釋汶川地震邊坡破壞特點；龔文惠等[6]采用有限元方法對滬蓉西高速公路深切順層巖質邊坡進行了模擬分析，得出抗滑樁支護結構可有效抑制順層邊坡的變形和滑動；彭正華等[7]提出了層狀巖體高切坡的4種主要破壞模式，并提出了相應的防護措施，對三峽庫區高切坡的工程防護具有一定的指導作用；徐衛亞等[8]通過滑石板順層巖質邊坡后緣裂縫貫通和巖體力學參數問題的探討，提出了3種加固方案；洪文忠等[9]以貴州省某高速公路順層邊坡為例，采用離散元軟件模擬開挖后邊坡在未支護條件下的穩定性和變形特征，并提出了綜合防治建議；陶連金等[10]針對某大型高速公路順層滑坡，模擬了錨樁加固下邊坡穩定性狀況；汪勇等[11]基于有限元軟件MIDAS/GTS模擬分析了錨桿加固順層巖質邊坡前后位移、塑性破壞區以及安全系數的變化；柳治國等[12]將錨索與抗滑樁應用于順層巖質邊坡治理中，取得了較好的治理效果。而關于抗滑鍵在順層巖質邊坡中的應用報道較少，如何思明等[13]系統地研究了帶抗滑鍵擋土墻的設計理論，給出了帶抗滑鍵擋土墻設計的新方法；熊治文[14]探討了深埋式抗滑樁樁身受力分布規律、深埋樁承擔的滑坡推力與樁頂埋深之間的關系及其適用條件；辛建平等[15]將強度折減法與有限差分程序相結合，提出了基于彈塑性模型的微型抗滑樁破壞機制。抗滑鍵結構計算方法以及加固后的穩定性評價方法尚處于發展階段，諸多問題仍需要進行深入探討。

筆者基于渝黔高速公路順層巖質邊坡垮塌事件，采用有限差分軟件FLAC-3D模擬了順層巖質邊坡采用抗滑鍵加固前后的變形規律，結合現場監測數據進而評價抗滑鍵支擋順層巖質邊坡的治理效果，研究成果對于抗滑鍵結構的邊坡治理評價和工程應用推廣具有指導意義。

1 渝黔高速公路順層巖質邊坡工程概況

1.1 地理位置與環境

渝黔高速公路位于重慶市及貴州湛江，全長134 km，項目總投資58.7億元。渝黔高速道路寬24.5 m，雙向四車道。渝黔路RK 1 058+600段多為路塹邊坡，高約15～40 m。邊坡采用1∶0.5放坡處理，坡腳采用格架護坡處理。2014年4月28日，坡體中部產生少量垮塌，4月29日邊坡繼續產生大量垮塌，邊坡不穩定巖塊全部垮塌，最大塊體4 m×4.5 m×4.5 m，總垮塌約3 000 m3，導致渝黔高速雙向封閉，邊坡塌垮長度75 m。若邊坡繼續垮塌將危及道路施工周期，造成嚴重的經濟損失。

1.2 工程地質條件

1.2.1 氣象與水文

順層巖質邊坡工程區域屬亞熱帶濕潤季風氣候區，雨量充沛。常年平均氣溫17.5～18.5 ℃，最冷月(一月)平均氣溫6.5 ℃，極端最高氣溫42.9 ℃(2006年8月16日)，極端最低氣溫-3.1 ℃(1992年2月16日)。常年平均降雨量1 378.3 mm，最大年平均降雨量達1 532.3 mm(1998年)，降雨多集中在5～9 月，占全年降雨量的69%，最大日降雨量266.6 mm(2007年7月17日)。邊坡工程場地除北側農田中有少量積水外，無其它地表水體。

1.2.2 地形、地貌

邊坡坡角約為63°，坡高在雷神店大橋橋頭處40 m左右，向重慶方向坡高逐漸降低至12 m左右。邊坡坡頂平緩上升，坡頂上自然邊坡坡角在5°～10°之間。

1.2.3 地質構造

地質構造上屬于東溪背斜北東翼。區域巖層產狀50°∠27°，單斜產出。但在垮塌部位為砂泥巖接觸帶，泥巖層面產狀傾向北偏，傾角變陡，具體產狀：62°∠40°。砂巖裂隙主要發育有3組：②裂隙L1：產狀185°∠65°；②裂隙L2：產狀210°∠65°；④裂隙L3：產狀62°∠20°，其貫通性好，無充填，裂面平整，切穿整個上部砂巖層，間距2～10 m。另外坡頂發育有2組陡傾卸荷裂隙，卸荷裂隙L4：產狀160°∠80°；卸荷裂隙L5：產狀90°∠86°。延伸長15～25 m不等。其貫通性好，無充填，裂面平整，切穿整個上部砂巖層，間距2～5 m。現狀發育卸荷帶寬度在15～25 m。

