黃土高邊坡施工過程變形特性分析

溫 軍

（山西交通科學研究院集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國交通建設的迅猛發展，越來越多的公路和鐵路建設在黃土高原地區，而黃土地區特有的塬、梁、峁地形條件，使得黃土高邊坡開挖的變形及穩定性問題得到了眾多學者的廣泛關注。

文獻[1]采用FLAC3D對不同開挖級數和開挖深度工況下邊坡穩定性和變形進行了數值模擬，但分析工況與黃土邊坡每級平臺的實際開挖高度相差較大。文獻[2]通過有限元強度折減法對邊坡施工工序進行數值分析，得出的結論表明：邊坡施工開挖一級支護一級對邊坡的穩定性最好。文獻[3]采用數值和監測相結合的手段，對比了天然、開挖未支護及支護加固3種工況對高邊坡穩定性的影響。

邊坡在設計階段主要是以安全系數作為評價邊坡穩定性的主要指標。在工程實踐中，對高邊坡要求進行施工監測來保證施工安全，另一方面反饋并優化設計參數。邊坡變形監測是對邊坡施工過程的動態穩定性最直觀的反映[4-8]。但變形監測是以邊坡變形量為指標，以安全系數為指標的穩定性評價體系對邊坡監測方案的制定以及監測數據的分析的指導意義存在缺陷。因此，對邊坡施工過程的動態變形進行分析和研究，可為邊坡實體工程施工過程監測提供指導，對公路邊坡的設計、施工和運營維護均具有一定的理論和實踐意義。

本文依托高速公路黃土高邊坡典型斷面為研究對象，采用GEO/SIGMA有限元軟件，對黃土高邊坡的開挖全過程進行非線性施工階段分析，探究施工影響下黃土高邊坡的位移響應特征。

1 工程概況

研究對象為祁離高速黃土高邊坡段落，里程K88+010—K89+800，該段地處黃土中低山區梁茆地貌，地形起伏較大，坡體自然坡角最大約為40°。

根據地質勘察和調繪成果，邊坡范圍內未發現有影響場地穩定性的不良地質存在，挖方范圍內以粉土、粉質黏土為主，為土質高邊坡。邊坡土體由上至下依此為第四系上更新統粉土、中更新統離石組粉質黏土、粉土。

邊坡按8 m分級，坡度分別為：第一級和第二級邊坡坡度為1∶0.75，第三級至第六級邊坡坡度為1∶1。平臺寬窄交替設置，寬平臺16 m，窄平臺4 m。施工采取逐級開挖、逐級防護方式。

2 模型建立

根據邊坡工程的實際狀況，采用GEO/STUDIO中對SIGMA模塊進行建模分析，邊坡的計算模型如圖1所示。該段邊坡典型斷面，坡高約70 m。計算模型長310 m，高120 m。水平為x方向，坡體臨空面為x正方向；豎向為y方向，向上為正方向。坡體地層根據地勘資料劃分，材料參數根據地勘資料結合相關文獻進行選取，模型各項材料參數見表1。

表1 材料參數表

約束條件：模型的表面為自由邊界，底部為固定邊界條件，兩側為法向位移約束邊界條件。

圖1所示為邊坡的2D模型網格劃分，網格橫向跨度為310 m，豎向為120 m。右側為邊坡臨空面。

圖1 模型網格劃分

數值分析時，首先進行初始地應力平衡，位移清零。然后開始進行開挖，從坡頂到坡腳逐一進行臺階開挖。共分為6個臺階。計算工況如表2所示。

表2 計算工況表

在每級平臺選取一特征點，該特征點位置一般為施工監測時所選取的監測點位置，通過對邊坡開挖全過程各監測點位移變化規律的模擬分析，同時還可為高邊坡施工過程監測方案的制定和變形監測數據的分析提供理論指導。

3 數值模擬結果分析

通過對黃土高邊坡的開挖全過程進行模擬，得到位移場、應力場分布規律。

3.1 開挖過程位移場分布規律

如圖2所示為開挖完第6臺階后，坡體豎向位移等值線圖。

圖2 第6臺階開挖坡體豎向位移等值線圖

由圖2可知，第6臺階開挖后，應力釋放，該平臺地表發生了隆起現象，第6級坡面發生向臨空面側向位移，量值很小，約6 mm，該量值影響范圍已擴散到第4臺階。垂直深度約24 m。

如圖3所示為開挖完第3臺階后，坡體豎向位移等值線圖。

圖3 第3臺階開挖坡體豎向位移等值線圖

由圖3可知，隨著開挖臨空面的增大，平臺地表隆起位移極值增加到3 cm，豎向位移量值以第3級平臺中心為圓心，呈圓弧狀向四周擴散衰減。

如圖4所示為開挖完最后一個臺階，坡體豎向位移等值線圖。

圖4 第1臺階開挖坡體豎向位移等值線圖

由圖4可知，邊坡開挖完成后，除第1平臺發生了1.2 cm的地表隆起外；第2級～第3級坡面為水平向臨空面位移，約2.7 cm和3.4 cm；第4級～第6級坡面為沿坡面斜向下位移，約2.2 cm。

3.2 開挖過程特征點位移分析

如圖5所示為開挖過程中坡體各特征點位移變化曲線。

從圖5a可看出，開挖前4個平臺，各特征點水平位移變化不大，差異也較小，量值在10 mm以內波動。第5平臺開挖完畢后，水平位移增幅較大，增幅最大為平臺3，從-7 mm增大到41 mm。增幅最小為坡頂和平臺1，分別從-4 mm和3 mm增大到6 mm。第6平臺開挖完畢后，除平臺1和平臺3有減小外，其余均為增大，但增幅有所回落。

從圖5b可看出，豎向變形均為先向上隆起而后向下沉降。變形方向轉折點基本發生在開挖本級平臺。沉降值最大點為坡頂，最大值發生在邊坡開挖完成后。隆起值最大點為平臺3，發生在開挖第3平臺后，第2平臺和第1平臺特征點極值也發生在該工況。第4和第5平臺隆起極值均發生在開挖本級平臺。

圖5 坡體各特征點位移變化曲線

綜述可看出，開挖至第3平臺（工況4）時，坡體呈現之前工況不同的變形規律。

3.3 坡體應變分布規律

如圖6為各工況最大剪應變等值線圖，選取部分代表性工況，其他類似。

圖6 各工況坡體最大剪應變等值線圖

由圖6可看出，各級平臺開挖完成后，應變集中在各級平臺的坡腳處，且隨著開挖向整個坡體坡腳的推進，應變量值增大。

在開挖第3級平臺時，除本級平臺坡腳范圍發生應變集中外，第2級平臺頂部未開挖土體也發生了部分應變集中。對比圖5中平臺3特征點出現的位移突變，分析與該點處應變集中有關，而該點除為兩工況分界點外，同時又是兩個地層的分界點，可能也與材料屬性的突變有關。

4 結論

通過對在建的黃土高邊坡施工全過程進行非線性數值分析，得到邊坡整體的位移場和應變場響應特征，研究表明：

a）各級平臺開挖完成后，應變集中在各級平臺的坡腳處，且隨著開挖向整個坡體坡腳的推進，應變量值增大。

b）邊坡開挖過程中，坡體豎向變形均為先向上隆起而后向下沉降。變形方向轉折點基本發生在開挖本級平臺。

c）對邊坡變形進行分析，除常規整體位移分析外還可結合應變進行局部分析，更有利于找到邊坡變形最不利位置。