典型路塹高邊坡開(kāi)挖變形機(jī)制及應(yīng)對(duì)措施研究

任東偉，李 波，曾亮亮，郭 斌，張 朔

(1.云南省交投公路建設(shè)第五工程有限公司，云南 昆明 650200；2.云南鎮(zhèn)清高速公路建設(shè)指揮部，云南 臨滄 677000；3.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

隨著我國(guó)西南區(qū)域高速公路網(wǎng)“五縱五橫一邊兩環(huán)二十聯(lián)”規(guī)劃布局的提出，西南區(qū)域的高速公路建設(shè)進(jìn)入了飛速發(fā)展階段，但實(shí)際工程中，由于工程地質(zhì)復(fù)雜、多山體、高海拔等因素的掣肘，許多路段需要通過(guò)開(kāi)挖高陡路塹邊坡實(shí)現(xiàn)，而高陡路塹邊坡開(kāi)挖變形及支護(hù)對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響[1-6]。目前高陡路塹邊坡設(shè)計(jì)只是通過(guò)簡(jiǎn)單的極限平衡方法對(duì)已成型的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，且施工多憑經(jīng)驗(yàn)，往往忽視了在開(kāi)挖過(guò)程中邊坡的變形破壞過(guò)程[7-9]，多數(shù)情況下都是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題，存在一定的危險(xiǎn)性且影響工期，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此，對(duì)于典型路塹邊坡開(kāi)挖變形破壞機(jī)制的研究以及在施工過(guò)程中如何保證路塹高邊坡的穩(wěn)定性是工程中亟需解決的技術(shù)難題[10-15]。

為了研究典型路塹高邊坡開(kāi)挖變形破壞機(jī)制及應(yīng)對(duì)措施，本文以鎮(zhèn)康至耿馬高速公路回龍寨服務(wù)區(qū)路塹深挖高邊坡為研究對(duì)象，采用大型商用軟件FLAC3D數(shù)值模擬等方法，研究開(kāi)挖所造成的典型路塹高邊坡變形破壞過(guò)程，并通過(guò)施做加固措施研究其對(duì)高邊坡變形破壞的干預(yù)作用。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

鎮(zhèn)康(南傘)至耿馬(清水河)高速公路(簡(jiǎn)稱(chēng)鎮(zhèn)清高速公路)回龍寨服務(wù)區(qū)地處剝蝕溶蝕中山丘陵緩坡地貌，植被稀疏，地形較緩，植被茂盛，主要以甘蔗、灌木叢為主。上覆殘坡積黏土、粉質(zhì)黏土。未見(jiàn)基巖出露，周邊未見(jiàn)崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象。路塹深挖高邊坡位于鎮(zhèn)清高速K9+700.000—K9+992.931左側(cè)，挖方長(zhǎng)度約136.58 m，中線最大挖深為52.07 m，形成邊坡最大高度約129.78 m。

K9+700.000左側(cè)深挖路塹邊坡為7級(jí)高邊坡，坡高約68 m，其中七級(jí)坡至五級(jí)坡的坡率為1∶1.00，四級(jí)坡和三級(jí)坡坡率為1∶0.75，二級(jí)坡和一級(jí)坡坡率為1∶0.50，從上至下依次開(kāi)挖。K9+700.000左側(cè)深挖路塹邊坡防護(hù)橫斷面圖詳見(jiàn)圖1。

圖1 左側(cè)深挖路塹邊坡防護(hù)橫斷面圖

根據(jù)勘察設(shè)計(jì)資料確定各級(jí)邊坡土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，詳見(jiàn)表1。

表1 各次級(jí)邊坡巖土力學(xué)參數(shù)表

1.2 工程現(xiàn)狀及潛在安全問(wèn)題

K9+700.000左側(cè)第五級(jí)邊坡于2019年2月開(kāi)挖，在第五級(jí)邊坡防護(hù)時(shí)，坡頂甘蔗地清理后，發(fā)現(xiàn)4條裂縫，裂縫寬度分別約為15 cm、10 cm、10 cm、5 cm，裂縫長(zhǎng)度分別約為70 m、65 m、50 m、25 m。坡頂后方45 m處存在220 kV高壓輸電塔，若邊坡處理不當(dāng)將威脅高壓鐵塔穩(wěn)定性。坡頂構(gòu)筑物及坡體現(xiàn)狀見(jiàn)圖2。

