順層巖質邊坡變形破壞機制及防護方案有限元分析

楊瑞娟，蘇曉亮

（貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081）

隨著國家“一帶一路”和西部大開發戰略的進一步實施，高速公路通車里程不斷增多，但不可避免的會遇到大量因工程開挖而形成的高陡深路墊邊坡。同時受自然環境和工程要求開挖山體往往無法通過直接放坡來減緩邊坡高度和坡體的順層臨空，而是以較高陡的形式進行開挖。針對順層邊坡的破壞特征，運用彈塑性理論和有限元法，建立了順層巖質路塹邊坡穩定性的模擬分析模型[1]，依據強度折減法的思想，將地震荷載特征以及離散元法及順層巖質邊坡的特點結合，提出了一種求解地震荷載作用下順層巖質邊坡安全系數的方法[2]，通過從巖體的力學角度,闡述了巖體結構面的強度特性及其力學效應及影響巖質邊坡穩定分析的不平衡推理傳遞。發現該類邊坡的變形破壞模式主要有潰屈破壞[3]、滑移- 拉裂[4]、滑移- 彎曲[5]、剪切滑移[6]。根據順層邊坡的變形破壞特征，以貴州某高速特大橋拱座基坑邊坡為例，通過現場調查及室內試驗，分析其變形破壞機制，并用有限元對加固防護后的邊坡穩定性和防護機理進行全面、科學的評價，可為工程建設的順利進行和降雨工況下可能的局部加固處理提供合理的依據，同時，也可為同類順層巖質高邊坡加固方案設計提供參考。

1 工程概況

貴州某高速特大橋采用410 m 鋼管混凝土拱橋+預應力砼T 梁，橫跨V 型觀音寺河河谷，遵義岸拱座開挖山體腰部坡體。邊坡在開挖臨空過程中，發生了沿巖層面蠕滑，山體頂部開裂等情況，為了確保邊坡穩定和遵義岸拱座以及23#和24#墩的安全，進行防護工程方案研究。

2 地質概況

2.1 地形、地貌

該特大橋遵義岸坡體北東向為觀音寺河，該河谷為典型的“V”形谷，底寬約40～70 m。岸坡整體較陡，自然坡度角在40～50°。橋區大部基巖裸露，植被發育，主要為樹林及灌木叢，整個坡體軸線地面高程在953.4～649.6 m 之間，相對高差303.8 m。

2.2 地層巖性

該特大橋拱座區域覆蓋層為粘土（Qel+dl），呈黃褐色，可塑狀，局部含少量灰巖碎石，厚0～2 m，場區零星分布。基巖為三疊系下統茅草鋪組（T1m），薄～中厚層狀灰巖夾薄層泥膜、泥質白云巖夾層。根據孔內電視成像資料，灰巖層間泥質薄膜，發育間距為10～50 cm，層厚為0.5～8 mm，吸水后易軟化，淺部結合程度差，深部呈閉合狀，見圖1。

2.3 地質構造與地震

研究區位于揚子準臺地黔北臺隆遵義斷拱畢節北東向構造變形區?；拥谌壟_階位置存在泥質白云巖軟弱夾層，巖層強風化層厚度約2～5 m，巖層產狀265～267°∠45～48°。發育一組平行于臨空面的節理J1，產狀為193°∠76°，性質為強風化卸荷裂隙。

2.4 水文地質

研究區屬長江流域赤水河水系及其支流。橋梁在里程樁號ZK21+482～K21+522 與觀音寺河相交，河寬約20～60 m，深度約0.5～2.0 m，常年徑流，測時流量約20～40 L/s，調訪最高洪水位653.20 m。

研究區地下水類型為第四系松散土層孔隙裂隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水，地下水對混凝土結構具有微腐蝕性。

3 拱座邊坡變形破壞特征及破壞機制

根據現場開挖揭露情況，施工便道開挖已形成高約6 m 的薄～中厚層狀灰巖順層邊坡，順層邊坡沿巖層面產生蠕滑變形，山體頂部出現裂縫。邊坡巖體巖質堅硬，巖層間分布多層泥質薄膜，結合程度差，深部呈閉合狀，發育間距為10～50 cm，層厚為0.5～8 mm，吸水后易軟化。調查期間，巖層層間一直存在地下水滲出，工程地質條件較差，見圖2。