1.2.4 地層巖性

邊坡場地內多被第四系全新統土層覆蓋，陡坎部位可見基巖出露，下伏基巖為侏羅系中統沙溪廟組(J2s)的泥巖及砂巖。

成分主要由砂巖碎塊石組成，塊石粒徑30～450 cm，含量80%～90%，道路左側崩積體堆積區，結構松散，厚度為1.50 m～9.50 m。

粉質黏土：在坡頂大面積分布于沖溝和農田之中，呈黃褐色和褐色，呈可塑狀。

3)侏羅系中統沙溪廟組(J2s)基巖

據地表調查及鉆探揭露，場地基巖為泥巖及砂巖。

泥巖：紫紅色。暗紫紅色，泥質結構，中厚層狀構造，局部含砂質團塊和薄層砂質條帶。鉆孔揭露單層厚度為4.50 m(ZK9)～19.40 m(ZK4，未揭穿)，為場地主要巖層。

砂巖：灰色、灰白色和局部紫灰色，細粒-中粒結構，中厚層狀構造。主要礦物成分主要為石英、長石、云母等，泥質、鈣質膠結。

1.3 邊坡變形破壞情況

2014年4月28日，邊坡中部砂巖受節理裂隙切割后，沿泥巖面發生崩滑失穩，垮塌方量約為1 000 m3，垮塌體為大塊狀砂巖，最大塊體體積>60 m3，失穩后邊坡中部砂巖塊體產生厚度8 m左右的臨空面，如圖1。邊坡坡面順節理裂隙面出現斜向重慶方向卸荷裂隙，與砂巖層面和節理裂隙共同組合切割下，致使邊坡中部砂巖形成隔離體，隨時可能滑動失穩。

圖1 邊坡全景(2014年4月28日)Fig.1 Full view of slope(on April 28,2014)

2014年4月29日凌晨2點左右，邊坡中部砂巖塊體順泥巖接觸面進一步崩滑失穩，垮塌方量約為2 000 m3，如圖2。同時在坡頂發現卸荷裂隙分布，坡面堆積數塊垮塌塊體，在邊坡上部形成危巖塊體，存在進一步失穩的可能。

圖2 邊坡崩塌體(2014年4月29日)Fig.2 Collapsed rock mass of slope(on April 29,2014)

2014年4月30日，為保證通車時過往行人和車輛的安全，保障施工過程中人員和設備安全，開展對危巖體的爆破清除工作，清除方量約為300 m3。在坡頂爆破過程中發現貫穿深度約為4 m的卸荷裂隙，卸荷裂隙尚未貫穿至泥巖接觸面。爆破部分危巖體后，改善了上部危巖對施工安全的隱患。

邊坡崩滑后在坡面上形成了砂巖危巖體，處于欠穩定狀態，一旦后緣卸荷裂隙貫通，在大氣降雨的不斷影響下，崩滑面強度值將不斷降低。如不及時治理，將危巖體進一步被切割分離，并在崩滑面發生剪切破壞，形成二次崩滑失穩災害，對道路運行安全威脅極大。且一旦失穩，將導致渝黔高速公路時間持續斷路，將給渝黔兩地的經濟和社會發展帶來極大干擾。因此，為保障道路通行安全，保障社會安定、經濟發展，失穩災害永久性治理工程仍然是非常緊迫和必要的。

1.4 支擋措施

渝黔高速公路順層巖質邊坡工程經方案比選，在順層邊坡坡腳打設圓柱形抗滑鍵，如圖3。抗滑鍵可提供較強的抗力，防止邊坡進一步垮塌。抗滑鍵截面直徑為1 m，抗滑鍵長6 m，埋深2 m，抗滑鍵的施工完成后，可在一定程度上改善砂巖危巖體的穩定性。但抗滑鍵的結構計算方法尚未成熟，并且應用尚未普及，需結合監控措施，可臨時性保障治理工程施工過程中的安全和道路通行安全。

圖3 渝黔高速公路順層巖質邊坡工程地質剖面及抗滑鍵結構Fig.3 Engineering geologic section and anti-slide structure of bedding rock slope in Yuqian Expressway

1.5 順層巖質邊坡監測情況

為了實時觀測邊坡變形情況和抗滑鍵施工完成后邊坡穩定情況，項目進行了“應急搶險階段監測”和“施工完成后監測”。“應急搶險監測階段”主要開展對失穩邊坡的監測，獲取邊坡的實時狀態數據，在出現數據異常時及時報警，同時保證搶險施工人員的安全和下方高速公路運營的安全。“施工完成后監測”主要針對抗滑鍵施工完成后觀測邊坡變形情況，保證施工質量，防治邊坡發生新的破壞。