2 路塹高邊坡開(kāi)挖變形破壞機(jī)制

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

為探討開(kāi)挖過(guò)程中路塹高邊坡變形破壞機(jī)制以

圖2 坡頂構(gòu)筑物與坡體現(xiàn)狀

及應(yīng)對(duì)措施的有效性，在開(kāi)挖設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上建立三維有限差分計(jì)算模型，采用大型商業(yè)軟件FLAC3D仿真模擬高邊坡開(kāi)挖以及錨索體加固。計(jì)算模型如圖3所示，模型邊界范圍為：模型坡腳至右邊界的距離為15.0 m，坡頂至左邊界的距離為46.0 m，模型高度為88.5 m，其中邊坡高度為68.0 m，坡底至模型底部的高度為20.5 m，模型寬度為4 m。模型采用六面體網(wǎng)格劃分，考慮模型計(jì)算效率及精度，保證最大網(wǎng)格尺寸為2.0 m，共計(jì)30 528個(gè)單元以及39 075個(gè)節(jié)點(diǎn)。本構(gòu)模型選取理想彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則為摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。邊界條件為兩側(cè)施加法向約束，底部施加固定約束。邊坡材料參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖3 計(jì)算模型示意圖

2.2 實(shí)際開(kāi)挖方案及開(kāi)挖過(guò)程數(shù)值模擬

鎮(zhèn)清高速K9+700.000左側(cè)深挖路塹高邊坡從上到下依次采用臺(tái)階式放坡開(kāi)挖，每10 m設(shè)置一臺(tái)階寬度為2 m的臺(tái)階平臺(tái)。其中第七級(jí)邊坡坡高約8 m，開(kāi)挖后采用4束公稱(chēng)直徑為15.2 mm的單根長(zhǎng)25 m錨索框格梁防護(hù)。第六級(jí)坡坡高10 m，開(kāi)挖后采用 4束15.2型單根長(zhǎng)25 m錨索框格梁防護(hù)。第五級(jí)坡坡高10 m，開(kāi)挖完成后進(jìn)行邊坡防護(hù)時(shí)發(fā)現(xiàn)4條裂縫，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)進(jìn)行了停工和坡腳反壓措施，裂縫已采取注漿密封和薄膜覆蓋防水，且第六級(jí)第五級(jí)已加強(qiáng)，每條豎梁中間增加一根6束15.2型單根長(zhǎng)42 m錨索。為更好的模擬實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程分析,邊坡開(kāi)挖變形機(jī)制以及為后續(xù)開(kāi)挖工作提供安全保障，本文首先在FLAC3D中定義本構(gòu)關(guān)系，并賦予各層邊坡巖土體材料性質(zhì)，經(jīng)初始地應(yīng)力平衡檢查模型的響應(yīng)特征后通過(guò)移除相應(yīng)坡層的單元體模擬實(shí)際邊坡開(kāi)挖卸荷過(guò)程并進(jìn)行求解，并在數(shù)值模擬中建立Cable單元模擬預(yù)應(yīng)力錨索施加過(guò)程，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)錨索自由段及錨固段賦予參數(shù)并施加預(yù)應(yīng)力。

2.3 數(shù)值模擬開(kāi)挖計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 塑性區(qū)分析

利用FLAC3D模擬邊坡開(kāi)挖過(guò)程，根據(jù)對(duì)路塹高邊坡開(kāi)挖過(guò)程中不同開(kāi)挖步對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)變化情況分析，七級(jí)坡和六級(jí)坡在開(kāi)挖過(guò)程中，塑性區(qū)以剪切塑性區(qū)為主，其范圍主要集中于坡腳及坡面位置并向坡面一定深度內(nèi)延伸。六級(jí)坡開(kāi)挖完成后，坡腳處臨空面出現(xiàn)一定范圍張拉破壞單元，考慮是坡體開(kāi)挖卸荷后引起的土體回彈所造成。隨著邊坡開(kāi)挖深度的加大，坡腳處巖體的支撐作用被逐漸弱化，剪切塑性區(qū)不斷發(fā)育并形成貫通區(qū)，二級(jí)坡開(kāi)挖完成后，近坡面的淺層剪切塑性區(qū)與坡頂處的拉張塑性區(qū)已完全貫通，坡頂出現(xiàn)張拉塑性區(qū)，說(shuō)明坡頂一定范圍內(nèi)出現(xiàn)張拉作用。一級(jí)坡開(kāi)挖完成后，剪切塑性區(qū)從二級(jí)邊坡坡腳處至坡頂處的張拉塑性區(qū)貫通，并貫穿坡體形成連通區(qū)域，形成貫通的滑裂面。一級(jí)坡在坡腳處剪切塑性區(qū)增加，邊坡將發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2.3.2 應(yīng)力應(yīng)變分析

