高速公路高挖方邊坡失穩(wěn)機理分析

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查分析，運用FLAC3D模擬軟件進行計算，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)機理。研究結果表明：邊坡開挖使斜坡體失去原有支撐，加之持續(xù)強降雨，坡體上部全風化粉砂巖層自重增加，強度降低，最終導致了高挖方邊坡的失穩(wěn)。

關鍵詞：高速公路;挖方邊坡;FLAC3D;變形機理

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，為滿足路面技術指標，通常設計較多的高挖邊坡。由于公路路線較長，無法像水電、礦山一樣做細致勘察，因此無法完全掌握挖方邊坡的工程地質條件。隨著高速公路基礎建設的加快，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)將產生高額的治理費用，同時還威脅著人民生命財產安全[2]。針對這類問題，大量學者從多個方向進行分析研究，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可和推崇的數值模擬法[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果，探究納貢屯滑坡的成因機理，對高速公路高挖方邊坡的設計和治理提供科學參考依據。

1 研究區(qū)地質條件及滑坡基本特征

1.1 區(qū)域地質構造

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)域巖層產狀傾向南西，傾角15°～50°，場區(qū)巖層產狀為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《中國地震動參數區(qū)劃圖》（GB18306-2015）可知，工程區(qū)地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，相應的地震基本烈度為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 基本地質條件

研究區(qū)屬構造剝蝕-侵蝕低山丘陵地貌區(qū)，原丘頂標高382.40 m，隘洞河從滑坡區(qū)北側經過，距離滑坡區(qū)最近處約80 m，高差約40 m，河谷標高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。現(xiàn)狀地形坡度15°～75°，人工邊坡高度約30 m，路基設計標高約340 m。滑坡區(qū)上方零星分布有少量民居。研究區(qū)工程地質平面圖如圖1所示，工程地質剖面圖如圖2所示。

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

滑坡區(qū)地勢較高，北側隘洞河河床及河面標高均較低，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，屬施工工程中開挖邊坡失穩(wěn)。邊坡設計開挖高度最高約37 m，坡面采用拱形骨架護坡，其中強風化粉砂巖采用1∶1.00的坡率;全風化粉砂巖采用1∶1.25的坡率。

2016年6月，邊坡在開挖完成后發(fā)現(xiàn)一些細小裂縫;經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化與強風化層界面處;滑坡后緣縫寬約0.5～1.5 m，地面下沉約0.5～0.8 m。滑坡體水平位移最大處約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。左側以K49+540為界，右側以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。滑坡體變形特征如圖3所示。

2 邊坡穩(wěn)定性數值模擬

2.1 模型建立

運用FLAC3D有限元分析軟件對納貢屯邊坡開挖前后進行數值模擬計算，建立計算模型，X軸為滑坡滑向、Y軸指向坡體內側、Z軸垂直向上，模型上部自由邊界、側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，邊坡巖性風化程度隨之改變。根據鉆孔數據將邊坡模型分為三層，分別為全風化粉砂巖、強風化粉砂巖以及中風化粉砂巖。計算采用彈塑性模型及摩爾庫倫準則，巖土力學參數經實驗取得，如表1所示。

2.2 模擬計算

邊坡未開挖前，模型在自重應力下達到平衡，將初始位移、速度置零，然后輸入表1中的物理力學參數，計算出邊坡位移云圖。根據圖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，僅局限于全風化粉砂巖層，因此最上層取飽和態(tài)物理力學參數）。計算結果如圖6所示。

斜坡體在邊坡開挖后，坡體內部呈現(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)于全風化粉砂巖層，較下部強風化粉砂巖層，其位移量達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，全風化粉砂巖層產生了明顯的位移量，在滑坡體的后緣附近位移量達到了最大，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。

根據模型中各網格之間位移變化及與鄰近網格之間的聯(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，挖方邊坡在全風化粉砂巖層的變形特征較強風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。滑坡體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 結果分析

納貢屯滑坡是多種因素共同作用下產生的。斜坡體未開挖前處于天然平衡狀態(tài)，按設計標高進行開挖后，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，山體內部原有應力狀態(tài)發(fā)生了改變，平衡狀態(tài)遭到破壞，在斜坡坡腳和全風化與強風化接觸面附近產生了塑性區(qū)，坡腳卸荷，邊坡巖體應力釋放和大變形;加之持續(xù)強降雨，斜坡體上部全風化層處于飽水狀態(tài)，容重增加，風化層接觸面在水浸潤作用下，抗剪強度減小，巖土體沿全～強風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，產生牽引下滑，向前推動已失穩(wěn)的下滑坡體不斷向兩側發(fā)展，最終造成了納貢屯滑坡的發(fā)生。

3 結語

（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，邊坡巖體應力釋放。

（2）持續(xù)強降雨下，斜坡體上部全風化巖層自重急劇加強和自穩(wěn)能力下降，巖土體沿全～強風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，產生牽引下滑，向前推動已失穩(wěn)的下滑坡體不斷向兩側發(fā)展，影響場地安全。

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