深厚層強(qiáng)風(fēng)化頁巖路塹高邊坡穩(wěn)定性研究

朱分清 陳洋洋

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司公路與市政設(shè)計研究院 成都 610031)

山區(qū)修建高速公路不可避免地會出現(xiàn)路塹高邊坡，由于頁巖等軟巖開挖后具有易風(fēng)化、崩解、遇水軟化等特點(diǎn)，如不及時支護(hù)會引起邊坡滑塌，嚴(yán)重危及施工或公路的運(yùn)營安全[1-3]。目前，很多學(xué)者通過理論研究、數(shù)值模擬結(jié)合工程監(jiān)測等方法對軟質(zhì)巖高邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。陳向陽等[4]采用機(jī)動位移法與有限差分軟件FLAC3D對含軟弱夾層的炭質(zhì)頁巖路塹邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。張朝暉[5]運(yùn)用Geo-Studio軟件建立炭質(zhì)頁巖路塹邊坡模型，對降雨歷時內(nèi)邊坡中孔隙水壓力和體積含水率的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。張小勇等[6]建立離散元模型對順層頁巖邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析并對失穩(wěn)過程進(jìn)行了研究。張盧明等[7]采用動力分析方法和工程監(jiān)測分析評價川北地區(qū)龍馬溪組頁巖深層滑坡的抗震穩(wěn)定性。劉新喜等[8-9]等研究了凍融循環(huán)作用下炭質(zhì)頁巖蠕變模型，為炭質(zhì)頁巖高陡邊坡穩(wěn)定性分析提供了理論參考。馮玉濤等[10]在相關(guān)試驗(yàn)分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了一套針對龍馬溪組黑色頁巖路塹邊坡的防護(hù)方法。數(shù)值方法在高邊坡的穩(wěn)定性分析中應(yīng)用越來越廣泛，李永亮等[11]根據(jù)巖土類型對深挖路塹邊坡進(jìn)行簡單分類，借助PLAXIS建模探究典型的3種失穩(wěn)判據(jù)對不同類型邊坡穩(wěn)定性分析的適用性。

上述文獻(xiàn)中所研究的頁巖路塹邊坡高度或強(qiáng)風(fēng)化層厚度一般較小，針對深厚層的強(qiáng)風(fēng)化頁巖路塹邊坡的穩(wěn)定性研究還不多，本文以韶關(guān)市翁源至新豐高速公路某強(qiáng)風(fēng)化頁巖路塹邊坡開挖為研究對象，運(yùn)用PLAXIS軟件建立邊坡三維地質(zhì)模型，分別對正常和暴雨工況下邊坡加固前后的穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析，結(jié)合現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，通過安全系數(shù)、剪應(yīng)變、土體變位綜合分析路塹深挖方邊坡的穩(wěn)定性，驗(yàn)證邊坡加固方案的可靠性。

1 工程概況

韶新高速公路位于粵北部山區(qū)，群山環(huán)抱，連綿起伏，山脈多為東北—西南走向，地勢亦自東北向西南傾斜。屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，干濕季節(jié)明顯，春夏溫和多雨水，年降雨量1 300～2 400 mm。挖方場地屬剝蝕丘陵地貌，地形較陡，山坡自然坡度22.6°～25°。坡底地面高程164.8～199.1 m，相對高差約36.1 m。該高速公路里程K1+900-K2+070兩側(cè)為深挖路塹，長170 m，左側(cè)最大邊坡高度56 m。

1.1 工程地質(zhì)特征

該段深挖方地表覆蓋層為第四系全新統(tǒng)坡殘積層(Q4dl+pl)，下伏基巖為泥盆系帽子峰組頁巖和泥灰?guī)r(D3m)。邊坡巖土體至上而下分別為：①粉質(zhì)黏土層，厚0.6～3.0 m，灰黃、暗紅色，可塑；②強(qiáng)風(fēng)化頁巖層，厚10.5～50 m，黃褐色，節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體強(qiáng)度低，屬于軟質(zhì)巖；③中風(fēng)化泥灰?guī)r層，埋深23.0～53.0 m，灰黑色，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯較完整，巖體強(qiáng)度較高，屬于硬質(zhì)巖。典型工程地質(zhì)斷面圖見圖1。

