前緣鎖固型峽谷邊坡失穩(wěn)源辨識與演化過程模擬

胡惠華 ，魯光銀，陳怡帆，尹湘杰，張鵬，林杭，陳昌富

(1. 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，湖南 長沙，410200；2. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙，410083；3. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙，410083；4. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410082)

近年來，為落實(shí)“十四五”綜合交通運(yùn)輸發(fā)展規(guī)劃，我國高速公路建設(shè)不斷向山區(qū)推進(jìn)。山區(qū)峽谷公路工程邊坡存在大量地質(zhì)災(zāi)害隱患，雖然可以利用公路的線型工程特點(diǎn)，通過靈活設(shè)計，盡力避免“深挖高填”，但在山區(qū)峽谷公路中，工程邊坡的數(shù)量和規(guī)模仍然較大。公路工程邊坡是指對公路沿線構(gòu)筑物的安全具有直接或間接影響的各類人工邊坡或天然山體邊坡，包括經(jīng)過挖填改造的路基邊坡設(shè)置橋梁基礎(chǔ)的山體邊坡以及隧道進(jìn)出口段邊坡。峽谷邊坡的形成是一個動態(tài)的過程，其演化全過程包括表生改造、時效變形和破壞發(fā)展3個階段。在自重應(yīng)力場作用下，峽谷邊坡的淺表部位一般處于平衡狀態(tài)或時效變形過程中[1]。公路建造對峽谷邊坡的挖填或擾動會加快邊坡滑動面的孕育和演化過程，誘發(fā)邊坡快速變形進(jìn)入破壞階段，導(dǎo)致峽谷邊坡大范圍變形與破壞，形成滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害[2-3]。其中，滑坡是最危險的地質(zhì)災(zāi)害之一，在世界范圍內(nèi)造成了重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。山區(qū)峽谷高速公路在營運(yùn)期間發(fā)生滑坡，不僅會造成交通中斷和維護(hù)困難，而且將嚴(yán)重降低高速公路的運(yùn)行效率。對公路工程邊坡開展穩(wěn)定性和變形失穩(wěn)分析，可以了解其破壞過程的失穩(wěn)機(jī)理[6]。前人建立的人工邊坡穩(wěn)定性分析方法可用于公路工程邊坡穩(wěn)定性分析。目前，對于邊坡穩(wěn)定性的分析方法主要包括定量分析和定性分析，如工程類比法、圖解法[7-8]等屬于定性分析方法，而剛體極限平衡法[9-11]、塑性極限分析法[12-13]及數(shù)值分析法[14-16]等屬于定量分析方法。1937 年，TAYLOR 提出了基于摩擦圓法的土坡穩(wěn)定圖表，之后，SARKAR 等[17-19]對相關(guān)的邊坡穩(wěn)定性圖表進(jìn)行了研究。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果和巖土體介質(zhì)特征，殷躍平[20]將三峽庫區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)劃分為順層邊坡、平緩軟硬巖層互層邊坡、滑崩堆積體邊坡、溶塌角礫巖邊坡、層狀碎裂巖體邊坡等，并分析了相應(yīng)的破壞模式。AZARAFZA等[21]綜述了用于不同破壞機(jī)制下天然邊坡和人工切割邊坡穩(wěn)定性分析的極限平衡方法。DENG等[22]考慮邊坡外部荷載作用條件，采用多種極限平衡法對比了它們在計算邊坡穩(wěn)定性上的差異。此外，在極限平衡框架下，DENG等[23-24]提出了一種利用任意曲線滑動面的線性Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則和非線性Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。雷遠(yuǎn)見等[25]對多結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡巖塊和結(jié)構(gòu)面參數(shù)進(jìn)行折減，開展了穩(wěn)定性分析計算。趙尚毅等[26]采用非線性有限元強(qiáng)度折減法分析了節(jié)理巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。曹平等[27]基于現(xiàn)場調(diào)查和赤平投影方法分析了湖南省竹城(竹市—城奇)公路K81—K83 段層狀巖質(zhì)邊坡潛在變形滑動機(jī)理，并結(jié)合UDEC軟件開展了邊坡穩(wěn)定性計算，根據(jù)邊坡位移變化規(guī)律提出了相應(yīng)的防治措施設(shè)計。羅根傳等[28]采用FLAC3D軟件建立了泉南(泉州—南寧)高速南寧段改擴(kuò)建工程K1369+400 右側(cè)高邊坡三維數(shù)值模型，分析了抗滑樁對邊坡穩(wěn)定性的加固效果。可見，前人對人工邊坡或工程邊坡穩(wěn)定性和滑移機(jī)理進(jìn)行了研究，對于人工邊坡與工程邊坡的防災(zāi)減災(zāi)具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，但對邊坡失穩(wěn)源辨識的研究較少。張鵬等[29-30]提出了邊坡失穩(wěn)源的概念并對工程邊坡的失穩(wěn)源進(jìn)行了初判，但未對邊坡失穩(wěn)源及辨識方法進(jìn)行深入闡述，同時，研究的坡體模型也是簡化后的規(guī)則模型，這不利于準(zhǔn)確評估人工邊坡或工程邊坡穩(wěn)定性以及深入探究其內(nèi)在的失穩(wěn)機(jī)制。

