基于數值模擬計算分析某公路路塹滑坡開挖卸荷的影響及滑坡治理效果

黃 輝，李小鵬

（中鐵科學研究院有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

某公路右側邊坡地貌屬剝蝕丘陵地貌單元，路線段地面標高在160～205m之間，相對高差45m，山體自然坡度較緩，坡角10°～20°，地形呈前緩后陡。該邊坡前期受坡腳路塹開挖影響，發生滑動變形并不斷向后牽引；坡腳澆筑擋墻后，變形暫時緩解。后期，受連續強降雨影響，邊坡再次發生滑動，導致擋墻嚴重傾倒變形，邊坡形成明顯的滑坡周界。邊坡變形范圍沿線路方向約300m，垂直線路縱向牽引長度約320m，平均厚度約15m，滑體方量約100萬m3的大型滑坡。

1 水文地質條件

路塹邊坡范圍大氣降水形成的地表面流自高處向低洼處排泄暢通，地下水主要為基巖裂隙水及坡殘積層上層滯水，主要接受大氣降水補給。坡體地下水較豐富，局部發育有溶洞，塹坡坡面局部有泉眼出露，常年流水。

2 地層巖性

覆蓋層：路線通過該路段切坡時出露地層主要為坡殘積層（粉質粘土，含砂巖碎塊，局部含塊石），一端全風化泥質粉砂巖內可見約7～10°緩層順傾線路的不利層面。

基巖：中風化炭質灰巖(D2d)，灰黑色，隱晶質結構，中厚層狀構造，節理裂隙發育，巖芯多呈柱狀，局部機械破碎。

3 治理措施

滑坡治理設計方案為滑坡中部兩級抗滑樁支擋，樁頂增設預應力錨索錨固；加高坡腳混凝土擋墻，增設預應力錨索加固；抗滑樁平臺處增設截排水溝疏排地表水。

4 開挖卸荷理論

勘查單位已出具詳勘報告，設計單位已對該滑坡典型縱斷面進行支擋錨固防護后的安全計算 （安全系數1.15）。本文重點在針對滑坡治理階段的平臺開挖過程，研究開挖引起的坡表巖土體卸荷回彈導致邊坡局部滑塌或變形，對排水溝的布設及平臺的開挖提出施工建議。通過數值模擬分析支擋錨固防護后，坡體內部發生的變化，驗證設計方案的治理效果，進一步為設計工作提供驗證和支持。

邊坡開挖是一個巖土體卸荷的過程，上部巖土體的挖除，意味著下部巖土體的上覆荷載的移除，將引起開挖面巖土體的向臨空面的變形，即卸荷回彈。開挖面卸荷回彈變形不是一個即時發生的過程，而是在一定時期隨時間不斷變化增長的過程，變形發展的速度與巖性、風化程度、節理層面裂隙等結構面的發育程度密切相關。伴隨著坡體上部的堆載以及下部坡體開挖擾動影響有可能會產生進一步的剪切破壞，導致坡體表面工程措施的變形開裂，影響工程治理效果。

另外，邊坡巖土體開挖卸荷作用引起卸荷面附近巖體內部應力重分布的同時，易在局部造成應力集中效應，如開挖邊坡與平臺的交界處就容易產生應力集中，進而加重該部位的變形破壞，對其上部附著物也產生更加嚴重的牽引破壞。卸荷回彈若發生在坡度大的臨空面，則易產生崩塌破壞。

控制開挖面卸荷回彈引起不良影響的有效措施包括噴射混凝土、土釘墻、錨索（桿）加固、防護網等，對于開挖平臺可使用機械夯實碾壓措施。

5 數值模擬

1）模型及計算參數 Rocscience Phase2.0是加拿大Rocscience公司研發的一款功能強大的巖土工程彈塑性有限元分析軟件、廣泛應用于各類工程數值計算分析中。本文采用Phase2.0軟件模擬邊坡的開挖卸荷，并驗證設計方案的治理效果。

