開挖與降雨作用下公路邊坡的穩定性分析*

吳加紅，趙強，李斯濤，秦輝

(1.云南省交通發展投資有限責任公司，云南 昆明 650000；2.云南勐綠高速公路投資開發有限公司，云南 普洱 665000；3.云南玉臨高速公路建設有限責任公司，云南 臨滄 677000；4.中國科學院 武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071；5.中國科學院大學，北京 100000)

云南省的地質構造破碎，地質條件多變，工程特性復雜多變，環境影響因素惡劣，在穩定性尚未確認的情況下進行邊坡設計及施工存在巨大安全隱患。近年來，眾多學者針對開挖與降雨條件對公路邊坡失穩的誘發機理進行了深入研究，如任永勝、熊勇林等分析了降雨對公路邊坡穩定性的影響；張理平、劉新喜等對邊坡開挖過程中位移場、塑性區及安全系數的變化進行分析，對失穩臨界開挖狀態進行了判斷?，F有研究大多只針對一種作用因素進行分析。云南省路塹邊坡施工與運營中地質災害調查結果表明，單因素分析所得結果對工程指導意義較弱。基于此，該文依托某高速公路沿線典型邊坡，結合氣象資料及設計開挖方案，采用GeoStudio軟件模擬邊坡的分級開挖與降雨過程，分析邊坡潛在變形破壞模式，為工程施工及加固方案設計提供理論依據。

1 工程概況

某高速公路位于熱帶雨林地區，區域內氣候濕潤，巖體風化作用強烈，全～強風化巖體廣泛分布，巖體性質介于巖石和土之間，多含有泥質成分。該區域屬于季節性較強的熱帶季風氣候，降雨量季節差異明顯，降雨量大且降雨集中，降雨量年變化為典型的單峰型曲線，雨季各月平均降雨量均超過100 mm。

選取某典型公路路基邊坡，根據現場實地鉆孔資料，該邊坡為一基巖滑坡，如圖1所示，巖性從上到下主要為：第四系坡殘積粉質黏土，褐紅色、褐紫色，硬塑～可塑狀態，局部為軟塑，含10%～30%碎石；古新統勐野井組粉砂質泥巖，褐紅色，強風化，部分為全風化，主要由黏土礦物組成，泥質結構，中厚層狀構造，巖芯呈碎石狀、碎塊狀，地下水位淹沒區域風化強烈，巖芯呈軟塑黏土狀；古新統勐野井組粉砂質泥巖，褐紅色，中風化，主要由黏土礦物組成，泥質結構，中厚層狀構造，巖質軟，巖體較完整，巖芯呈柱狀，局部為碎塊狀。

圖1 K100+252處開挖后邊坡斷面圖(單位：m)

2 分析模型與方法

2.1 分析模型

利用現場地質調查與鉆孔資料，結合典型地質斷面圖，建立數值模擬的地質概化模型(見圖2)。根據邊坡設計資料，開挖邊坡長80 m，高45.9 m，分6級臺階開挖，1～4級邊坡坡度為1∶1，5～6級坡度為1∶1.5。結合室內外試驗與類似工程經驗確定各巖土層物理力學參數(見表1)，均采用摩爾-庫倫模型。數值模擬分析過程采用先開挖后降雨模式，開挖過程與設計一致，設降雨強度為30 mm/d、降雨時長為10 d。

表1 巖土材料參數

圖2 邊坡幾何概化模型

2.2 分析方法

采用GeoStudio軟件中Sigma及Seep/w模塊進行非完全流固耦合計算，對坡體內部滲流場、應力場及位移場變化進行分析，并基于滑面應力法求解安全系數，對開挖與降雨作用下邊坡安全穩定性進行分析。其中非完全流固耦合計算中先計算滲流場作用，再將孔隙水壓力帶入應力場計算模型中，兩場分別計算再互相調配從而達到耦合目的。非完全流固耦合計算在準確度、計算速度和控制度上優于直接(完全)耦合法，更有助于得到正確的水力邊界條件、合適的時間序列及進行后期體積變形分析。

3 開挖作用下邊坡穩定性分析

3.1 應力特征分析

在開挖面設置監測點(見圖3)，分析開挖過程中坡體內部應力變化。圖4為各監測點開挖水平應力相對變化率與開挖區距離的關系，其中水平向應力相對變化率、監測點與開挖區域的距離分別按式(1)、(式2)計算。

圖3 變形應力變形監測點位置

圖4 監測點應力變化曲線

(1)

(2)

式中:σxi為第i次開挖時監測點水平向應力；H0為開挖處高程，監測點位置高于開挖區域時H0取每步開挖高程上限，低于開挖區域時取開挖高程下限；Hs為監測點高程；H為開挖總高度；He為逐次開挖高程。

如圖4所示，根據水平向應力相對變化率變化趨勢可將開挖影響范圍劃分為3個區域：Ⅰ為穩定階段，監測點與開挖區域的距離小于-15%，此時水平向應力相對變化率小于5%，受開挖作用影響較??；Ⅱ為擾動階段，監測點與開挖區域的距離為-15%～20%，此時應力狀態主要受開挖作用控制，變化率先上升后下降，應力出現峰值；Ⅲ為恢復階段，監測點與開挖區域的距離大于20%，坡體內部各點應力開始恢復，受開挖影響較小，且隨距離的增加應力趨于穩定。