該邊坡巖體結構為硬質巖夾多層泥質薄膜和軟質巖的陡傾角順層邊坡，工程地質條件較差。邊坡在開挖過程中，降雨沿節理裂隙等結構面下滲，不斷軟化軟弱夾層，致使夾層及層間膠結物強度急劇降低。同時，基坑開挖后，導致邊坡巖層產生順層臨空，在重力作用下沿軟弱層面產生順層蠕滑變形，坡頂產生拉張裂縫。

綜上，邊坡工程地質條件差為基礎條件，降雨和工程活動是邊坡順層滑移的誘發因素，該邊坡變形壞模式為蠕滑- 拉裂型。進一步施工開挖，邊坡可能發生大規模沿層面順層滑移失穩破壞。

4 邊坡防護方案的有限元分析

4.1 設計方案

設計方案一為抗滑樁+減載+坡面豎梁錨索、獨立錨索防護+左幅24#、右幅23#墩樁基加長的防護形式，具體斷面圖見圖3。

設計方案二為抗滑樁+擋墻+豎梁錨索、獨立錨索加固的防護形式，具體斷面圖見圖4。

4.2 計算模型及參數選取

根據邊坡的結構特征和物質組成將模型進行概化，邊坡模型中覆蓋層及基巖、混凝土回填均采用實體單元來模擬，而結構單元中錨索采用植入式桁架，抗滑樁采用梁單元模擬，最不利巖層層面采用接觸面來模擬。主要材料的物理力學參數見表1。

表1 材料的物理力學參數

該特大橋屬于重要結構物，施工過程中和運營期不僅對結構強度有要求，而且對于變形量控制也有嚴格規定?？紤]到拱座基坑邊坡巖體為硬質巖夾泥膜、軟質巖結構，在降雨情況下屬于極易產生順層滑坡，故對降雨情況下兩種邊坡防護方案進行數值模擬研究。

4.3 計算結果分析

（1） 拱座開挖后邊坡整體水平位移分布

拱座開挖后兩種防護方案下邊坡水平位移云圖和穩定性系數。當采用方案一作為邊坡防護方案預加固時，拱座開挖后坡體整體穩定性系數高于方案二，安全儲備更高，而位移相對方案二稍大，潛在滑動帶范圍深于方案二。方案一抗滑樁樁最大位移位于樁中上部約為4.2 mm，而方案二的抗滑樁最大位移位于樁頂處，約為4.5 mm。

（2） 施工后邊坡整體水平位移分布

方案一拱座開挖后坡體整體穩定性系數高于方案二，安全儲備更高，坡體整體位移也較方案二小。方案一抗滑樁樁最大位移約為0.9 mm，拱座最大位移約為0.92 mm，影響范圍內的橋墩最大水平位移0.3 mm，方案二的抗滑樁最大位移約為4.5 mm，拱座最大位移約為1.4 mm，影響范圍內的橋墩最大水平位移0.3 mm。兩種方案下抗滑樁、拱座、邊坡體最大水平位移均為1～1.5 mm 之間，滿足相關結構的變形控制要求。

通過對比分析可以看出，兩種方案均能保證

邊坡穩定性，且滿足變形控制要求。但是方案一比方案二可節省投資約190 萬元，按照安全可靠、經濟合理的設計原則，故推薦方案一作為該拱座基坑邊坡的防護方案。

5 結論

（1） 坡體結構為硬質巖夾多層泥質薄膜和軟質巖的陡傾角順層邊坡，工程地質條件較差，此類邊坡極易產生順層滑移，工程建設中應對此類邊坡采用強支擋防護。

（2） 工程地質條件差是順層巖質邊坡發生失穩的基本條件，降雨和工程活動是邊坡順層滑移的主要誘發因素，此類邊坡變形壞模式一般為蠕滑- 拉裂型。

（3） 有限元數值計算結果表明，此類邊坡采用坡腳支擋加清方分區加固方案更符合安全可靠、經濟合理的設計要求。