依據設計方案典型斷面建立的數值模擬計算模型分三個階段如圖1、圖2、圖3所示，分別對應滑坡初始狀態、開挖狀態、抗滑樁及錨索施加后狀態，并對模型進行網格化以進行有限元計算，計算選用摩爾庫倫模型。計算第一階段為邊坡滑坡模擬，主要模擬滑動范圍、確定滑動邊界；第二階段為開挖模擬，通過數值模擬計算分析開挖對滑坡的影響，指導開挖施工；第三階段為滑坡治理效果模擬，通過數值模擬分析抗滑樁和預應力錨索施加后，坡體變形發生的變化，驗證設計效果并進一步提出建議。

圖1 邊坡初始狀態模型圖

圖2 邊坡開挖狀態模型圖

圖3 邊坡治理模型圖

數值分析計算參數見表1。

表1 邊坡數值模擬計算參數表

2）邊坡變形狀態模擬：邊坡初始狀態變形計算結果如圖4-圖5所示，其中紅色圓圈代表張拉破壞，紅色叉代表剪切破壞，紅色及橙色區域表示變形破壞的整體區域范圍。結合邊坡地層，由圖4可知中風化灰巖不透水，基巖頂面為隔水層，主要為粉質粘土的邊坡上覆蓋層在降雨和地表徑流下滲的情況下，坡體自重增加并導致抗剪強度指標顯著下降，進而引發基巖頂面覆蓋層牽引式滑坡。由圖5可知邊坡牽引變形的過程，坡腳剪切破壞嚴重，坡體上剪切張拉破壞最集中的兩個區域為兩個次級滑體的后緣，此部位也是坡體陡換交界最為明顯的位置，治理方案中抗滑樁和預應力錨索也布設在該部位附近，施工中還須對坡表坡度較大處局部刷坡避免小范圍坡表變形。

圖4 邊坡變形范圍

圖5 邊坡變形區域

3）邊坡開挖狀態模擬：在坡體上兩處部位開挖平臺，后期用于抗滑樁及預應力錨索施工。如圖6所示，坡體開挖后，在原變形破壞的基礎上，開挖平臺處以張拉破壞為主的變形破壞尤為突出。這是由于坡表開挖后，下部巖體發生卸荷回彈，變形方向指向臨空面，導致張拉破壞為主、伴隨剪切破壞。現場特征體現為斜坡巖土體開裂發生局部滑動或崩塌；平臺巖土體松動，不利于后續排水溝的施工。建議現場施工過程中，嚴格執行斜坡分段開挖、開挖一段壓實一段、挖后及時覆蓋防護的措施；針對平臺巖土體松動，則須采用機械夯實碾壓的措施保證密實度，避免造成平臺水溝的開裂損壞。

圖6 邊坡開挖狀態

邊坡施加抗滑樁及預應力錨索后，數值模擬計算效果如圖7-圖9所示。由圖7可知，預應力錨索穿過覆蓋層錨固在中風化穩固地層中。相較滑坡初始狀態，坡腳支擋錨固措施效果明顯，坡腳擋墻的加高也進一步抑制了剪切破壞，邊坡變形破壞大幅度消失；坡表還存在局部張拉破壞，施工過程需進行機械夯實碾壓。由圖8-圖9可知，抗滑樁平臺部位，在布設了抗滑樁和樁頂預應力錨索后，邊坡變形破壞幅度大幅度消失，尤其樁后巖土體破壞接近消失，樁前巖土體變形受其上方平臺卸荷回彈變形影響，仍存在局部破壞，施工中應采取機械夯實碾壓措施，必要時可進行局部注漿加固。滑坡整體變形破壞得到有效控制。

圖7 坡腳治理效果

圖8 坡體治理效果

圖9 坡體治理效果

6 結論

以上數值計算，根據邊坡典型地質斷面圖建立計算模型，采用設計方案巖層參數，分階段模擬了邊坡從滑動變形到開挖，再到抗滑樁和預應力錨索施加后的變形情況。數值計算結果體現了滑坡牽引變形的情況，體現了坡體開挖后開挖面巖土體卸荷回彈的變形特征，以及治理方案實施后變形破壞的控制效果。同時，數值模擬不僅驗證了治理方案的有效性；其結果體現的已發生變形破壞的部位也應在施工中增加碾壓夯實措施或坡表刷方措施避免次生災害或結構物的損壞。