本文以典型的硬質(zhì)巖峽谷區(qū)前緣鎖固型高陡邊坡——湖南省汝郴(汝城—郴州)高速公路K65+400—K65+690 段吊坎壟峽谷隧道與橋梁搭接處邊坡為研究對象，基于該邊坡在天然條件下的穩(wěn)定性和開挖擾動引起的坡體變形情況，識別該峽谷邊坡在不同工況下的失穩(wěn)源，并運(yùn)用有限差分軟件開展邊坡穩(wěn)定性演化全過程模擬，結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)一步討論該邊坡的失穩(wěn)機(jī)理。本文研究成果可以為其他類似邊坡的穩(wěn)定性評價及邊坡工程的設(shè)計與施工等提供參考。

1 工程概況

吊坎壟前緣鎖固型峽谷邊坡(以下簡稱吊坎壟邊坡)為湖南省汝郴高速K65+400—K65+690 段峽谷型山體邊坡，屬于構(gòu)造剝蝕地貌，地形陡峻，坡面巖石裸露，在其上布置五一村大橋的3 號橋墩、4號橋臺以及吊坎壟隧道進(jìn)口段，見圖1。

圖1 吊坎壟邊坡地貌及公路線位圖Fig.1 Landforms and road lines at Diaokanlang slope

與橋梁和隧道安全緊密相關(guān)的邊坡寬約180 m，總高度約300 m，離坡底180 m 高處有1 個80～100 m寬的平面，邊坡坡面傾向約為130°，坡角為35°～55°。邊坡地質(zhì)斷面(右幅橋位)如圖2所示。

圖2 吊坎壟邊坡工程地質(zhì)斷面圖Fig. 2 Engineering geological section of Diaokanlang slope

坡體由硬質(zhì)石英砂巖夾紫紅砂巖組成，巖層反傾，傾向約為272°，傾角約為35°；順坡向的逆斷層F13是邊坡深層穩(wěn)定性的主控結(jié)構(gòu)面，其產(chǎn)狀為150°∠40°～44°，最大埋深約為100 m，與邊坡坡面基本平行，但被其他斷層F11和F15錯斷，逆斷層F13 上下錯斷距離約30 m。坡腳還發(fā)育有陡傾角平移斷層F11 及與其平行的斷層F14 和F15，這組平移斷層總體傾向約為146°，總體傾角約為77°。邊坡體內(nèi)發(fā)育4 組主要節(jié)理，其產(chǎn)狀分別為171°∠66°、117°∠66°、33°∠83°和236°∠71°，均為陡傾節(jié)理，不是邊坡變形失穩(wěn)的控制結(jié)構(gòu)面，但對坡體起到了切割作用，其密集分布大大削弱了巖體強(qiáng)度。逆斷層F13之上影響橋梁和隧道工程安全的坡體體積約為320 萬m3。其右側(cè)相鄰的邊坡塊體因坡體完整性較差且處于河谷直角轉(zhuǎn)彎處，受洪水侵蝕沖刷作用更加強(qiáng)烈，已有約200 萬m3巖體失穩(wěn)滑落而留下滑腔(見圖1)。

