硬質(zhì)巖路塹邊坡改建穩(wěn)定性分析與加固設(shè)計(jì)

■孫林鋒

（福州市勘測院有限公司，福州 350108）

隨著城市交通需求的不斷增長，城市道路拓寬需求日益增長，尤其在丘陵地區(qū)，常要對既有邊坡進(jìn)行擴(kuò)寬改建加固。 城市道路受周邊建（構(gòu)）筑物及道路紅線限制，大部分邊坡無法依據(jù)原邊坡坡率及支護(hù)方案進(jìn)行簡單的擴(kuò)寬改建，需要進(jìn)行專項(xiàng)加固設(shè)計(jì)。 特別對道路既有硬質(zhì)巖路塹高邊坡，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，改建的穩(wěn)定性分析及加固設(shè)計(jì)仍然沒有比較完善統(tǒng)一的體系。 判定分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定存在太多復(fù)雜性，對巖質(zhì)邊坡進(jìn)行分析方法多式多樣[1-3]。 目前，巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的評價方法主要可分為定性分析方法、 定量分析方法以及非確定性方法，其中定性分析方法主要有自然（成因）歷史分析法、工程類比分析法和赤平投影圖解法，定量分析方法主要有極限平衡法和數(shù)值分析法，非確定性方法主要為可靠性分析法和模糊綜合評價法。 硬質(zhì)巖質(zhì)邊坡可根據(jù)不同的破壞模式選擇不同的方法進(jìn)行分析。 基于此，本文以福州某快速路路塹硬質(zhì)巖邊坡改建設(shè)計(jì)為例，通過赤平極射投影法對其穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析評價，以初步確定采用開挖坡腳的方式進(jìn)行改建，同時采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件建立邊坡數(shù)值分析模型，分析巖質(zhì)邊坡開挖后穩(wěn)定性，并針對數(shù)值分析中呈現(xiàn)出的邊坡薄弱位置，確定對邊坡坡腳增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿防止淺部巖體滑移式崩塌破壞，以期為類似硬質(zhì)巖邊坡的改建加固分析提供參考。

1 工程概況

福州某快速路因匝道接入，需要改建既有路塹巖質(zhì)邊坡來滿足加速車道寬度要求。 該邊坡高度約40～47 m，現(xiàn)狀采用分階放坡，第一、二階坡高8 m，采用護(hù)面墻防護(hù)，第三階一坡到頂，坡率約1∶1.4。邊坡巖體巖性為中?；◢弾r，呈灰白或淺紅，屬硬質(zhì)巖。 坡頂無覆蓋層，坡體巖體以中—微風(fēng)化為主，巖體完整程度屬較完整—完整，塊狀結(jié)構(gòu)，局部因前期采石爆破呈較破碎狀，以Ⅱ類巖體為主。 地下水主要為基巖裂隙水，主要賦存于花崗巖的構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙中，富水性差，水量較小。 通過查閱區(qū)域地質(zhì)資料及現(xiàn)場調(diào)查，未見規(guī)模較大的控制性軟弱結(jié)構(gòu)面及區(qū)域性斷裂通過。

2 赤平投影定性分析

赤平投影在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中用以解決地質(zhì)構(gòu)造的角度和方位問題，是定性分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的重要方法。 通過系統(tǒng)收集地質(zhì)數(shù)據(jù)，利用赤平投影法使地質(zhì)數(shù)據(jù)便于評價分析邊坡穩(wěn)定性，可使復(fù)雜的空間組合關(guān)系轉(zhuǎn)化為簡單的平面關(guān)系，可以直觀地表明各組結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系、切割體與邊坡相對關(guān)系，確定結(jié)構(gòu)面穩(wěn)定性和組合體的穩(wěn)定性及其空間分布位置，也可預(yù)判不穩(wěn)定巖體可能的滑移方向，以進(jìn)一步做出防范措施。

本工程通過現(xiàn)場地質(zhì)測繪（圖1），調(diào)查邊坡巖體的巖性、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等特征，用于初步判定邊坡的穩(wěn)定性，確定邊坡初步支護(hù)方案。 地質(zhì)測繪成果顯示：本邊坡為燕山晚期中?；◢弾r，邊坡巖體主要發(fā)育3 組節(jié)理（表1）， 其產(chǎn)狀為27°∠85°、135°∠72°、317°∠38°，現(xiàn)狀邊坡坡面22°∠68°。 各組裂隙平直光滑，未張開無填充，分布于整個邊坡區(qū)域。如圖2 所示， 根據(jù)赤平投影分析：J1 與J3 相互切割，其交點(diǎn)與邊坡投影弧在同一側(cè)，兩者形成的楔形體與坡面同傾向，傾角小于坡角，屬于穩(wěn)定—較穩(wěn)定狀態(tài)。 隨著后期道路拓寬改建，改建方案需減小邊坡坡率， 加大邊坡傾角， 在裂隙J2 影響下，J1與J3 形成的楔形體在中強(qiáng)地震、 暴雨等工況下易發(fā)生局部滑移式崩塌破壞，對不利或潛在滑移體可采取有效的措施進(jìn)行加固。

