典型路塹高邊坡開挖變形機制及應對措施研究

任東偉，李 波，曾亮亮，郭 斌，張 朔

(1.云南省交投公路建設第五工程有限公司，云南 昆明 650200；2.云南鎮清高速公路建設指揮部，云南 臨滄 677000；3.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

隨著我國西南區域高速公路網“五縱五橫一邊兩環二十聯”規劃布局的提出，西南區域的高速公路建設進入了飛速發展階段，但實際工程中，由于工程地質復雜、多山體、高海拔等因素的掣肘，許多路段需要通過開挖高陡路塹邊坡實現，而高陡路塹邊坡開挖變形及支護對邊坡整體穩定性有著至關重要的影響[1-6]。目前高陡路塹邊坡設計只是通過簡單的極限平衡方法對已成型的邊坡進行穩定性計算，且施工多憑經驗，往往忽視了在開挖過程中邊坡的變形破壞過程[7-9]，多數情況下都是發現問題解決問題，存在一定的危險性且影響工期，費時費力。因此，對于典型路塹邊坡開挖變形破壞機制的研究以及在施工過程中如何保證路塹高邊坡的穩定性是工程中亟需解決的技術難題[10-15]。

為了研究典型路塹高邊坡開挖變形破壞機制及應對措施，本文以鎮康至耿馬高速公路回龍寨服務區路塹深挖高邊坡為研究對象，采用大型商用軟件FLAC3D數值模擬等方法，研究開挖所造成的典型路塹高邊坡變形破壞過程，并通過施做加固措施研究其對高邊坡變形破壞的干預作用。

1 工程概況

1.1 工程簡介

鎮康(南傘)至耿馬(清水河)高速公路(簡稱鎮清高速公路)回龍寨服務區地處剝蝕溶蝕中山丘陵緩坡地貌，植被稀疏，地形較緩，植被茂盛，主要以甘蔗、灌木叢為主。上覆殘坡積黏土、粉質黏土。未見基巖出露，周邊未見崩塌、滑坡等不良地質現象。路塹深挖高邊坡位于鎮清高速K9+700.000—K9+992.931左側，挖方長度約136.58 m，中線最大挖深為52.07 m，形成邊坡最大高度約129.78 m。

K9+700.000左側深挖路塹邊坡為7級高邊坡，坡高約68 m，其中七級坡至五級坡的坡率為1∶1.00，四級坡和三級坡坡率為1∶0.75，二級坡和一級坡坡率為1∶0.50，從上至下依次開挖。K9+700.000左側深挖路塹邊坡防護橫斷面圖詳見圖1。

圖1 左側深挖路塹邊坡防護橫斷面圖

根據勘察設計資料確定各級邊坡土層的物理力學性質指標，詳見表1。

表1 各次級邊坡巖土力學參數表

1.2 工程現狀及潛在安全問題

K9+700.000左側第五級邊坡于2019年2月開挖，在第五級邊坡防護時，坡頂甘蔗地清理后，發現4條裂縫，裂縫寬度分別約為15 cm、10 cm、10 cm、5 cm，裂縫長度分別約為70 m、65 m、50 m、25 m。坡頂后方45 m處存在220 kV高壓輸電塔，若邊坡處理不當將威脅高壓鐵塔穩定性。坡頂構筑物及坡體現狀見圖2。

2 路塹高邊坡開挖變形破壞機制

2.1 計算模型及邊界條件

為探討開挖過程中路塹高邊坡變形破壞機制以

圖2 坡頂構筑物與坡體現狀

及應對措施的有效性，在開挖設計的基礎上建立三維有限差分計算模型，采用大型商業軟件FLAC3D仿真模擬高邊坡開挖以及錨索體加固。計算模型如圖3所示，模型邊界范圍為：模型坡腳至右邊界的距離為15.0 m，坡頂至左邊界的距離為46.0 m，模型高度為88.5 m，其中邊坡高度為68.0 m，坡底至模型底部的高度為20.5 m，模型寬度為4 m。模型采用六面體網格劃分，考慮模型計算效率及精度，保證最大網格尺寸為2.0 m，共計30 528個單元以及39 075個節點。本構模型選取理想彈塑性本構模型，屈服準則為摩爾-庫侖屈服準則。邊界條件為兩側施加法向約束，底部施加固定約束。邊坡材料參數詳見表1。

