不同拓寬模式下路塹邊坡開挖應力特性分析

王成軍，郝耀虎

（1.山西交通控股集團有限公司 晉城高速公路分公司，山西 晉城 048000；2.山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

山區高速公路進行改擴建勢必要對原有路塹邊坡進行二次開挖，開挖過程中會對現狀邊坡造成不同程度的擾動，破壞原穩定狀態下的應力應變關系，可能會造成邊坡的失穩破壞。因此，開展改擴建情況下邊坡的風險變形規律及其穩定性分析，尋求并優化合理的開挖施工方法及變形控制措施有著重要的理論和現實意義。

高文靜[1]等以云南小龍高速公路改擴建工程為依托，對不同開挖時序下典型巖質高邊坡的穩定性進行了分析，并依據相關結論進行了優化設計；閆強[2]等運用離心模型以及數值分析等方法開展了高速公路高邊坡改擴建開挖過程穩定性研究，分析了不同開挖支護時序對邊坡安全系數、應力、位移等的影響；劉運思等[3]通過數值模擬手段對不同邊坡施工工序進行了分析，得出的結論表明：邊坡開挖一級支護一級最有利于邊坡的施工穩定性。

在均質土邊坡或類均質土邊坡中，土體的失穩破壞主要模式為危險滑裂面處的應力突破土體自身抗剪強度，從而造成土體的剪切滑移。路基拓寬方式各有不同，施工工序的差異直接影響邊坡二次開挖過程中的穩定性。因此，開展不同開挖形式下坡體剪應力分布情況研究，對路塹邊坡改擴建的設計、施工具有一定的理論和實踐意義。

1 路塹邊坡拓寬模式

路塹邊坡在公路改建過程中的拓寬模式主要有以下兩類[4-6]：a）保持原有邊坡坡率不變或略微放緩坡率，根據新路基設計對原邊坡進行整體開挖。在開挖過程中需采取支護措施，以確保開挖穩定，其結構如圖1a所示；b）保持原邊坡上部坡率及位置不變，對邊坡下部進行開挖從而使得路幅變寬。這種開挖形式減少了對坡體的擾動面積，但是由于下部開挖導致邊坡變陡，需要根據實際情況，增加設置擋墻或錨固措施等，實現對邊坡的保護，其結構如圖1b、圖1c所示。

圖1 路塹邊坡拓寬模式示意圖

2 模型建立

本文采用midas軟件，對路塹邊坡二次開挖施工過程進行分析，探究不同拓寬形式下邊坡坡體最大剪應力特征。

邊坡自上而下土層依次為坡積亞黏土、殘積黏性土、砂土狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖、弱風化花崗巖。坡腳附近為殘積層與砂土狀強風化層分界處，基巖頂面距離邊坡刷方線較遠，各地層巖土物理和力學參數見表1。

表1 材料參數表

巖土體材料特性按均質彈塑性考慮，采用MC屈服準則。邊坡穩定性分析采用強度折減法。建立均質或似均質土坡模型如圖2所示，模型表面設置為自由邊界，左右兩側邊界限制其水平方向的位移，底部取固定邊界，約束其向兩側移動。

圖2 模型網格劃分

首先對模型進行初始地應力平衡，位移清零。然后進行開挖模擬，開挖過程由上而下逐級開挖，共挖7個臺階。具體工況見表2，其中等坡比開挖模擬各級坡率均為1∶0.75，單級坡高6 m，平臺寬度從上往下依次為：3 m、4 m、3 m、4 m、3 m、3 m，坡高42 m；工況2中，第1級～第3級邊坡采用比原坡比1∶0.75更陡坡率1∶0.5進行刷坡，到第4級邊坡進行局部削坡，與原坡體順接。原第5級到第7級坡體維持舊坡體結構不變，第1級坡體施作抗滑擋墻；工況3首先在第2級邊坡平臺施抗滑樁，而后開挖第2級坡體，再施作抗滑樁錨索，最后開挖第1級邊坡。采用比原坡比1∶0.75更陡坡率1∶0.5進行刷坡，到第4級邊坡進行局部削坡，與原坡體順接。采用該拓寬方式時，原第3級到第7級坡體維持舊坡體結構不變。