圖1 典型工程地質(zhì)斷面及加固防護(hù)示意圖

1.2 赤平投影分析

該段邊坡巖層產(chǎn)狀為305°∠51°，發(fā)育2組節(jié)理，節(jié)理1(210°∠74°)和節(jié)理2(162°/61°)，邊坡的赤平投影圖見圖2。

圖2 邊坡赤平投影圖

由圖2可見，挖方坡率1∶1.25，產(chǎn)狀傾向和邊坡坡向大角度相交，對開挖邊坡穩(wěn)定性無不利影響；節(jié)理1和節(jié)理2傾向均與邊坡坡向小角度相交，但節(jié)理面傾角大于開挖邊坡坡角，對開挖邊坡穩(wěn)定性無不利影響；巖層產(chǎn)狀和節(jié)理面1、巖層產(chǎn)狀和節(jié)理面2，以及節(jié)理面1和節(jié)理面2的交線均傾向開挖邊坡內(nèi)側(cè)，對開挖邊坡穩(wěn)定性無不利影響。

1.3 邊坡防護(hù)加固措施

該路塹邊坡整體位于強(qiáng)風(fēng)化頁巖中，采用上部削方減載、下部錨索框架梁加固的臺階式邊坡。邊坡單級高度8 m，除第三級平臺寬度8 m外，其余平臺寬度2 m；自下而上第一、二級邊坡坡率分別為1∶1.25，1∶1.5，第三、四級邊坡坡率1∶1.75，第五至七級邊坡坡率均采用1∶2，總高度56 m。第一級邊坡K1+904-K2+030及第二級邊坡K1+904-K2+012采用設(shè)計拉力400 kN的錨索框架梁加固，第四級邊坡K1+914-K1+974采用設(shè)計拉力100 kN的錨桿框架梁加固。節(jié)點(diǎn)的水平和豎向間距均為3 m，呈矩形布置，框架梁截面尺寸0.4 m×0.4 m，骨架內(nèi)植草防護(hù)，其余為三維網(wǎng)植草護(hù)坡，防護(hù)加固措施見圖1。邊坡開挖加固后實(shí)景見圖3。

圖3 邊坡實(shí)景照片

2 計算軟件及計算模型

2.1 PLAXIS軟件簡介

PLAXIS軟件對邊坡安全系數(shù)的求解，是利用程序內(nèi)部提供的有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行。其基本原理是不斷折減土體的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c，直至計算的邊坡發(fā)生塑性破壞。PLAXIS包含多種材料本構(gòu)模型，本文采用摩爾-庫侖模型，有5個參數(shù)，其中2個為反映彈性性質(zhì)的參數(shù)，即彈性模量E和泊松比υ；3個反映塑性性質(zhì)的參數(shù)，即黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ及剪脹角ψ。摩爾-庫侖模型為理想彈塑性模型，能較好地反應(yīng)高邊坡的破壞模式。

2.2 計算模型

邊坡開挖前原地面計算模型和邊坡開挖成型后的計算模型分別見圖4和圖5。選取該段邊坡最高斷面K1+940作為計算斷面，建立有限元模型，由于錨桿錨索的水平間距為3 m，考慮其在邊坡上按5列對稱布置，故計算寬度取15 m，模型尺寸為230 m×70 m×15 m。巖土體采用三角形單元，土體材料采用摩爾-庫侖模型，錨桿與錨索固定端采用樁單元模擬，錨索自由端采用錨桿單元模擬。由于框架梁在邊坡計算過程中不考慮其加固作用，僅考慮框架梁在錨索施加預(yù)應(yīng)力時為其提供反力，故框架梁近似采用等厚板單元模擬。開挖頂面以下70 m為中風(fēng)化泥灰?guī)r，模型的底部邊界施加完全固定約束，左右側(cè)施加水平約束。

圖4 邊坡開挖前原地面計算模型(單位：m)

圖5 邊坡開挖成型后計算模型(單位：m)