圖3 計算模型示意圖

2.2 實際開挖方案及開挖過程數值模擬

鎮清高速K9+700.000左側深挖路塹高邊坡從上到下依次采用臺階式放坡開挖，每10 m設置一臺階寬度為2 m的臺階平臺。其中第七級邊坡坡高約8 m，開挖后采用4束公稱直徑為15.2 mm的單根長25 m錨索框格梁防護。第六級坡坡高10 m，開挖后采用 4束15.2型單根長25 m錨索框格梁防護。第五級坡坡高10 m，開挖完成后進行邊坡防護時發現4條裂縫，發現問題后及時進行了停工和坡腳反壓措施，裂縫已采取注漿密封和薄膜覆蓋防水，且第六級第五級已加強，每條豎梁中間增加一根6束15.2型單根長42 m錨索。為更好的模擬實際開挖過程分析,邊坡開挖變形機制以及為后續開挖工作提供安全保障，本文首先在FLAC3D中定義本構關系，并賦予各層邊坡巖土體材料性質，經初始地應力平衡檢查模型的響應特征后通過移除相應坡層的單元體模擬實際邊坡開挖卸荷過程并進行求解，并在數值模擬中建立Cable單元模擬預應力錨索施加過程，根據實際情況對錨索自由段及錨固段賦予參數并施加預應力。

2.3 數值模擬開挖計算結果分析

2.3.1 塑性區分析

利用FLAC3D模擬邊坡開挖過程，根據對路塹高邊坡開挖過程中不同開挖步對應的塑性區變化情況分析，七級坡和六級坡在開挖過程中，塑性區以剪切塑性區為主，其范圍主要集中于坡腳及坡面位置并向坡面一定深度內延伸。六級坡開挖完成后，坡腳處臨空面出現一定范圍張拉破壞單元，考慮是坡體開挖卸荷后引起的土體回彈所造成。隨著邊坡開挖深度的加大，坡腳處巖體的支撐作用被逐漸弱化，剪切塑性區不斷發育并形成貫通區，二級坡開挖完成后，近坡面的淺層剪切塑性區與坡頂處的拉張塑性區已完全貫通，坡頂出現張拉塑性區，說明坡頂一定范圍內出現張拉作用。一級坡開挖完成后，剪切塑性區從二級邊坡坡腳處至坡頂處的張拉塑性區貫通，并貫穿坡體形成連通區域，形成貫通的滑裂面。一級坡在坡腳處剪切塑性區增加，邊坡將發生失穩破壞。

2.3.2 應力應變分析

圖4為開挖過程中不同開挖步對應的最大剪應變分布變化情況。從最大剪應變增量云圖可以看出，開挖卸荷導致每一級邊坡開挖后均在坡腳位置出現剪應變集中。根據云圖結果顯示，七級坡開挖完成后最大剪應變增量為7.545 2×10-4，主要集中在七級坡腳位置。六級坡開挖完成后最大剪應變增量為1.153 9×10-3，主要集中在六、七級坡腳并向六級坡腳下部延伸。從五級坡開挖開始，剪應變集中區域逐漸擴大，并逐漸向坡體上部延伸形成剪切面，最大剪應變增量為1.267 3×10-3。第一級坡開挖完成后，出現4個潛在剪切滑動面，最大剪應變增量為6.701 8×10-3。剪入口位于在坡頂后方13 m～26 m處，剪出口分別位于五級坡、四級坡、三級坡、二級坡坡腳處，滑裂面深度在6 m～20 m范圍內。剪切滑動面的發育過程表現為首先從各次級邊坡坡腳處產生剪切變形，隨著開挖深度的加大，剪切變形逐漸向坡頂以及坡體內延伸擴展，在下部開挖卸荷完成后，各次級坡剪切變形形成連通區域，并貫穿坡體。