圖4為開(kāi)挖過(guò)程中不同開(kāi)挖步對(duì)應(yīng)的最大剪應(yīng)變分布變化情況。從最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D可以看出，開(kāi)挖卸荷導(dǎo)致每一級(jí)邊坡開(kāi)挖后均在坡腳位置出現(xiàn)剪應(yīng)變集中。根據(jù)云圖結(jié)果顯示，七級(jí)坡開(kāi)挖完成后最大剪應(yīng)變?cè)隽繛?.545 2×10-4，主要集中在七級(jí)坡腳位置。六級(jí)坡開(kāi)挖完成后最大剪應(yīng)變?cè)隽繛?.153 9×10-3，主要集中在六、七級(jí)坡腳并向六級(jí)坡腳下部延伸。從五級(jí)坡開(kāi)挖開(kāi)始，剪應(yīng)變集中區(qū)域逐漸擴(kuò)大，并逐漸向坡體上部延伸形成剪切面，最大剪應(yīng)變?cè)隽繛?.267 3×10-3。第一級(jí)坡開(kāi)挖完成后，出現(xiàn)4個(gè)潛在剪切滑動(dòng)面，最大剪應(yīng)變?cè)隽繛?.701 8×10-3。剪入口位于在坡頂后方13 m～26 m處，剪出口分別位于五級(jí)坡、四級(jí)坡、三級(jí)坡、二級(jí)坡坡腳處，滑裂面深度在6 m～20 m范圍內(nèi)。剪切滑動(dòng)面的發(fā)育過(guò)程表現(xiàn)為首先從各次級(jí)邊坡坡腳處產(chǎn)生剪切變形，隨著開(kāi)挖深度的加大，剪切變形逐漸向坡頂以及坡體內(nèi)延伸擴(kuò)展，在下部開(kāi)挖卸荷完成后，各次級(jí)坡剪切變形形成連通區(qū)域，并貫穿坡體。

2.3.3 變形分析

通過(guò)數(shù)值模擬邊坡開(kāi)挖位移場(chǎng)變化可以直觀了解開(kāi)挖過(guò)程中邊坡的變形過(guò)程。圖5為開(kāi)挖過(guò)程中不同開(kāi)挖步對(duì)應(yīng)的最大水平位移變化情況。

從最大水平位移云圖可以看出，在開(kāi)挖各級(jí)邊坡時(shí)，坡腳處的水平位移相較于坡體其他位置來(lái)說(shuō)位移最大。根據(jù)云圖結(jié)果顯示，七級(jí)坡開(kāi)挖完成后最大水平位移為0.46 mm，最大水平位移主要集中在七級(jí)坡坡腳處。六級(jí)坡開(kāi)挖完成后最大水平位移為0.75 mm，最大水平位移主要集中在六級(jí)坡腳以及坡體內(nèi)部。五級(jí)坡開(kāi)挖完成后最大水平位移為2.27 mm，最大水平位移集中在五級(jí)坡腳處。四級(jí)坡開(kāi)挖完成后最大水平位移為3.52 mm，最大水平位移集中在五級(jí)坡坡面附近。三級(jí)坡開(kāi)挖完成后最大水平位移為4.48 mm，最大水平位移集中在四級(jí)坡及五級(jí)坡位置。在開(kāi)挖完成后，水平位移主要集中在近坡面區(qū)域，且和內(nèi)部區(qū)域有明顯的分界面，其分界面同塑性區(qū)和應(yīng)變集中區(qū)一致。最大水平位移區(qū)域主要集中在四級(jí)坡和五級(jí)坡，最大水平位移為36.53 mm。隨著開(kāi)挖深度的增大，邊坡最大水平位移從0.46 mm增加至36.50 mm。

圖4 最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D揭示的邊坡變形破壞機(jī)制

圖5 水平位移云圖揭示的邊坡變形破壞機(jī)制

3 邊坡加固建議

為避免直接開(kāi)挖導(dǎo)致路塹高邊坡失穩(wěn)破壞，本文根據(jù)上述高陡邊坡開(kāi)挖變形破壞機(jī)制分析，在原設(shè)計(jì)加固方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用框格梁+預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)方法可以有效控制邊坡變形并提高邊坡穩(wěn)定性。