取坡頂A點和坡腳B點為監測對象，分析邊坡分級開挖過程中邊坡水平向位移的變化特征(設水平向右為正)，結果見圖5。由圖5可知：坡腳處受坡體內部應力重調整及擠壓作用，變形方向指向坡體內部；坡頂處由于側向卸荷而發生背離坡面的水平位移，說明隨開挖深度的增加，坡體破壞，易發生坡體后緣開裂。

圖5 開挖過程中邊坡特征點的水平向位移

3.2 安全系數演化規律

開挖過程中坡體安全系數的變化見圖6。由圖6可知：該邊坡天然狀態下安全系數為1.254，分級開挖過程中安全系數持續下降，開挖完成后安全系數為1.131。

圖6 分級開挖過程中邊坡的安全系數

圖7為開挖過程中邊坡潛在危險滑移面與塑性區的分布。由圖7可知：開挖初期，滑移面位于開挖區域下側并逐漸向坡體深部拓展，隨開挖卸荷作用，安全系數降低幅度偏?。粡牡?次開挖開始，滑移面位置受到開挖過程控制，逐漸向開挖坡面附近縮小，在卸荷作用下坡腳處發生應力集中，出現塑性屈服區，安全系數迅速降低。

圖7 開挖過程中邊坡潛在最危險滑移面與塑性區分布

4 降雨作用下邊坡穩定性分析

降雨使地表附近巖土體由非飽和迅速變為飽和，有效應力急劇減低，結合非飽和土強度理論，其抗剪強度隨之降低，同時土體容重增大導致材料更易進入屈服狀態。圖8為降雨后邊坡塑性區分布。由圖8可知：開挖后降雨塑性區主要集中于一級邊坡坡腳及軟化泥質粉砂巖中部；由于開挖改變了坡表地形，縮短了雨水滲流路徑，雨水入滲迅速，雨水更快運移至地下水位，故其塑性區主要集中于滑體中下部。

圖8 降雨過程中邊坡塑性區分布

降雨過程中邊坡潛在滑動面與安全系數見圖9。由圖9可知：與開挖完成時相比，降雨后潛在滑動面向深處擴散，并在粉質黏土及強風化粉質泥砂巖區域有所延伸；降雨過程中，邊坡地下水位上升且滑體內部出現暫態飽和區，巖土體在地下水加載、強度軟化和水力作用下，物理力學性質變差，安全系數由1.13降低至1.09，且降雨后期安全系數降低速度高于前期。

圖9 降雨過程中邊坡潛在滑動面與安全系數

5 考慮裂縫的邊坡穩定性分析

根據現場勘察，開挖過程中邊坡后緣產生張拉裂縫。對4和2 m裂縫邊坡在降雨作用下的穩定性進行對比分析。設定裂縫邊界條件時，考慮到強降雨條件下裂縫與地表接觸地區基本處于飽和狀態，在接觸點處設置孔壓為零以模擬極限降雨狀態。圖10為2種工況下不同降雨時間邊坡孔隙水壓力分布。由圖10可知：在降雨初期，邊坡孔壓分布差異較小；降雨第5 d時，4 m裂縫邊坡中裂縫區與粉質泥砂巖交界面處孔壓已發生變化，2 m裂縫邊坡由于優先滲流路徑短，降雨尚未運移至交界面處；降雨結束時，4 m裂縫邊坡中裂縫區孔壓在降雨作用下負孔壓已由-200 kPa升高至-80 kPa，而2 m裂縫邊坡孔壓較前者偏低。

圖10 不同裂縫深度條件下降雨邊坡孔壓分布(單位：kPa)

分別分析2種裂縫深度邊坡穩定性在降雨過程中的變化，降雨結束時4 m裂縫邊坡中安全系數的為0.912，2 m裂縫邊坡為0.969，無裂縫時的安全系數為1.09，前期開挖擾動引起的裂縫對后續降雨邊坡穩定性有一定影響，且裂縫越深，邊坡安全系數下降越明顯。

6 結論

針對公路典型路基邊坡，采用GeoStudio軟件分析邊坡分級開挖與降雨作用下坡體變形與穩定性，得到以下結論：1)邊坡天然狀態下安全系數為1.254，分級開挖過程中安全系數持續下降，開挖完成后為1.131；開挖后緣由于側向開挖產生水平向變形，易導致開裂，產生傾覆破壞。2)降雨對坡腳處地下水位進行補給，降低了滑帶區有效應力和抗剪強度，土體容重增加使滑體下滑力增加；坡頂在卸荷作用下變形明顯，在長期高強度降雨作用下可能導致坡體后緣產生拉應力及張拉裂縫，造成雨水進一步入滲，導致裂縫發展。3)開挖不僅改變了坡表地形，而且其擾動作用容易產生裂縫，二者縮短了雨水滲流路徑，使雨水更快運移至地下水位，開挖與降雨聯合作用下坡體破壞程度加劇，破壞概率增大。因此，邊坡開挖過程中應實時進行工程防護，根據預測的危險滑動面及開挖過程中坡體的變形特征采取相應預防措施，做到邊開挖邊支護，降低邊坡滑移風險，保證施工過程安全。

該文重點分析了開挖與降雨時序作用下邊坡的應力與穩定性演化規律，但未考慮開挖與降雨作用下坡體巖土力學參數的劣化。