2.3.3 變形分析

通過數值模擬邊坡開挖位移場變化可以直觀了解開挖過程中邊坡的變形過程。圖5為開挖過程中不同開挖步對應的最大水平位移變化情況。

從最大水平位移云圖可以看出，在開挖各級邊坡時，坡腳處的水平位移相較于坡體其他位置來說位移最大。根據云圖結果顯示，七級坡開挖完成后最大水平位移為0.46 mm，最大水平位移主要集中在七級坡坡腳處。六級坡開挖完成后最大水平位移為0.75 mm，最大水平位移主要集中在六級坡腳以及坡體內部。五級坡開挖完成后最大水平位移為2.27 mm，最大水平位移集中在五級坡腳處。四級坡開挖完成后最大水平位移為3.52 mm，最大水平位移集中在五級坡坡面附近。三級坡開挖完成后最大水平位移為4.48 mm，最大水平位移集中在四級坡及五級坡位置。在開挖完成后，水平位移主要集中在近坡面區域，且和內部區域有明顯的分界面，其分界面同塑性區和應變集中區一致。最大水平位移區域主要集中在四級坡和五級坡，最大水平位移為36.53 mm。隨著開挖深度的增大，邊坡最大水平位移從0.46 mm增加至36.50 mm。

圖4 最大剪應變增量云圖揭示的邊坡變形破壞機制

圖5 水平位移云圖揭示的邊坡變形破壞機制

3 邊坡加固建議

為避免直接開挖導致路塹高邊坡失穩破壞，本文根據上述高陡邊坡開挖變形破壞機制分析，在原設計加固方案的基礎上進行優化設計。采用框格梁+預應力錨索的支護方法可以有效控制邊坡變形并提高邊坡穩定性。

結合工程實際，選擇采用4種不同類型的錨索，分別編號為L1、L2、L3、L4，其中L1為10束15.2型單根長35 m錨索，L2為10束15.2型單根長42 m錨索，L3為4束15.2型單根長25 m錨索，L4為6束15.2型單根長25 m錨索。錨索入射角θ=20°，格梁規格50 cm×50 cm，錨索水平及豎向間距均為3.0 m。錨索參數見表2，計算模型見圖6。

為探討加固措施優化的有效性，經商用軟件計算分別對加固前和加固后的塑性區、應力應變以及邊坡變形的情況進行對比分析。

在塑性區方面，圖7為坡體全部開挖完成后未施加錨索和施加錨索的塑性區對比圖，從圖7中可以看出，施加預應力錨索框格梁可以有效減少開挖對坡體內部的擾動，剪切塑性區范圍大幅減小，僅在近坡面附近一定深度內產生塑性變形區。

表2 錨索參數設置一覽表

圖6 預應力錨索格梁邊坡加固模型

圖7 開挖后塑性區云圖對比

在應力應變方面，圖8為坡體全部開挖完成后未施加加固措施和施加加固措施的最大剪應變增量對比圖，邊坡加固后的最大剪應變增量由6.7×103降低至1.5×103，滑裂面的深度以及范圍有所縮小，并逐漸向近坡面靠近，對坡體內部的擾動也有所降低，其剪入口位于坡體后方11 m～17 m處，剪出口位于五級坡和四級坡坡腳處。

圖8 開挖后最大剪應變增量云圖對比

在坡體變形方面，圖9為坡體全部開挖完成后未施加加固措施和施加加固措施的水平位移對比圖，從圖9中可以看出，施加預應力錨索框格梁可以有效的控制坡體的水平位移，未加固時最大水平位移為36.5 mm，加固后最大水平位移為7.8 mm，開挖完成后的最大水平位移減少了78.6%，有效的控制了坡體的整體位移，增強了坡體的整體穩定性，降低了邊坡發生整體破壞的風險。

圖9 開挖后水平位移云圖對比

4 結 論

本文通過結合鎮清高速回龍寨服務區路塹高邊坡工程，研究典型路塹高邊坡開挖變形破壞機制，并通過提出加固方案對比分析，主要得出以下結論：

(1) 高陡路塹邊坡的失穩與坡體開挖卸荷有密切的聯系，開挖卸荷會導致坡體一定范圍內塑性區、應力場、位移場的重新分布，滑裂面形成以及坡體破壞是一個發育過程并非一蹴而就。

(2) 隨著開挖深度的逐漸增加，各級坡面剪切塑性區不斷發育并形成貫通區。各次級邊坡坡腳處產生剪切變形，剪切變形逐漸向坡頂以及坡體內延伸擴展并逐漸連通，形成貫通的滑裂面。隨著坡體被不斷刷方卸荷，水平位移逐漸增大，坡體逐漸失穩破壞。

(3) 通過采用預應力錨索框格梁的加固措施方式可以有效的減小剪切塑性區范圍并阻斷各次級邊坡剪切-張拉塑性區貫通的趨勢。