3 計算方案及模型參數(shù)

3.1 計算方法

該模型采用分階段施工，首先是原始地面未開挖，建立初始有效應(yīng)力場；第二步邊坡分層開挖分層加固，直至開挖成型，采用塑性計算，即考慮土體的彈塑性變形，但不考慮土體的固結(jié)；第三步錨桿、錨索框架梁施工，采用彈塑性計算，施加錨固荷載。

3.2 計算工況

根據(jù)本次深挖方邊坡的實(shí)際情況，在運(yùn)用有限元分析穩(wěn)定性時主要考慮以下4種工況。

工況一。天然狀態(tài)下邊坡未加固，即邊坡開挖成型后，未采取錨桿、錨索框架梁加固，及時排水，該工況的荷載主要為巖土體的自重。

工況二。天然狀態(tài)下邊坡已加固，即邊坡開挖成型后，采用錨桿、錨索框架梁加固，及時排水，該工況的荷載主要為巖土體的自重，及錨桿、錨索的錨固荷載。

工況三。暴雨?duì)顟B(tài)下邊坡未加固，該工況的荷載除了巖土體的自重外，還應(yīng)考慮因雨水引起的土體自重增加及其強(qiáng)度參數(shù)的降低。

工況四。暴雨?duì)顟B(tài)下邊坡已加固，該工況的荷載除了巖土體的自重外，還應(yīng)考慮因雨水引起的土體自重增加及其強(qiáng)度參數(shù)的降低及錨桿、錨索的錨固荷載。

3.3 模型參數(shù)

邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1，錨桿與錨索錨固段參數(shù)見表2，錨索自由段參數(shù)見表3。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 錨桿與錨索錨固段參數(shù)

表3 錨索自由端參數(shù)

4 計算結(jié)果分析

分析邊坡在4種工況下潛在滑面位置、水平位移、剪應(yīng)變、塑性區(qū)、安全系數(shù)等的變化規(guī)律。

4.1 水平位移與滑面分析

不同工況下邊坡的水平位移云圖見圖6。

圖6 不同工況下邊坡水平位移云圖(單位：m)

由圖6可知，4種工況最大水平位移均發(fā)生在坡腳處，其中工況一最大水平位移為16 mm，工況二最大水平位移14.1 mm，工況三最大水平位移34.6 mm，工況四最大水平位移14.6 mm。工況一與工況三潛在滑面較工況二與工況四淺，且最大水平位移更大，說明在錨索與錨桿加固后的邊坡更趨于穩(wěn)定，潛在滑面會后移，最大水平位移更小。另外工況三、工況四較工況一、二水平位移大，說明在暴雨工況下，隨著土體的重度增加，黏聚力與內(nèi)摩擦角的折減，土體位移更大，邊坡也趨于不穩(wěn)定。

4.2 塑性區(qū)分析

不同工況下邊坡塑性區(qū)分布圖見圖7。

圖7 不同工況下邊坡塑性區(qū)分布圖

由圖7可知，各種工況下邊坡塑性區(qū)位置都主要分布在坡腳與坡頂，且工況三、工況四較工況一、工況二分布更為廣泛，這是因?yàn)樵诒┯旯r下，隨著雨水的下滲，邊坡土體黏聚力與內(nèi)摩擦角衰減，土體的應(yīng)力點(diǎn)更容易屈服，更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生塑性點(diǎn)。一旦塑性點(diǎn)貫通就會形成滑面，邊坡也隨之失穩(wěn)。

4.3 剪應(yīng)變分析

不同工況下邊坡剪應(yīng)變云圖見圖8。

圖8 不同工況下邊坡剪應(yīng)變云圖

由圖8可知，各種工況下邊坡剪應(yīng)變最大值均出現(xiàn)在坡腳處。剪應(yīng)變最大值工況一為0.06，工況二為0.053，工況三為0.14，工況四為0.132。工況一與工況二剪應(yīng)變最大值較工況三與工況四小，說明暴雨條件會使邊坡剪應(yīng)變最大值增大，更容易使土體失穩(wěn)；工況四、工況二較工況三、工況一，邊坡剪應(yīng)變最大值增大，說明邊坡通過加固后，剪應(yīng)變得到了明顯的改善，使邊坡受力更加合理，邊坡更加穩(wěn)定。

