分級開挖含泥化夾層的層狀斜坡穩定性影響研究

中圖分類號：U416.1文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.003

文章編號：1673-4874（2025）01-0009-04

0 引言

我國是一個多山國家，山區面積在我國國土總面積的占比 gt;30% ，在山區修建高速公路時，不可避免地需要進行大量邊坡工程建設，比較典型的邊坡工程為路塹邊坡的開挖及支護。由于山區地形及工程地質條件十分復雜，其中夾層和巖體破碎化是導致山區工程地質條件復雜的主要原因之一，軟弱夾層的存在是邊坡失穩的一大誘因。因此，研究含軟弱夾層邊坡的穩定性對指導路塹邊坡開挖及支護設計具有重要參考價值。

目前對含軟弱夾層邊坡穩定性及支護方法的研究已取得了較多成果。李天降1依托某含軟弱夾層的路塹順層邊坡工程，通過室內試驗研究了夾層土的力學特性，然后通過Geostudio軟件進行數值模擬，研究了不同開挖坡率工況下邊坡的穩定性。穆成林等依托黔西地區某高邊坡開挖工程，搭建了含多層軟弱夾層的高邊坡物理模型，進行了不同開挖工況下的物理模型試驗，分析了邊坡在開挖條件下的變形破壞模式，研究了含多層軟弱夾層的高邊坡在開挖條件下的破壞機理。王川等3將裂隙擴展判別方法通過二次開發應用于數值模擬中，并建立了某裂隙巖體邊坡的數值模型，模擬了分級開挖工況下邊坡劣化及失穩過程。盧超波等[4]依托某鈣質頁巖順層路塹邊坡工程，利用數值模擬方法分析了分級開挖后邊坡局部滑塌的原因。王杜等5通過ANSYS-FLAC3D耦合方法，研究了含軟弱夾層路塹邊坡開挖過程中的穩定性，發現隨著邊坡開挖深度的增加，邊坡及軟弱夾層的變形均明顯增大，邊坡穩定性降低。劉洪瑜等依托云南某緩傾紅層邊坡開挖實際工程，建立有限元數值模型，分析了開挖高度、開挖進尺和開挖角度對邊坡穩定性的影響。陳夢發等依托西南地區某鐵路路塹軟巖邊坡工程，通過現場監測及FLAC3D軟件的數值模擬方法，分析了不同開挖階段及開挖完成后邊坡的變形特征。曾錦秀利用FLAC3D軟件建立路塹邊坡模型，模擬邊坡分級開挖及支護過程，研究了不同支護方法對邊坡加固的效果，確定了土釘墻 + 預應力錨索為最優支護方案。

本文依托某含多層泥化夾層的順層巖質邊坡路塹開挖工程，對泥化夾層進行了物理特性試驗和原位剪切試驗，獲得了泥化夾層的物理力學參數，并依據實際工點通過FLAC3D軟件建立含多層泥化夾層的順層巖質邊坡數值模型，分析了開挖后不支護和開挖后支護兩種工況下邊坡開挖過程中的穩定性，并對邊坡的支護方案進行了優化設計。

1泥化夾層的物理力學特性

泥化夾層與普通軟弱夾層相比，具有厚度更小、強度更低等特點，對邊坡穩定性的影響更大。

本節依托某含多層泥化夾層的順層巖質邊坡開挖工程，對邊坡泥化夾層的分布及物理力學特性進行分析。泥化夾層在該邊坡巖體內呈平行分布的特點，傾角為 ，間距為 ，厚度為 0

1.1泥化夾層的物理特性

泥化夾層的顆粒級配是控制其強度、變形和泥化程度的重要因素，通過篩析法和密度計法測得該邊坡泥化夾層的顆粒級配曲線，如圖1所示。

由圖1可知，泥化夾層的礫粒（ dgt;2m m 、砂粒 、粉粒 和黏粒（ 所占比例分別為0.985% 、8. 106% 、 13.778% 、77. 131% ，表明泥化夾層的顆粒組成以黏粒為主，泥化程度較高。

通過液塑限聯合測定法、比重瓶法、環刀法、烘干法得到泥化夾層的液限、塑限、比重、干密度和含水率，如表1所示。

1.2 泥化夾層的剪切特性

泥化夾層抗剪強度參數對邊坡穩定性分析起到至關重要的作用。由于泥化夾層取樣難度較大，且取樣擾動對泥化夾層的力學特性會產生較大影響，因此考慮采用原位剪切試驗獲取泥化夾層的抗剪強度參數。選取不同深度的兩個點位 ， $B（1.1＼mathfrak{m}）$ 分別進行自然狀態和浸水狀態的原位剪切試驗，并基于“摩爾一庫侖\"強度準則，對試驗結果進行線性擬合，得到泥化夾層原位剪切試驗結果如圖2和表2所示。