2 邊坡失穩(wěn)源辨識

2.1 邊坡失穩(wěn)源定義及工程意義

邊坡失穩(wěn)破壞要經(jīng)歷一個復(fù)雜的變形演化過程，一般是邊坡在自重應(yīng)力場驅(qū)動下，因時效變形持續(xù)發(fā)展，或因可變因素觸發(fā)，邊坡某個部位首先孕育產(chǎn)生剪切變形，進(jìn)而出現(xiàn)累進(jìn)性變形破裂，直至潛在滑動面貫通形成最終破壞的過程。因此，可將邊坡中因剪切作用形成的塑性變形起始區(qū)定義為邊坡失穩(wěn)源[29]。本研究中，失穩(wěn)源定義強(qiáng)調(diào)的是邊坡巖體最開始出現(xiàn)的剪切變形區(qū)，體現(xiàn)了邊坡在外在因素影響下的損傷積累與漸進(jìn)失穩(wěn)過程。其工程意義在于：可以根據(jù)邊坡失穩(wěn)源辨識結(jié)果進(jìn)行較大尺度的工程地質(zhì)分區(qū)研究，從而針對可能存在邊坡失穩(wěn)源的區(qū)域進(jìn)行地表和深部位移監(jiān)測，推演邊坡的位移場演化與時效變形規(guī)律；通過人工智能方法可進(jìn)一步確定坡體潛在滑動面位置；最后，結(jié)合反演分析定量確定邊坡的巖土體參數(shù)和穩(wěn)定狀態(tài)，有利于對穩(wěn)定性較差的邊坡進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)警和快速控制。可見，開展邊坡失穩(wěn)源辨識研究是工程邊坡智慧診斷與防控的基礎(chǔ)，能夠在有效控制邊坡失穩(wěn)風(fēng)險的同時，大大節(jié)省工程投入。

2.2 吊坎壟邊坡失穩(wěn)源初判

吊坎壟邊坡結(jié)構(gòu)復(fù)雜，坡體由硬質(zhì)石英砂巖夾紫紅砂巖組成，斷層及卸荷裂隙發(fā)育，包括順坡向的中等傾角逆斷層F13、順坡向的陡傾角平移斷層F11 及斷層F14 和F15，且自然風(fēng)化、強(qiáng)降雨作用強(qiáng)烈。2011 年在坡腳抗滑樁施工過程中發(fā)現(xiàn)已貫通的公路隧道離洞口60～80 m處，鋼筋混凝土襯砌出現(xiàn)多道環(huán)形裂縫。監(jiān)測結(jié)果表明，該邊坡在高速公路修建過程中產(chǎn)生了蠕滑變形，具有變形不斷擴(kuò)大甚至失穩(wěn)破壞的趨勢。其變形演化過程與失穩(wěn)機(jī)理較復(fù)雜。相應(yīng)地，基于不同的演化過程與失穩(wěn)機(jī)理，吊坎壟邊坡將形成不同的失穩(wěn)源。

1) 與邊坡坡面近似平行的深部斷層F13抗剪強(qiáng)度低，但未在坡腳處臨空出露，坡腳巖體結(jié)構(gòu)起到了鎖固作用。因此，吊坎壟邊坡深層的變形失穩(wěn)機(jī)理為滑移—拉裂—剪斷“三段”式破壞，即中部沿逆斷層F13蠕滑、后緣拉裂、下部剪斷。在自重應(yīng)力場的驅(qū)動下，斷層F13的中部可能首先產(chǎn)生剪切變形，成為吊坎壟邊坡深層變形破壞的失穩(wěn)源。

2) 吊坎壟邊坡淺層的變形失穩(wěn)機(jī)理為蠕滑—拉裂破壞，即前部破碎巖體蠕滑、后緣沿節(jié)理拉裂。邊坡前部臨近坡面的破碎巖體，因應(yīng)力集中可能首先出現(xiàn)剪切變形和損傷破壞，是吊坎壟邊坡淺層變形破壞的失穩(wěn)源。