表1 結(jié)構(gòu)面參數(shù)

圖1 現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查情況

圖2 赤平投影分析

3 邊坡改建方案討論

現(xiàn)狀邊坡坡腳設(shè)置有2 m 的碎落臺，邊坡第一、二階均采用8 m 護(hù)面墻防護(hù)，第三階采用1∶1.4放坡至坡頂。 為滿足加速車道的拓寬要求，在占用碎落臺并拆除邊坡護(hù)面墻后，還要向內(nèi)開挖邊坡約3.1 m。 若按原設(shè)計(jì)坡率及護(hù)面墻防護(hù)方案，需對邊坡進(jìn)行全斷面開挖，“削山皮”的施工方式不僅開挖土方量大、施工難度大，還要設(shè)置一個高大、堅(jiān)固的防護(hù)欄以保障施工期間道路通行車輛的安全。 綜合邊坡施工便利、可實(shí)施性等因素，初步確定邊坡改建方案為：拆除護(hù)面墻，按1∶0.1 開挖坡腳，以滿足拓寬要求。 根據(jù)赤平投影分析結(jié)論，開挖坡腳加大了第一階邊坡坡面傾角， 易發(fā)生楔形體滑移式崩塌，需要采取必要的加固措施。 本文結(jié)合數(shù)值分析方法，進(jìn)一步分析邊坡改建的穩(wěn)定性，并據(jù)此確定加固措施，以驗(yàn)證加固措施的可靠性。

4 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件對邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬計(jì)算，并選用強(qiáng)度折減法分析巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。 強(qiáng)度折減法計(jì)算巖質(zhì)邊坡的安全系數(shù)時，將坡體的初始黏結(jié)力c0和內(nèi)摩擦角φ0同時除以同一折減系數(shù)F，不斷增大折減系數(shù)F，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，反復(fù)循環(huán)直到坡體達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，對應(yīng)的折減系數(shù)F 為巖質(zhì)邊坡的安全系數(shù)。 此時的黏聚力和內(nèi)摩擦角為ccr和φcr，對應(yīng)的安全系數(shù)為Kcr=1，初始邊坡的安全系數(shù)可由公式（1）得到。

4.1 建立模型

邊坡計(jì)算模型采用2D 實(shí)體三節(jié)點(diǎn)三角形和四節(jié)點(diǎn)四邊形單元來模擬巖體，計(jì)算模型巖體材料采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則，并選用彈塑性模型，初始應(yīng)力場為自重應(yīng)力場。 本項(xiàng)目巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如下：容重γ 25.5 kN/m3、黏聚力c 1.6 MPa、內(nèi)摩擦角φ 50°，彈性模量E 15 GPa、泊松比μ 0.25。模型的邊界條件設(shè)置如下：左右邊界不允許水平位移，施加水平方向約束；底部采用鉸支約束豎直、橫向方向位移，其余各面均自由。 邊坡模型共計(jì)32 457 個單元，21 713 個節(jié)點(diǎn)。

4.2 邊坡數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

采用強(qiáng)度折減法計(jì)算得到邊坡改建前的安全系數(shù)為8.02。 邊坡拓寬開挖后，當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)為7.61 時，邊坡處于臨界破壞狀態(tài)。 從邊坡臨界狀態(tài)的最大剪切應(yīng)變增量云圖（圖3）上看，邊坡最大剪應(yīng)變增量的極值出現(xiàn)在邊坡坡腳，最大剪切應(yīng)變增量的集中帶從邊坡底部向頂部延伸，貫穿至邊坡坡頂，呈現(xiàn)圓弧狀，邊坡臨界狀態(tài)下發(fā)生整體圓弧剪切破壞。 邊坡整體穩(wěn)定性好，邊坡坡腳開挖拓寬后邊坡整體安全系數(shù)由8.02 降至7.61，表明邊坡開挖對整體穩(wěn)定性影響較小，邊坡穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