結(jié)合工程實(shí)際，選擇采用4種不同類(lèi)型的錨索，分別編號(hào)為L(zhǎng)1、L2、L3、L4，其中L1為10束15.2型單根長(zhǎng)35 m錨索，L2為10束15.2型單根長(zhǎng)42 m錨索，L3為4束15.2型單根長(zhǎng)25 m錨索，L4為6束15.2型單根長(zhǎng)25 m錨索。錨索入射角θ=20°，格梁規(guī)格50 cm×50 cm，錨索水平及豎向間距均為3.0 m。錨索參數(shù)見(jiàn)表2，計(jì)算模型見(jiàn)圖6。

為探討加固措施優(yōu)化的有效性，經(jīng)商用軟件計(jì)算分別對(duì)加固前和加固后的塑性區(qū)、應(yīng)力應(yīng)變以及邊坡變形的情況進(jìn)行對(duì)比分析。

在塑性區(qū)方面，圖7為坡體全部開(kāi)挖完成后未施加錨索和施加錨索的塑性區(qū)對(duì)比圖，從圖7中可以看出，施加預(yù)應(yīng)力錨索框格梁可以有效減少開(kāi)挖對(duì)坡體內(nèi)部的擾動(dòng)，剪切塑性區(qū)范圍大幅減小，僅在近坡面附近一定深度內(nèi)產(chǎn)生塑性變形區(qū)。

表2 錨索參數(shù)設(shè)置一覽表

圖6 預(yù)應(yīng)力錨索格梁邊坡加固模型

圖7 開(kāi)挖后塑性區(qū)云圖對(duì)比

在應(yīng)力應(yīng)變方面，圖8為坡體全部開(kāi)挖完成后未施加加固措施和施加加固措施的最大剪應(yīng)變?cè)隽繉?duì)比圖，邊坡加固后的最大剪應(yīng)變?cè)隽坑?.7×103降低至1.5×103，滑裂面的深度以及范圍有所縮小，并逐漸向近坡面靠近，對(duì)坡體內(nèi)部的擾動(dòng)也有所降低，其剪入口位于坡體后方11 m～17 m處，剪出口位于五級(jí)坡和四級(jí)坡坡腳處。

圖8 開(kāi)挖后最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D對(duì)比

在坡體變形方面，圖9為坡體全部開(kāi)挖完成后未施加加固措施和施加加固措施的水平位移對(duì)比圖，從圖9中可以看出，施加預(yù)應(yīng)力錨索框格梁可以有效的控制坡體的水平位移，未加固時(shí)最大水平位移為36.5 mm，加固后最大水平位移為7.8 mm，開(kāi)挖完成后的最大水平位移減少了78.6%，有效的控制了坡體的整體位移，增強(qiáng)了坡體的整體穩(wěn)定性，降低了邊坡發(fā)生整體破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 開(kāi)挖后水平位移云圖對(duì)比

4 結(jié) 論

本文通過(guò)結(jié)合鎮(zhèn)清高速回龍寨服務(wù)區(qū)路塹高邊坡工程，研究典型路塹高邊坡開(kāi)挖變形破壞機(jī)制，并通過(guò)提出加固方案對(duì)比分析，主要得出以下結(jié)論：

(1) 高陡路塹邊坡的失穩(wěn)與坡體開(kāi)挖卸荷有密切的聯(lián)系，開(kāi)挖卸荷會(huì)導(dǎo)致坡體一定范圍內(nèi)塑性區(qū)、應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的重新分布，滑裂面形成以及坡體破壞是一個(gè)發(fā)育過(guò)程并非一蹴而就。

(2) 隨著開(kāi)挖深度的逐漸增加，各級(jí)坡面剪切塑性區(qū)不斷發(fā)育并形成貫通區(qū)。各次級(jí)邊坡坡腳處產(chǎn)生剪切變形，剪切變形逐漸向坡頂以及坡體內(nèi)延伸擴(kuò)展并逐漸連通，形成貫通的滑裂面。隨著坡體被不斷刷方卸荷，水平位移逐漸增大，坡體逐漸失穩(wěn)破壞。

(3) 通過(guò)采用預(yù)應(yīng)力錨索框格梁的加固措施方式可以有效的減小剪切塑性區(qū)范圍并阻斷各次級(jí)邊坡剪切-張拉塑性區(qū)貫通的趨勢(shì)。