兩個階段監測采用了遠程“云眼”監測系統，共在邊坡表面設立了3個監測點，如圖4。分別為監測點①、監測點②、監測點③，分別對應云眼101-1、云眼101-2和云眼101-3。監測系統可定期獲取砂巖前緣表面變形數據，以便進行施工前穩定性判別和施工完成后的加固效果。

圖4 渝黔高速公路順層巖質邊坡工程監測點布置Fig.4 Engineering monitoring points arrangement diagram of bedding rock slope in Yuqian Expressway

2 模型建立

為了研究施工前渝黔高速公路順層巖質邊坡變形破壞規律以及施工完成后抗滑鍵支擋效果，采用FLAC-3D模擬軟件分別對施工前后進行了模擬模型建立，模型尺寸如圖5。模型主要有上部的砂巖地層、下部泥巖地層以及結構面組成。采用CAD作圖，導入ANSYS軟件，再轉接入FLAC-3D的方式。對施工前邊坡模型和抗滑鍵加固邊坡模型劃分網格，分別如圖6、圖7。

圖5 模型尺寸(單位：m)Fig.5 Model dimension figure

圖6 加固前順層巖質邊坡網格劃分Fig.6 Mesh generation of bedding rock slope before being reinforced

圖7 順層巖質邊坡抗滑鍵加固網格劃分Fig.7 Mesh generation of bedding rock slope after reinforced by anti-slide pile

模擬采用的本構模型為Mohr-Coulomb模型。圖6和圖7的中的砂巖、泥巖以及結構面力學參數見表1。為了便于對比分析，模型運算時對圖4中的3個監控點位移進行采集記錄。

表1 模型中砂巖、泥巖以及結構面力學參數

3 模擬結果對比分析

3.1 加固前邊坡變形規律

圖8、圖9和圖10分別是順層巖質邊坡加固前監控點①、監控點②和監控點③的監測位移與模擬位移曲線。從邊坡監測數據中可以發現，監控點①、監控點②、監控點③的監測位移均表現出在短時間內急劇增大，經歷一個緩慢增長階段，然后再迅速加大，最終快速趨于一穩定值。監控點①的位移穩定值為1.15 cm，監控點②的位移穩定值為1.22 cm，監控點③的位移穩定值為2.69 cm。監控點1位于邊坡坡腳砂巖地層與泥巖地層接觸的結構面終點，受砂巖和泥巖的約束作用，位移值小于位移臨空面監控點②的位移值，同時監控點②的位移值亦小于監控點③的位移值。

從圖8的模擬位移曲線得知，模擬邊坡位移變化曲線與監測數據基本吻合，短時間內急劇增大，后期加速增大，后趨于一穩定值。唯一不相同的是監控點①、監控點②監測位移曲線經歷一個緩慢增長過程，而監控點①、監控點②模擬位移曲線經歷一個降低再顯著增加的過程。這是由于砂巖和泥巖的結構面主要產生剪切位移，當位移達到一定值后，由于FLAC-3D變形網格的連續性阻礙了結構面的變形進程，導致結構面前緣發生向下的位移，進而帶動監控點②的變形位移。當網格變形受力較大時，改變了網格原有的形態，位移再極速增大，呈現出后續急劇增大的現象。而對于圖8(c)的監控點③的監測位移和模擬位移，曲線是基本相似的。

圖8 加固前邊坡各監控點監測位移與模擬位移曲線Fig.8 Monitoring displacement and simulation displacement of monitoring point before and after slope was reinforced

對于3個監控點的監測位移和模擬位移，最大位移值相差不大，監控點最小位移為1.15 cm，最大位移達2.69 cm。雖然3個監控點的位移值與最大位移穩定，但不代表邊坡趨于穩定，因為FLAC-3D無法產生破壞的網格，因此，對于堅硬的巖質邊坡，2.69 cm的位移足以使邊坡產生垮塌。同時，在現場監控過程中也發生了順層巖質邊坡垮塌的現象，渝黔高速公路順層巖質邊坡處于非穩定狀態，急需加以支擋治理。

從監測位移和模擬位移可以發現，位移曲線在短時間內急劇增大，經歷一個緩慢增長階段，然后再迅速加大，最終快速趨于一個穩定值的現象較為顯著。從中可知，順層巖質邊坡在降雨及下部臨空的條件下發生急劇變形，受后部巖體的抗拉強度作用產生緩慢增長現象。當邊坡抗拉強度無法承受巖體變形帶來的強度時發生突發性破壞。因此，可得出此邊坡屬于牽引式順層巖質邊坡，破壞具有突發性。