3 吊坎壟邊坡數(shù)值模型構(gòu)建

邊坡失穩(wěn)源的力學(xué)行為本質(zhì)上依舊屬于剪切變形，故可通過開展邊坡變形失穩(wěn)機(jī)理分析，對其進(jìn)行識別與判斷。考慮到吊坎壟邊坡地質(zhì)模型復(fù)雜，影響因素眾多，已有研究中的理論解析方法難以直接應(yīng)用，本文利用有限差分?jǐn)?shù)值軟件FLAC3D模擬該邊坡失穩(wěn)全過程中的變形破壞及演變規(guī)律。有限差分法是將問題的基本方程和邊界條件以簡單、直觀的差分方式來表述，使得其更易于在工程實(shí)際中應(yīng)用。近年來，有限差分法在巖石力學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

按照吊坎壟邊坡的地質(zhì)模型，建立如圖3所示數(shù)值模型。模型水平和垂直方向的計算長度分別取555 m 和335 m。模型邊界條件為：在側(cè)面設(shè)置外法向的滑動支座即水平方向上位移被約束、在底部設(shè)置固定支座即水平和豎向位移均被約束；頂面為自由邊界。網(wǎng)格單元采用Mohr-Coulomb elastoplastic 模型，邊坡模型中的結(jié)構(gòu)面及斷層則采用interface接觸單元進(jìn)行模擬。

圖3 吊坎壟邊坡數(shù)值模型Fig. 3 Numerical model of Diaokanlang slope

根據(jù)吊坎壟邊坡地質(zhì)調(diào)查報告，坡體主要由石英砂巖構(gòu)成，坡腳局部地區(qū)存在歷史失穩(wěn)現(xiàn)象，形成了松散堆積體，厚度不超過10 m。因此，邊坡模型在數(shù)值計算中的物理力學(xué)參數(shù)設(shè)置為：斷層F13以上單元賦予破碎石英砂巖參數(shù)值，坡體模型其余部分則賦予較破碎石英砂巖參數(shù)值，松散堆積體參數(shù)根據(jù)堆積坡體穩(wěn)定性反演結(jié)果確定。具體的力學(xué)參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 邊坡巖體力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)Table 1 Mechanical strength indexes of slope rock mass

表2 結(jié)構(gòu)面力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)Table 2 Mechanical strength indexes of structural surfaces

Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的一般表達(dá)式為

式中：τ為剪切強(qiáng)度，MPa；c為黏聚力，MPa；σn為法向應(yīng)力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)。

經(jīng)典邊坡安全系數(shù)Ks被定義為潛在滑動面上的抗剪力與下滑力的比值。當(dāng)采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則描述巖體破壞時，Ks的計算式為

式中：τg為由重力引起的下滑應(yīng)力，MPa；l為潛在滑動面長度，m。

對式(2)兩邊同時除以系數(shù)Ks可得

式(3)表明，當(dāng)邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)折減Ks后，坡體達(dá)到臨界穩(wěn)定狀態(tài)，如式(4)和(5)所示。

式中：ccr和φcr分別為邊坡臨界狀態(tài)時的黏聚力和內(nèi)摩擦角。由于強(qiáng)度折減法能夠避免事先假定潛在滑動面的形狀和位置，且適用于各種地形條件，故在巖土工程領(lǐng)域尤其是邊坡穩(wěn)定性分析領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

吊坎壟邊坡失穩(wěn)過程模擬也主要通過強(qiáng)度折減法實(shí)現(xiàn)，主要包括模擬天然工況下邊坡的淺層和中層穩(wěn)定性、隧道開挖作用下邊坡深層穩(wěn)定性、鎖固巖體損傷導(dǎo)致邊坡深層變形破壞和堆載反壓后邊坡穩(wěn)定性的變化以及分析邊坡不同部位失穩(wěn)源的形成機(jī)理。

4 吊坎壟邊坡演化過程模擬與失穩(wěn)源辨識

4.1 天然邊坡淺層和中層失穩(wěn)源與穩(wěn)定性分析

吊坎壟邊坡在天然狀態(tài)下處于時效變形階段。邊坡巖層受到多條斷層交叉切割，且因卸荷改造，張性卸荷裂隙發(fā)育。在自重應(yīng)力場驅(qū)動下，邊坡深部雖然存在沿F13斷層產(chǎn)生深層滑移的趨勢，但由于F13斷層埋藏較深，邊坡前部斷層F11與斷層F15 之間巖體的鎖固效應(yīng)明顯，F(xiàn)13 斷層未形成塑性變形區(qū)。天然邊坡塑性區(qū)分布如圖4所示。在平衡狀態(tài)下，位于邊坡前部的破碎巖體因應(yīng)力集中發(fā)生剪切破裂，形成塑性變形起始區(qū)，屬于邊坡淺層變形破壞的失穩(wěn)源。但塑性變形區(qū)向上擴(kuò)展至邊坡中段后處于平衡狀態(tài)，滑動面未完全貫通。