由圖2和表2可知，自然狀態下，泥巖夾層的黏聚力平均值為 26.918kPa ，內摩擦角平均值為 ；而在浸水狀態下，泥巖夾層的黏聚力平均值為 ，相較于自然狀態下衰減了 49.22% ，內摩擦角平均值為 ，相較于自然狀態下衰減了25. 63% ，表明泥巖夾層浸水后發生軟化，抗剪能力發生明顯劣化。

2數值模型的建立

為研究含多層泥化夾層的順層巖質邊坡在開挖過程中的穩定性，選取靠近邊坡中軸線的典型斷面，利用FLAC3D軟件建立數值模型，模擬開挖過程中邊坡的變形及穩定性。通過地質勘察可知，邊坡的地層巖性組成包括紅黏土、強風化粉砂巖、泥化夾層、中風化粉砂巖，泥化夾層呈平行分布的特點，傾角為 ，間距約為 2m ，厚度為 。根據《公路路基設計規范》（JTGD30—2015）的相關規定，對于挖方路基邊坡，應采用分級開挖支護的方式進行施工設計。該邊坡坡高 ，分四級開挖，其中一級邊坡和二級邊坡的開挖坡率為 1：0.5 ，三級邊坡的開挖坡率為 1：0.75 ，四級邊坡的開挖坡率為 1：1 相鄰兩級邊坡之間設置一個寬2m的平臺，一級邊坡采用錨桿框格梁支護，錨桿間距為 3m ，采用全黏結錨桿，錨桿長度為 ，傾角為 ；二、三、四級邊坡采用預應力錨索框格梁支護，錨索間距為 3m ，錨索長度為 ，傾角為 ，錨固段長度為 ，預應力值為 300k N

建立數值模型時，在保證符合工程實際情況的基礎上可對模型進行簡化，同時為削弱邊界效應對計算結果的影響，對模型的計算范圍適當放大。模型的邊界條件設置為：在模型底部設置水平方向和豎直方向的約束，限制其水平和豎直方向的位移，在模型前后左右4個邊界設置水平方向的約束，限制其水平位移，模型頂面為自由邊界，計算模型如圖3所示。計算模型中巖土體本構模型采用摩爾一庫侖模型，支護結構的本構模型采用彈塑性模型，巖土體模型參數取值如表3、表4所示。

本文擬設置兩種不同的計算工況：（1）開挖后不支護；（2）每級邊坡開挖后立即支護。研究開挖擾動對含多層泥化夾層的順層巖質邊坡穩定性的影響。

3數值計算結果

3.1開挖后不支護工況下邊坡的穩定性

根據開挖后不支護工況下的數值計算結果，提取不同開挖階段邊坡坡表不同高度的水平位移數據，如圖4所示。

由圖4可知，邊坡在未開挖條件下，邊坡開挖面位置的水平位移為 ，表明在自重作用下，邊坡的水平位移有向 X 負方向發展的趨勢，邊坡整體較為穩定。當開挖三級、四級邊坡時，邊坡開挖面的水平位移出現小幅增大，泥化夾層未被揭露，泥化夾層對邊坡穩定性的影響較小，邊坡沿泥化夾層的下滑趨勢被坡前巖土體提供的抗滑力抵消，邊坡呈現整體穩定的狀態。當三級邊坡開挖后，開挖面的最大水平位移出現在二級邊坡開挖面處，原因可能為邊坡上部巖體卸荷導致邊坡下部發生向外鼓脹變形的趨勢。當開挖二級邊坡后，邊坡開挖面位置的水平位移明顯增大，最大水平位移為 ，泥化夾層在二級邊坡的開挖面上部分出露，導致出露的泥化夾層以上的巖土體產生沿出露的泥化夾層下滑的趨勢，邊坡開挖導致邊坡穩定性明顯降低，邊坡整體產生向臨空面的水平位移。當開挖一級邊坡后，開挖面位置大量泥化夾層被揭露，因開挖導致坡前巖土體提供的抗滑力大幅減小，邊坡沿泥化夾層朝向臨空面產生較大的水平位移，邊坡整體失穩。綜上，對含多層泥化夾層的順層巖質邊坡進行開挖時，在不進行支護的條件下，會導致邊坡穩定性降低，泥化夾層的揭露會大大提升邊坡穩定性的劣化程度，二者共同作用，最終導致邊坡整體失穩。