圖3 邊坡臨界狀態(tài)最大剪切應(yīng)變增量云圖（對數(shù)值）

從邊坡開挖后巖體總位移云圖及變形矢量圖（圖4）上看，邊坡開挖產(chǎn)生的巖體變形主要集中在開挖的第一、第二階淺表巖體，除此之外邊坡其他部位幾乎無變形，總體變形量較小，變形最大的位置位于第一階坡頂，最大變形量僅為0.47 mm；從邊坡開挖后的最大主應(yīng)力云圖（圖5）及最大剪切應(yīng)力云圖（圖6）上看，開挖后邊坡第一階及第二階淺部巖體存在應(yīng)力松弛，表明邊坡開挖產(chǎn)生的松弛張裂較難向深部擴(kuò)展，但坡腳應(yīng)力梯度加大，應(yīng)力松弛及應(yīng)力集中情況加??；從邊坡開挖后最大剪切應(yīng)變增量云圖（圖7）上看，邊坡最大剪切應(yīng)變集中在第一、二階的淺部巖體，由跛腳貫通至第二階平臺頂部，最大剪切應(yīng)變?yōu)?.468 8×10-4N。 綜上分析表明，邊坡開挖后的坡腳及第一、二節(jié)邊坡是本邊坡薄弱位置，需重點(diǎn)加強(qiáng)支護(hù)。

圖4 邊坡開挖后巖體總位移云圖及變形矢量圖

圖5 邊坡開挖后最大主應(yīng)力云圖

圖6 邊坡開挖后最大剪切應(yīng)力云圖

圖7 邊坡開挖后最大剪切應(yīng)變增量云圖

從邊坡開挖前、 開挖后的塑性區(qū)分布情況看（圖8、9）， 原邊坡的巖體塑性區(qū)主要分布在邊坡第一、二階淺部巖體，以拉破壞為主，由坡面向內(nèi)發(fā)展的深度約4～5 m，上下階塑性區(qū)相對獨(dú)立，未形成貫通。 原邊坡在第一、二階設(shè)置了護(hù)面墻，以防止局部巖體可能產(chǎn)生的塌落破壞。 邊坡改建擬開挖第一階坡腳，邊坡開挖后的塑性區(qū)在第一階平臺區(qū)域向內(nèi)、向上進(jìn)一步發(fā)展，使得邊坡第一、二階的塑性區(qū)聯(lián)系貫通。 這會使此處巖體的既有裂隙進(jìn)一步張裂、擴(kuò)展，在3 個主要裂隙面共同作用下，加大較大規(guī)模楔形體滑移式崩塌的風(fēng)險。 綜上分析，擬考慮在第一階增加預(yù)應(yīng)力錨桿框架以控制邊坡第一階塑性區(qū)的發(fā)展，減小淺部巖體松弛張裂。 第二階邊坡上半部分的塑性區(qū)在邊坡開挖后未發(fā)生明顯的發(fā)展，故僅考慮增加被動防護(hù)措施，以替代原護(hù)面墻的作用。 具體方案為：錨桿采用3 m×3 m 間距布置，長度15 m、間距3 m 布置，采用φ32 精軋螺紋鋼，設(shè)計(jì)拉力為400 kN，預(yù)加力為300 kN，錨桿外設(shè)置混凝土框架，在框架頂部增加2 m 鋼筋混凝土平臺，作碎落臺使用。

圖8 邊坡開挖前的塑性區(qū)分布

圖9 邊坡開挖后的塑性區(qū)分布

為驗(yàn)證預(yù)應(yīng)力錨桿加固措施的支護(hù)效果，在邊坡計(jì)算模型中增設(shè)錨桿，通過邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)、巖體位移、最大剪切應(yīng)變增量及塑性區(qū)等評估預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)效果[4-6]。 計(jì)算模型采用結(jié)構(gòu)單元cable模擬錨桿，賦予各個cable 單元參數(shù)信息，包括彈性模量、泊松比、漿體黏結(jié)力等；采用結(jié)構(gòu)單元beam模擬框架梁[7-9]。 具體框架梁及錨桿參數(shù)如表2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

通過強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性， 增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿后，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)增大至8.19。從邊坡施加錨桿后的巖體總位移云圖及變形矢量圖（圖10）上看，邊坡第一階的位移得到有效控制，巖體的最大位移由0.47 mm 降至0.29 mm，最大位移所在位置由第一階平臺處變?yōu)榈诙A平臺處。 從邊坡施加錨桿后最大剪切應(yīng)變增量云圖（圖11）上看，第一階邊坡最大剪切應(yīng)變降低約70%， 最大剪切應(yīng)變集中帶僅分布在第二階淺部巖體。 從邊坡施加錨桿后塑性區(qū)分布圖（圖12）上看，邊坡第一階的塑性區(qū)面積略有縮小， 邊坡第一階平臺后的巖體塑性區(qū)發(fā)展得到有效控制，邊坡第一、二階塑性區(qū)未形成貫通。上述分析表明在邊坡第一階增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿有效改善了邊坡坡腳應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)， 抑制了淺部巖體既有裂隙的擴(kuò)展，大幅降低了邊坡局部楔形體滑移式崩塌破壞的風(fēng)險。