4.4 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分析

采用數(shù)值模擬法(PLAXIS有限元法)計算的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見表4，

表4 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

根據(jù)路基設(shè)計規(guī)范要求，高速公路路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)正常工況時為1.20～1.30、暴雨工況時為1.10～1.20，綜合考慮該路塹邊坡的復(fù)雜地質(zhì)條件及破壞后的危害嚴(yán)重程度等因素，本邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)取大值。邊坡加固前正常工況下，盡管安全系數(shù)大于1.30，但在暴雨工況下，邊坡的安全系數(shù)大幅降低，暴雨工況對坡面穩(wěn)定性影響更為顯著，需要對邊坡進(jìn)行加固。采用錨桿索加固邊坡后其穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.20，滿足規(guī)范要求。

5 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

邊坡在開挖成型后，選取計算斷面K1+940為監(jiān)測斷面，在邊坡平臺上設(shè)置了北斗監(jiān)測站，在邊坡二級平臺設(shè)置了北斗1號位移邊樁，三級平臺設(shè)置了北斗2號位移邊樁，五級平臺設(shè)置了北斗3號位移邊樁，邊坡監(jiān)測布置圖見圖9。該邊坡于2018年3月份加固措施施工全部完成，截止到2021年3月已累計監(jiān)測了3年，邊坡監(jiān)測水平位移見圖10。

圖9 邊坡監(jiān)測布置圖

圖10 邊坡監(jiān)測水平位移圖

從圖10監(jiān)測結(jié)果可以看出，邊坡地表水平位移在前18個月增長速度較快，在其后的30個月增長速度緩慢，且水平位移1號監(jiān)測點(diǎn)>2號監(jiān)測點(diǎn)>3號監(jiān)測點(diǎn)。邊坡在開挖完成后應(yīng)力得到釋放，前期瞬時位移已完成，監(jiān)測到的累計位移是后期邊坡巖土體的蠕變，其蠕變和應(yīng)力大小有關(guān)，從PLAXIS有限元分析結(jié)果可以看出，邊坡坡腳的剪應(yīng)變最大，向邊坡上方遞減，剪應(yīng)力也是如此，應(yīng)力越大蠕變發(fā)展越快，隨著蠕變的發(fā)展，土的應(yīng)力也有一定的衰減，土的蠕變速率也得到放緩。與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果相比，模擬計算結(jié)果符合實(shí)際監(jiān)測結(jié)果的位移變化規(guī)律，土體水平位移最大值發(fā)生在邊坡坡腳處。上述監(jiān)測結(jié)果表明，通過邊坡加固處理后，邊坡的水平位移已基本穩(wěn)定，邊坡的安全性可得到保證。

6 結(jié)論

通過對韶新高速公路某強(qiáng)風(fēng)化頁巖高邊坡在正常工況及暴雨工況下的模擬計算分析及相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可得出如下結(jié)論。

1) 邊坡在開挖成形后，土體水平位移與剪應(yīng)變最大值均在坡腳處，塑性區(qū)范圍也較大，采用錨桿、錨索加固邊坡后有效地減少了坡腳土體的變形，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，強(qiáng)風(fēng)化頁巖路塹高邊坡在設(shè)計時應(yīng)重視坡腳加固，該邊坡加固防護(hù)方案可為同類型邊坡防護(hù)提供參考。

2) 邊坡加固前在暴雨工況下，坡腳的水平位移及剪應(yīng)變急劇增大，邊坡安全系數(shù)也大幅減小。頁巖路塹邊坡開挖后易風(fēng)化、遇水易軟化，黏結(jié)力與內(nèi)摩擦角衰減較快。在實(shí)際邊坡處理中，開挖后應(yīng)及時加固，工程各工序的銜接要統(tǒng)籌考慮，同時做好防排水，盡可能減少降雨和空氣對邊坡穩(wěn)定性的不利影響。