3.2開挖后支護工況下邊坡的穩定性

根據開挖后支護工況下的數值計算結果，提取不同開挖階段邊坡坡表不同高度的水平位移數據，如圖5所示。

由圖5可知，在考慮分級支護的條件下，當開挖三級、四級邊坡時，邊坡開挖面的水平位移較小，且在三級、四級邊坡開挖面位置，邊坡表面出現較大的朝向 X 負方向的水平位移，這是因為框格梁在預應力錨索的預應力作用下，向開挖面施加與臨空方向相反的壓力，使得邊坡穩定性明顯提高。在開挖一級、二級邊坡后，邊坡開挖面雖然也出現了明顯的水平位移，邊坡穩定性出現明顯降低，但在支護結構作用下，邊坡整體仍保持穩定狀態，預應力錨索框格梁代替原有的坡前巖土體發揮了抵抗邊坡沿泥化夾層朝向臨空面位移的趨勢。

3.3不同工況下的邊坡穩定性對比分析

為進一步對比兩種不同計算工況下的邊坡穩定性，提取不同開挖階段的邊坡沿 X 正方向的最大水平位移繪制不同開挖階段開挖面沿 X 正方向的最大水平位移曲線，如圖6所示。通過有限差分強度折減法計算不同開挖階段邊坡的安全系數，繪制不同開挖階段邊坡安全系數變化曲線，如圖7所示。

由圖6和圖7可知，開挖三級、四級邊坡時，開挖后不支護和開挖后支護兩個工況下邊坡開挖面水平位移和邊坡安全系數變化基本一致，開挖面水平位移較小，邊坡穩定性較高，在開挖四級邊坡后，無論是否支護，邊坡的安全系數均有小幅提升。當開挖一級、二級邊坡后，兩個工況下的邊坡開挖面水平位移均快速增大，安全系數均明顯降低。在一級邊坡開挖完成后，開挖后不支護工況下邊坡開挖面的最大水平位移達到 108.5m m ，安全系數為0.8，判定邊坡發生失穩；開挖后支護工況下邊坡開挖面的最大水平位移為33.5mm，安全系數為1.1，邊坡整體為穩定狀態，說明分級支護對于邊坡開挖過程的穩定性起到至關重要的作用。

4開挖邊坡支護結構優化研究

根據前文的計算結果可知，錨索框格梁支護對提高含多層泥化夾層的順層巖質邊坡開挖過程中的穩定性有明顯效果，但按照初步支護設計方案進行計算后發現，開挖后邊坡雖仍為穩定狀態，但安全系數僅為1.1，缺少足夠的安全儲備。因此，為進一步探究支護結構主要設計參數對支護效果的影響，對初步支護設計方案進行優化。本節利用FLAC3D軟件進行數值計算，采用控制變量法設計計算工況，研究錨索間距、錨索長度、錨索預應力對開挖邊坡支護效果的影響，具體計算工況及計算結果如表5所示。

由表5可知，開挖后的邊坡安全系數隨錨索間距的增大逐漸減小、隨錨索長度的增大逐漸增大、隨錨索預應力的增大逐漸增大。其中，錨索長度對邊坡安全系數的影響較大，而錨索預應力 gt; 300kN后，對邊坡穩定性的提升較小。綜合計算結果，選取錨索間距3.0m、錨索長度 、錨索預應力300KN為最優方案，并擬采用該方案對該邊坡進行支護設計。

5結語

（1）泥化夾層的級配良好，其顆粒組成以黏粒為主，泥化程度較高，泥化夾層在浸水后發生軟化，抗剪能力發生明顯劣化。

（2）對含多層泥化夾層的順層巖質邊坡進行開挖時，在不進行支護的條件下，開挖會導致邊坡穩定性降低，泥化夾層的揭露會大大提升邊坡穩定性的劣化程度，二者共同作用，最終導致邊坡整體失穩。

（3）在考慮分級支護的條件下，預應力錨索框格梁代替原有的坡前巖土體發揮了抵抗邊坡沿泥化夾層朝向臨空面位移的趨勢，大大提高了邊坡開挖過程中的穩定性。

（4）開挖后的邊坡安全系數隨錨索間距的增大逐漸減小、隨錨索長度的增大逐漸增大、隨錨索預應力的增大逐漸增大，選取錨索間距3. 錨索長度 錨索預應力300KN為最優方案，并擬采用該方案對該邊坡進行支護設計。

參考文獻

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