某公路高邊坡不同開挖方式穩定性分析

摘要：文章結合某公路邊坡實例，通過現場大剪試驗獲取巖土體力學參數，使用數值模擬方法分析不同開挖方式以及爆破開挖擾動情況下的邊坡穩定性情況。結果表明：邊坡安全系數隨著坡比的減小而增大，隨著開挖級數的增多而增大，隨著臺階寬度的增大而增大;爆破開挖會造成邊坡安全系數在瞬間低于規范要求，但邊坡整體穩定性仍較好;在邊坡開挖過程中應盡量降低邊坡開挖坡度、提高臺階高度并嚴格控制炸藥用量。

關鍵詞：高邊坡;開挖方式;爆破;數值模擬

中圖分類號：U416.1+4 文獻標識碼：A

DOI： 10.1 3282/j. cnki. wccst. 201 9. 12. 012

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0041 - 03

0 引言

隨著國家公路建設的快速發展，高陡地形區域修建公路越來越常見。在這些區域進行公路建設時，往往需要對天然斜坡進行開挖，形成人工高邊坡。人類工程活動對天然邊坡的擾動必然會造成邊坡穩定性發生變化，因此，針對這方面的研究是非常必要的。穆成林等[1]考慮巖體結構特征對邊坡穩定性的影響，采用未確知測度方法對開挖邊坡穩定性進行評價。劉爽等[2]以損傷理論為基礎，在分析邊坡開挖卸荷的過程中充分考慮了巖體材料的非均勻性。習朝輝等嘲使用物理模型試驗，分析順層邊坡開挖變形過程，采用數學擬合方法獲取邊坡開挖破壞范圍與巖體傾角等因素的關系。目前，在高邊坡的研究中較為常用的方法包括：數值模擬[4-5]、物理模擬[6-7]、理論分析[8-9]等。本文在前人研究的基礎上，對某公路邊坡開挖穩定性進行分析。

1 邊坡工程地質條件

該邊坡位于我國西南山區，巖性主要為白云質灰巖，地質構造活動較為強烈。根據現場調查，邊坡內巖體層面產狀為25～35°∠30～40°，存在兩組主要的結構面，產狀為160～175°∠60～70°、270 --295°∠65～75°。區域內白云質灰巖層厚為2.0～3.0m，局部夾有強度較低的泥質夾層，厚度為2～3 cm，是控制邊坡穩定性的主要結構面。此次開挖邊坡坡高為25 m。

2 現場大剪試驗巖體強度參數的確定

通過現場大剪試驗獲取巖土體強度參數為邊坡穩定性計算提供參數依據。現場大剪試驗結構破壞面多呈起伏狀。根據剪切試驗結果，剪切破壞面多發生于泥質夾層中，該層強度較低，由大剪結果可知泥質夾層的粘聚力C值為19.2 kPa，內摩擦角φ值為13.6°，而白云質灰巖的粘聚力C值為92.6 kPa，內摩擦角∞值為32.3。。

3 開挖邊坡穩定性分析

3.1 不同開挖方案邊坡穩定性分析

3.1.1 開挖坡比對邊坡穩定性的影響

坡比是邊坡開挖過程中的一個重要參數，對開挖邊坡的穩定性具有重要的影響。為了研究開挖坡比的影響，采用一坡到底的開挖方式，建立4組數值模擬模型，坡比分別為1：0.5、1：1.0、1：1.5、1：2.O。各方案邊坡數值模擬計算結果見圖1。從圖1可知，隨著坡比的減小，坡體內部剪應力分布也逐漸變化，有效降低了坡腳部位的剪應力集中，這對于控制開挖邊坡的穩定性是十分重要的。坡比與安全系數統計結果見表1。從表1可知，隨著坡比的減小，開挖邊坡的安全系數逐漸降低。