圖4 天然邊坡塑性區(qū)分布Fig. 4 Distribution of plastic zones of natural slope

總體而言，該邊坡在天然狀態(tài)下，淺層和中層潛在滑動面稍成型但未完全貫通；深層潛在滑動面由于受到前緣鎖固段的控制作用，處于穩(wěn)定狀態(tài)。于邊坡滑體被結(jié)構(gòu)面切割形成的3部分各表面設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，采用位移突變法記錄邊坡表面各監(jiān)測點(diǎn)隨強(qiáng)度折減系數(shù)變化的水平位移。天然邊坡各監(jiān)測點(diǎn)位移突變規(guī)律如圖5所示。從圖5可見當(dāng)Ks=1.04 時，曲線發(fā)生突變，因此，該邊坡在天然無擾動條件下的穩(wěn)定系數(shù)為1.04，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 隧道開挖誘發(fā)邊坡深層失穩(wěn)源形成原因

隧道開挖后，一方面，巖體開挖對工程邊坡起到了一定程度的減重作用，降低了工程邊坡的下滑力；另一方面，受施工荷載影響，結(jié)構(gòu)面發(fā)生損傷積累以及抗剪強(qiáng)度降低，在兩者共同作用下，坡體內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力重新分布，同時伴隨著相應(yīng)的位移演化，以達(dá)到新的平衡狀態(tài)。為探討三維應(yīng)力狀態(tài)下隧道開挖對邊坡變形失穩(wěn)機(jī)理及穩(wěn)定性的影響，本文建立了相應(yīng)三維模型并根據(jù)此時巖體參數(shù)進(jìn)行計算。從機(jī)理上看，隧道開挖導(dǎo)致巖體應(yīng)力重新分布且對原生裂隙造成一定擾動，誘發(fā)原生裂隙的擴(kuò)展和次生裂隙的產(chǎn)生，造成了邊坡巖體的強(qiáng)度降低，因此，在FLAC3D數(shù)值仿真中，該劣化過程可以通過對邊坡模型巖體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行合理折減來實(shí)現(xiàn)，以模擬隧道開挖對巖體造成的擾動和損傷。折減程度可根據(jù)現(xiàn)場取樣開展力學(xué)實(shí)驗得到的結(jié)果來確定。在本次模擬中，邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)折減的比例為0.975。

按照圖4所示監(jiān)測點(diǎn)位置在三維模型相似位置布置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測邊坡表面總位移隨折減系數(shù)的變化，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可見：曲線在Ks=1.00時發(fā)生突變，因此，該邊坡在受隧道開挖擾動后的穩(wěn)定系數(shù)為1.00，說明該邊坡正處在臨界穩(wěn)定狀態(tài)。隧道開挖擾動后邊坡總位移云圖如圖7 所示。由圖7 可知，斷層F13 中部出現(xiàn)較大的變形區(qū)，是邊坡深層變形破壞的失穩(wěn)源。最大位移區(qū)域由斷層F13及F14圍閉而成。但由于坡腳處的鎖固作用，邊坡整體仍未發(fā)生較大幅度的滑移變形。隧道施工誘發(fā)了斷層F13形成深部失穩(wěn)源，并出現(xiàn)一定程度的蠕滑，斷層F13之上巖體產(chǎn)生變形。開挖導(dǎo)致隧道襯砌開裂情況[10]見圖8。從圖8 可見：距洞口60～80 m段的隧道二襯出現(xiàn)環(huán)形開裂，這是斷層F13上盤巖體沿陡傾裂隙拉裂變形所致；張鵬等[29]于同期進(jìn)行邊坡深部位移監(jiān)測時也發(fā)現(xiàn)公路隧道進(jìn)口段之下的斷層F13部位已有蠕滑跡象。

圖6 隧道開挖擾動后邊坡測點(diǎn)位移突變規(guī)律Fig. 6 Displacement mutation law of measuring points after tunnel excavation disturbance