圖10 邊坡施加錨桿后的巖體總位移云圖及變形矢量圖

圖11 邊坡施加錨桿后最大剪切應(yīng)變增量云圖

圖12 邊坡施加錨桿后塑性區(qū)分布圖

最終邊坡改建加固設(shè)計(jì)方案（圖13）確定為：拆除邊坡護(hù)面墻， 第一階邊坡按0∶0.1 坡率開挖并設(shè)置預(yù)應(yīng)力框架進(jìn)行支護(hù)， 其余基本保留現(xiàn)狀坡率；對于第二階邊坡， 拆除護(hù)面墻后清理坡面松動巖石，局部節(jié)理密集處掛柔性防護(hù)網(wǎng)；坡頂設(shè)置被動防護(hù)網(wǎng)，防止坡頂滾石掉落。

圖13 K0+585-K0+820 邊坡設(shè)計(jì)剖面

5 實(shí)施效果

本邊坡每間隔15～20 m 設(shè)置1 個監(jiān)測斷面，每個斷面在邊坡坡頂，重點(diǎn)在邊坡第一階、第二階平臺處設(shè)置了水平及沉降監(jiān)測點(diǎn)。 邊坡開挖先拆現(xiàn)狀第一、二階護(hù)面墻，再采用靜態(tài)裂解的方式進(jìn)行坡腳開挖，并施工預(yù)應(yīng)力錨桿框架。 邊坡施工全過程未發(fā)生巖體崩塌等不利情況。 從各監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果看，邊坡坡頂位移接近為0；第二階平臺頂水平位移在0.15～0.68 mm 之間，沉降在0.02～0.18 mm；第一階平臺頂水平位移多在0.16～1.4 mm，沉降在0.12～0.85 mm。 個別監(jiān)測點(diǎn)變化數(shù)值較大，經(jīng)現(xiàn)場查勘，判斷開挖機(jī)械破壞導(dǎo)致。

6 結(jié)語

以福州某快速路路塹巖質(zhì)邊坡改建設(shè)計(jì)為例，采用赤平投影定性分析、數(shù)值計(jì)算定量分析相結(jié)合的方法來評價邊坡開挖后的穩(wěn)定性、討論改建加固支護(hù)方案并確定邊坡重點(diǎn)加固部位，通過邊坡巖體位移、應(yīng)力應(yīng)變特征及塑性區(qū)分布等評價加固方案的支護(hù)效果，得到的主要結(jié)論如下：（1）硬質(zhì)巖路塹邊坡改擴(kuò)建的穩(wěn)定性可先采用赤平投影法定性分析，再結(jié)合數(shù)值模擬法定量分析。 對于本邊坡改擴(kuò)建來說，赤平投影法分析表明邊坡結(jié)構(gòu)面處于穩(wěn)定—較穩(wěn)定狀態(tài)；基于強(qiáng)度折減法的數(shù)值模擬分析表明邊坡開挖后的安全穩(wěn)定系數(shù)為7.61，坡腳開挖對邊坡整體穩(wěn)定性影響較小，邊坡改擴(kuò)建開挖后的整體穩(wěn)定性滿足使用要求。 （2）赤平投影分析顯示坡腳開挖加大了坡面傾角，易引發(fā)楔形體滑移式崩塌；數(shù)值模擬揭示開挖坡腳后邊坡巖體變形、剪切應(yīng)變及塑性區(qū)等主要集中坡腳淺部巖體，邊坡坡腳應(yīng)是本邊坡改擴(kuò)建重點(diǎn)加固的部位。 數(shù)值計(jì)算及監(jiān)測結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力錨桿有效控制了淺部巖體松弛張裂的發(fā)展，大大降低了邊坡下部楔形體滑移崩塌的風(fēng)險。 （3）硬質(zhì)巖路塹邊坡采用坡腳開挖并施加預(yù)應(yīng)力錨桿（索）進(jìn)行加固的改擴(kuò)建方案，有效保證了改建后巖質(zhì)邊坡的安全穩(wěn)定，節(jié)約了造價，分析思路及工程經(jīng)驗(yàn)可為類似工程提供借鑒。