3.2 抗滑鍵加固后邊坡治理效果評價

3.2.1 加固前后邊坡位移等值線圖對比分析

圖9為邊坡加固前位移等值線圖。從中可以發現，坡體變形整體向坡下，變形在坡腳區域較為集中，并沿結構面產生顯著位移。如圖10，邊坡采用抗滑鍵加固后，邊坡位移等值線圖發生明顯地向上偏轉。在坡腳加固的抗滑鍵，阻擋了邊坡的進一步滑移變形，順層邊坡僅能在臨空面方向發生變形。因此，在圖10中可以發現順層邊坡圓弧型位移等值線圖，而沒有圖9中的結構面處的剪切位移變形。因此，抗滑鍵有效地遏制了順層邊坡沿結構面的剪切位移，支擋了順層邊坡，防止邊坡進一步滑移變形。

圖9 加固前邊坡位移等值線Fig.9 Displacement contour map before the slope was reinforced

圖10 加固后邊坡位移等值線Fig.10 Displacement contour map after the slope was reinforced

3.2.2 加固前后邊坡剪應力等值線圖對比分析

圖11 加固前邊坡剪應力等值線Fig.11 Shear stress contour map before the slope was reinforced

圖11和圖12分別為邊坡加固前后的剪應力等值線圖。圖11和圖12顯示：加固前邊坡沿結構面產生較大的位移，在結構面處產生應力集中效應，尤其在坡腳尖端和前緣結構面處較為顯著。而加固后的邊坡剪應力等值線圖卻無顯著的剪應力集中現象，表明抗滑鍵的加固起到了作用。

圖12 加固后邊坡剪應力等值線Fig.12 Shear stress contour map after the slope was reinforced

3.2.3 加固后邊坡變形規律

為了檢驗抗滑鍵施工效果，將3個監控點的監測位移和模擬位移進行對比分析。發現，如圖13～圖15，監測位移與模擬位移基本相似，模擬效果較好，3個監控點位移曲線均表現出緩慢增長趨于穩定的趨勢，其坡腳監控點①和監控點②位移值均較小，最大位移值為監控點③的3.5 mm，滿足工程需求，抗滑鍵結構能較好地支擋順層巖質邊坡。

圖13 加固后邊坡監控點①監測位移與模擬位移曲線Fig.13 Monitoring displacement and simulation displacement of monitoring point ① after slope was reinforced

圖14 加固后邊坡監控點②監測位移與模擬位移曲線Fig.14 Monitoring displacement and simulation displacement of monitoring point ② after slope was reinforced

4 結 論

1)建立了渝黔高速公路順層巖質邊坡抗滑鍵加固前后的FLAC-3D模型，設立3個監控點采集了順層巖質邊坡抗滑鍵加固前后的位移、剪應力等參數，與現場監測數據對比發現，邊坡加固前最大位移達到2.69 cm，處于非穩定狀態，得出邊坡屬于牽引式破壞模式，并具有突發性。

2)邊坡采用抗滑鍵加固后位移等值線圖由沿結構面變形轉為邊坡沿臨空面的圓弧型變形。結構面上的應力集中明顯消失。加固后的監測位移和模擬位移對比得出邊坡變形量較小，處于穩定狀態，抗滑鍵加固措施具有較好的支擋效果。

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(責任編輯 朱漢容)

Simulation Study on Bedding Rock Slope Reinforced by Anti-Slide Pile in Yuqian Expressway

LIU Zhongshuai1,2

(1.School of Traffic and Transportation, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070，Gansu, P.R. China; 2.China Merchants Chongqing Communications Technology Research & Design Institute Co., Ltd, Chongqing 400067, P.R.China)

Based on the event of bedding rock slope collapse occurred in Yuqian Expressway ,a simulation model simulating bedding rock slope before and after being reinforced was established by simulation software FLAC-3D and parameters such as deformation and shear stress were collected from three monitoring points established. After the simulation results and site monitored data were compared, it was found that the side slope was in unstabilized condition before being reinforced and belonged to pull-type failure model and was of nature of sudden failure.After the anti-pile was applied for reinforcement the displacement contour diagram showed that the deformation along structure surface turned into arc deformation along free face of the slope, and shear stress concentration phenomenon in structure surface disappeared obviously. By comparing the monitored displacement after the reinforcement with simulated displacement it is obtained that the slope deformation is less and is in stabilized state, which proves the sound supporting effect of the anti-slide pile measure taken up.

highway ehgineering; antii-slide pile; numerical simulation; bedding rock slope

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.09

2015-11-16；

2016-04-13

國家科技支撐計劃項目(2015BAK09B00)；重慶市青年科技人才培養計劃項目(cstc2014kjrci-qnrc30004)

劉中帥(1985—)，男，河北邢臺人，工程師，碩士，主要從事公路高邊坡設計與咨詢方面的工作。E-mail：liuzhongshuai@cmhk.com。

TU411.3

A

1674-0696(2017)02- 049- 06