圖7 隧道開挖擾動后邊坡總位移云圖Fig. 7 Displacement contour of slope after tunnel excavation disturbance

圖8 開挖導(dǎo)致距洞口60～80 m段的隧道襯砌開裂[10]Fig. 8 Cracking of tunnel lining 60-80 m away from the entrance caused by excavation[10]

4.3 鎖固巖體損傷誘發(fā)邊坡深層失穩(wěn)預(yù)測

在對邊坡進(jìn)行處治施工過程中，考慮到連續(xù)降雨天氣的影響，坡腳地下水豐富，坡腳處施工難度大，難以順利推進(jìn)。若在坡腳處開挖抗滑樁或大規(guī)模錨索布置，將進(jìn)一步導(dǎo)致坡腳處鎖固段巖體出現(xiàn)損傷。具體而言，降雨會造成鎖固段區(qū)域巖土體軟化，而抗滑樁開挖或布置錨索則使鎖固段區(qū)域巖體完整性降低，兩者均會導(dǎo)致鎖固段區(qū)域巖體強(qiáng)度降低。為反映這兩者對邊坡鎖固巖體的綜合損傷作用，本文直接對鎖固段區(qū)域巖體參數(shù)進(jìn)行折減，然后對邊坡失穩(wěn)過程進(jìn)行模擬，以分析鎖固巖體損傷對邊坡穩(wěn)定性和變形的影響。鎖固巖體損傷后邊坡監(jiān)測點(diǎn)位移突變規(guī)律見圖9。從圖9 可見位移監(jiān)測曲線在Ks=0.936 時發(fā)生突變，意味著邊坡安全系數(shù)進(jìn)一步降低，邊坡處于深層變形失穩(wěn)狀態(tài)，并存在快速滑移的危險。

圖9 鎖固巖體損傷后邊坡測點(diǎn)位移突變規(guī)律Fig. 9 Displacement mutation law of measuring points after locking rock mass damage

鎖固巖體損傷后邊坡塑性區(qū)分布見圖10。對圖10 中邊坡塑性區(qū)云圖進(jìn)行分析可知，模型塑性單元以剪切破壞為主，且主要集中在坡腳和深部斷層F13處。綜合對比圖10與圖7可知：坡腳開挖前，深部斷層F13中部首先發(fā)生較大剪切變形，但由于坡腳處地質(zhì)結(jié)構(gòu)的鎖固作用，邊坡整體仍未發(fā)生較大幅度的滑移變形。若在坡腳開挖抗滑樁或大規(guī)模布置錨索，鎖固巖體將形成新的塑性區(qū)，潛在滑動面從坡腳開始，貫穿斷層F14 和斷層F15，連接斷層F13 的塑性區(qū)，形成搭接狀折線型深部滑面。

圖10 鎖固巖體損傷后邊坡塑性區(qū)分布Fig. 10 Distribution of plastic zones after locking rock mass damage

總之，若在坡腳開挖抗滑樁或進(jìn)行大量的錨索施工，將損傷前緣鎖固巖體，進(jìn)一步導(dǎo)致邊坡應(yīng)力重新分布，在鎖固巖體中形成塑性區(qū)，并與深部斷層F13 上的塑性區(qū)貫通，坡體將發(fā)生深層失穩(wěn)。

4.4 吊坎壟邊坡失穩(wěn)源及穩(wěn)定性控制

根據(jù)以上吊坎壟邊坡變形規(guī)律及破壞機(jī)制可知，需加大前緣鎖固段的局部強(qiáng)度，提高邊坡的整體穩(wěn)定性。經(jīng)計算，深層變形失穩(wěn)的坡體體積約320 萬m3。為了快速給處于變形失穩(wěn)狀態(tài)的邊坡提供抗滑力，并避免繼續(xù)損傷鎖固巖體，需對邊坡進(jìn)行加固。采用級配碎塊石在坡腳分臺階堆載反壓方案，溝底全斷面堆載反壓碎石高度為30 m，護(hù)坡堆載反壓高度為30 m，從而達(dá)到增加邊坡前緣鎖固段滑動面上的所受豎向應(yīng)力以間接提高其抗剪強(qiáng)度的目的。監(jiān)測結(jié)果表明，分臺階堆載反壓后的邊坡整體穩(wěn)定。邊坡加固方案如圖11所示，邊坡加固后的景觀如圖12所示。