3.1.2 開挖級數對邊坡穩定性的影響

為了研究不同開挖級數對高邊坡穩定性的影響，建立兩組數值模擬模型，開挖坡比均為1：1.5，其中一組采用一坡到底的開挖方式（一級開挖）;另一組采用兩級開挖的方式，中間臺階寬度為3.Om。兩組試驗方案數值模擬結果見圖2。從圖2可知，兩組開挖方式下，邊坡發生塑性變形的位置集中于坡頂與二級邊坡的臺階處，當采用一坡到底的開挖方式時，整個斜坡均處于較大的變形區域內，而設置臺階后，塑性變形區域面積與一坡到底相比減小了約18. 96 m2。由此可見，采用兩級開挖中間設置臺階的方式，有利于開挖坡體內部應力的優化調整，有利于開挖邊坡的整體穩定。

同時，邊坡巖體結構面較為發育表面存在較大的細小巖體顆粒，采用兩級開挖中間設置平臺的方式，可以作為緩沖平臺降低巖體碎塊的沖擊力，有效保障下方公路的安全，工程效益較為顯著。

3.1.3 不同臺階寬度對邊坡穩定性的影響

根據工程經驗，在邊坡開挖過程中臺階寬度一般在2～5 m之間。根據本工程的邊坡特點，設置4組數值模擬模型，臺階寬度分別為2.Om、3.5 m、5.Om和7.0 m，坡比依然為1：1. 50。不同臺階寬度所需要的開挖工程量和安全系數計算結果見表2。從表2可知，隨著臺階寬度的增大，邊坡安全系數越高，最大位移越小，但同時邊坡的開挖方量也越大，將會導致工程總投資明顯提升。臺階寬度與最大位移和安全系數關系曲線見圖3，當臺階寬度<5.Om時，隨著臺階寬度的增加，安全系數增大速率和最大位移減小速率較大;當寬度>5.0 m時，安全系數增大速率和最大位移減小速率均有所降低。

3.2 爆破開挖作用下邊坡響應研究

巖質邊坡強度較高，僅僅依靠人力或者機械難以直接對其進行開挖，因此，需要借助炸藥破碎巖體，從而降低巖質邊坡的開挖難度。

3.2.1 爆破荷載分析

使用加速度表示開挖施工過程中的炸藥爆破荷載，設加速度時間為1.6s，最大加速度為9.67 m/s，計算模擬第1級邊坡開挖施工。在數值模擬過程中，爆破荷載加載時間為2 ms，衰弱時間為4 ms，荷載作用曲線見圖4。

3.2.2 爆破荷載作用下開挖邊坡安全系數

設計開挖斷面采用兩級開挖，臺階寬度為3.Om，爆破位置位于第一級邊坡處，數值模擬計算得到的安全系數與時間關系曲線見圖5。從圖5可知，在全過程中，邊坡的平均安全系數Fs取值為1.254，大于規范規定的1. 20的要求，但安全系數在隨時間的變化過程中變化幅度較大，其中最大安全系數為2. 85，最小安全系數僅為0. 53，這表明在爆破開挖過程中，斜坡并非一直處于安全系數較高的狀態。

邊坡安全系數隨著開挖擾動處于一個動態變化的過程中，在一段時間內安全系數>1. 20，這時邊坡處于穩定性較好的狀態;另一部分時間邊坡安全系數<1. 20，此時邊坡穩定性狀態較差，極有可能發生破壞，從而對施工人員的安全以及工程進度造成影響。安全系數在瞬時小于規范要求時，邊坡一般情況下并不會發生大規模的破壞，通常僅出現小規模的破壞。

通過分析爆破開挖擾動形成的塑性區范圍可知，爆破擾動范圍較小，均位于爆破發生的一級邊坡內，并不影響邊坡的整體穩定性。因此，在爆破開挖過程中嚴格控制炸藥用量是十分重要的。

4 結語

（1）影響邊坡開挖穩定性的因素眾多。本文結合某公路邊坡實例，建立不同開挖數值模擬模型，邊坡安全系數隨著坡比的減小、臺階寬度的增大和開挖級數的增多而增大。

（2）爆破開挖會造成邊坡整體安全系數在瞬間低于規范要求，但邊坡整體穩定性較好，爆破影響范圍較小。

（3）針對巖質邊坡開挖時，應盡量選擇小坡比、大臺階寬度以及多級數的開挖方式，同時應嚴格控制爆破開挖時的炸藥用量。

參考文獻

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作者簡介：馬家明（1967-），工程師，從事公路與橋梁工程建設工作。