表2 計算工況表

3 數值模擬結果分析

為了揭示均質或似均質土坡開挖變形破壞機理，在總結均質或似均質土坡坡體結構與工程特點的基礎上，采用有限元軟件進行此類邊坡開挖數值模擬，系統研究分析其開挖變形特征與破壞規律。

3.1 等坡比開挖過程坡體最大剪應力

如圖3所示為分別開挖完7個臺階后，坡體最大剪應力分布圖。

圖3 應力分布

綜合相關計算成果，從剪應力變化過程分析如下：邊坡開挖前，最大剪應力沿深度方向呈線性分布，其等值線在縱向分布較為均勻；開挖前兩級時，由于坡體頂部荷載減小，坡體內應力場發生偏轉，剪應力向坡腳集中，但此時量值較小，邊坡整體未產生拉應力區；4～5級邊坡開挖時，坡腳剪應力集中程度進一步增強，且應力量值明顯增大；開挖4級坡時，坡頂一定范圍內發育有最小主應力負值區，坡頂存在受拉區。此外，開挖坡腳時也出現零星最小主應力負值區，坡腳同樣具有受拉特征。

綜上，邊坡開挖過程中，坡腳產生明顯的剪應力集中現象，且隨著不斷開挖沿坡腳逐步向上延伸發展，最終在坡體中產生似圓弧狀剪切和拉伸混合的條帶，即“剪拉帶”。

3.2 變坡比+弱支擋形式坡體最大剪應力

從原始斜坡直至本次拓寬，邊坡坡體最大剪應力分布隨施工過程變化如圖4、圖5所示。

圖4 變坡比+弱支擋坡體剪應力分布

圖5 擋墻應力分布云圖

最大剪應力極值位于邊坡右下角，幾乎不受邊坡拓寬施工影響。拓寬第1級邊坡及施作擋墻時最大剪應力值均發生在第1坡腳處；最小剪應力除運營邊坡出現在第1級下平臺處（路基頂面）外，其余工況均位于開挖坡表面，且位于坡體上部靠近坡頂部位。

從圖中可看出，水平方向內側墻腳承受最大壓應力，外側墻腳承受最大拉應力，且墻體約66%范圍承受-610～73 kPa應力。豎直方向內側墻腳承受最大拉應力，外側墻腳承受最大壓應力，且墻體約63%范圍承受-540～210 kPa應力。最大剪應力約1 300 kPa，出現在兩側墻腳部位。

3.3 坡腳開挖+強支擋形式坡體最大剪應力

邊坡坡體最大剪應力分布如圖6所示。

圖6 坡腳開挖+強支擋剪應力分布圖

從最大剪應力云圖分布可看出，在邊坡開挖以前，最大剪應力沿深度呈均勻分布；開挖2～1級，開挖坡腳出現明顯的剪應力集中現象，且量值較大；此外，開挖坡腳局部出現零星最小主應力負值區，體現坡腳局部區域的受拉特征，安全系數也隨之降低。支護完畢后安全系數提高至1.51，坡體處于安全狀態。

4 結論

通過對不同開挖形式下路塹邊坡施工過程進行非線性數值分析，得到邊坡整體的最大剪應力分布特征，研究表明：

a）邊坡開挖過程中，坡腳產生明顯的剪應力集中現象，且隨著不斷開挖沿坡腳逐步向上延伸發展，最終在坡體中產生似圓弧狀剪切和拉伸混合的條帶。

b）擋墻最大剪應力約1 300 kPa，出現在兩側墻腳部位。水平方向內側墻腳承受最大壓應力，外側墻腳承受最大拉應力；豎直方向內側墻腳承受最大拉應力，外側墻腳承受最大壓應力。

c）開挖過程中坡腳存在局部最小主應力負值區，即坡腳局部存在受拉特征。