圖11 吊坎壟邊坡加固方案Fig.11 Reinforcement scheme of Diaokanlang slope

圖12 吊坎壟邊坡加固后景觀Fig. 12 Landscape of Diaokanlang slope after reinforcement

對加固邊坡失穩(wěn)過程進(jìn)行模擬，得到分臺階堆載反壓邊坡平衡狀態(tài)的總位移云圖，如圖13 所示。從圖13 可見：與加固前相比，該邊坡的位移及破壞模式存在較大變化；原有中層潛在滑面的坡腳受到較強(qiáng)的反壓、約束作用，中層潛在滑面未見發(fā)育；深層塑性區(qū)同樣受到較大抑制，最大位移發(fā)生在坡體表層。

圖13 分臺階堆載反壓后邊坡總位移云圖Fig. 13 Displacement contour of slope after partition backpressure

分臺階堆載反壓后邊坡監(jiān)測點(diǎn)位移演化見圖14。從圖14 可知：經(jīng)分臺階反壓后，從坡腳剪出的深層和中層潛在滑動面的坡體安全系數(shù)超過1.30，淺層坡體安全系數(shù)為1.25，并且測點(diǎn)2 的水平位移稍大于測點(diǎn)1 的水平位移，說明堆載反壓時，邊坡淺層潛在滑動面的破壞模式呈牽引式。

圖14 分臺階堆載反壓后邊坡監(jiān)測點(diǎn)位移演化Fig. 14 Displacement mutation law of measuring points after partition backpressure

分臺階堆載反壓后臨界邊坡塑性區(qū)分布見圖15。從圖15 可見：分臺階反壓對深層和中層潛在滑動面上的失穩(wěn)源控制作用明顯，較大地提高了邊坡的深層和中層穩(wěn)定性；對邊坡淺層失穩(wěn)源具有一定的控制作用，需輔以錨桿防護(hù)。

圖15 分臺階堆載反壓后臨界邊坡塑性區(qū)分布Fig. 15 Distribution of plastic zones of critical slope after partition backpressure

5 結(jié)論

1) 吊坎壟前緣鎖固型峽谷邊坡的淺層變形失穩(wěn)機(jī)理為蠕滑—拉裂破壞。邊坡臨近坡面的破碎巖體因應(yīng)力集中率先出現(xiàn)損傷破壞和剪切變形，屬于邊坡淺層變形破壞的失穩(wěn)源。深層變形失穩(wěn)機(jī)理為滑移—拉裂—剪斷“三段”式破壞。在自重應(yīng)力場的驅(qū)動下，斷層F13中部最先產(chǎn)生剪切變形，為邊坡深層變形破壞的失穩(wěn)源。

2) 吊坎壟前緣鎖固型峽谷邊坡的淺層坡體在自然狀態(tài)下，塑性變形區(qū)從坡腳附近向上擴(kuò)展至邊坡中段后處于平衡狀態(tài)，邊坡淺層潛在滑動面處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。由于前緣鎖固效應(yīng)，邊坡深層潛在滑動面在自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3) 在隧道施工的爆破和機(jī)械等作用下，吊坎壟峽谷邊坡巖體經(jīng)歷損傷積累和抗剪強(qiáng)度降低，致使邊坡淺層和中層塑性區(qū)擴(kuò)展，并誘發(fā)了深部斷層F13中部形成塑性區(qū)，其為邊坡深層變形破壞的失穩(wěn)源，引發(fā)了吊坎壟峽谷邊坡整體沿深部斷層F13蠕滑變形，并被監(jiān)控量測的結(jié)果印證，邊坡整體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

4) 若在邊坡前緣鎖固巖體上開挖抗滑樁或大量布置錨索且未及時澆筑混凝土，則鎖固巖體將出現(xiàn)較大損傷并形成新的塑性區(qū)，進(jìn)而會誘發(fā)深部斷層F13上的塑性變形區(qū)擴(kuò)張，致使邊坡沿深部斷層F13變形失穩(wěn)。經(jīng)過快速反壓，邊坡變形得到控制，避免了橋梁與隧道被損毀。