開(kāi)挖方式對(duì)緩傾紅層邊坡穩(wěn)定性的影響

劉洪瑜 張玉芳 李嘉明 侯李杰 李健

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083）

云南地區(qū)在高速公路邊坡施工時(shí)，時(shí)常遇到紅層。其巖性以砂巖、泥巖、頁(yè)巖為主，巖性組合以互層為特征，具有透水性弱、親水性強(qiáng)、遇水軟化失水崩解、強(qiáng)度低的特點(diǎn)［1］。在緩傾紅層邊坡開(kāi)挖施工時(shí)，由于坡腳失去支撐，邊坡極易沿緩傾面發(fā)生滑塌［2-3］。

本文以云南一邊坡為例，分析該邊坡結(jié)構(gòu)特征，建立簡(jiǎn)化的緩傾紅層邊坡模型，計(jì)算分析不同開(kāi)挖高度、開(kāi)挖角度、開(kāi)挖進(jìn)尺下邊坡穩(wěn)定性，探討最優(yōu)開(kāi)挖方式組合，并分析該組合下緩傾紅層邊坡的變形特征［4-7］。

1 邊坡模型概況

1.1 工點(diǎn)概況

所研究的邊坡位于楚雄至大理高速公路沿線，全長(zhǎng)141.527 m。設(shè)計(jì)方案為4級(jí)邊坡，坡體高31.6 m，一、二級(jí)邊坡設(shè)計(jì)坡率為1∶0.75，三、四級(jí)為1∶1.00。邊坡設(shè)計(jì)如圖1所示。

路塹邊坡位于構(gòu)造剝蝕中山地貌區(qū)。該地區(qū)山巒疊嶂，谷地錯(cuò)落，山脊一般狹長(zhǎng)平緩，起伏較大。局部有陡峭孤峰，地形切割深度較深，山體坡度多在30°～45°。地表植被較好，多為針闊混交林。

圖1 邊坡設(shè)計(jì)

1.2 地層巖性

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆探揭露結(jié)果，該區(qū)段分布的地層巖性自上而下為：

1）粉質(zhì)黏土。灰褐色，硬塑，局部含風(fēng)化角礫碎塊，含量約8%～10%。干強(qiáng)度中等，韌性差，刀切面無(wú)光澤。表層40 cm厚含植物根系。

2）強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。紫紅色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，母巖成分以石英、長(zhǎng)石、云母為主，含少量泥質(zhì)成分。節(jié)理裂隙較發(fā)育。巖芯多呈塊狀，塊徑一般3～10 cm。巖體易碎，錘擊易散，遇水易軟化分解。

3）中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。青灰色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石等。巖芯多呈塊狀，塊徑一般3～8 cm。節(jié)理裂隙發(fā)育。巖芯風(fēng)化痕跡明顯。

4）中風(fēng)化砂巖。紫紅色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石等。巖芯多呈柱狀，塊徑一般8～30 cm，局部碎塊狀，塊徑一般3～8 cm。節(jié)理裂隙較發(fā)育，約2～3條/m。

1.3 水文地質(zhì)條件

地下水以松散層孔隙水和基巖裂隙水為主，孔隙水主要賦存于第四系砂卵石層、黏性土、碎石土層中，多以潛水形式出現(xiàn)，水量甚微；基巖裂隙水賦存于砂巖、泥巖的節(jié)理裂隙中，地下水水位較深，主要由大氣降水及周圍地表水入滲補(bǔ)給。

2 計(jì)算模型

2.1 緩傾紅層邊坡特征分析

該邊坡上部強(qiáng)～中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖與下部砂巖強(qiáng)度相對(duì)較高。中部黃綠色泥質(zhì)砂巖夾層強(qiáng)度較低，且風(fēng)化痕跡明顯。邊坡上部、下部的巖塊強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性有影響但不起控制作用。黃綠色泥質(zhì)砂巖軟弱夾層（圖2）的抗剪強(qiáng)度很低，對(duì)邊坡穩(wěn)定性起控制作用。

圖2 黃綠色泥質(zhì)砂巖夾層

該邊坡巖層產(chǎn)狀為NW80°/SW25°，層面為傾向臨空面的緩傾結(jié)構(gòu)面，對(duì)邊坡穩(wěn)定性也起一定的控制作用。

2.2 簡(jiǎn)化模型

通過(guò)分析，該邊坡坡體為三層結(jié)構(gòu)，上下層為強(qiáng)度較大的巖層，中部為軟弱夾層。層面傾角25°，傾向坡外。以此特征［8］建立簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)化模型

2.3 模型參數(shù)

結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，并依據(jù)現(xiàn)有坡面的既有工程和實(shí)際情況確定巖土參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算斷面巖土參數(shù)及主滑段反算指標(biāo)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 開(kāi)挖高度對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響

分析開(kāi)挖高度h=20，30，40 m 時(shí)坡體穩(wěn)定性［9］，不同開(kāi)挖高度坡體總位移見(jiàn)圖4。可知，坡體位移主要發(fā)生在中部夾層以上，隨著坡體開(kāi)挖高度的增加，坡體位移逐漸減小，但當(dāng)開(kāi)挖高度達(dá)到中部夾層以下時(shí)，坡體位移不再發(fā)生明顯變化。開(kāi)挖高度為20 m時(shí)，坡體最大位移為277 mm；開(kāi)挖高度為30，40 m 時(shí)，坡體最大位移保持在223 mm。

圖4 不同開(kāi)挖高度坡體總位移（單位：m）

不同開(kāi)挖高度時(shí)坡體最大主應(yīng)力見(jiàn)圖5。可知：①坡體上部應(yīng)力曲線近似水平。②進(jìn)入坡面后曲線發(fā)生彎曲，總體仍與坡面近似平行，但局部發(fā)生應(yīng)力集中，而且隨著開(kāi)挖高度的增加應(yīng)力集中程度也有所增加。③在坡腳附近，不同開(kāi)挖高度對(duì)應(yīng)力影響較大。開(kāi)挖高度20 m 時(shí)，坡腳應(yīng)力曲線保持與坡腳平行；開(kāi)挖高度30 m 時(shí)，坡腳應(yīng)力曲線彎曲程度加大，進(jìn)一步產(chǎn)生應(yīng)力集中；開(kāi)挖高度40 m 時(shí)，坡腳應(yīng)力重新分布。

圖5 不同開(kāi)挖高度坡體最大主應(yīng)力（單位：MPa）

為了確定開(kāi)挖高度增加對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響程度，對(duì)未開(kāi)挖和開(kāi)挖后的坡體安全系數(shù)進(jìn)行分析。

開(kāi)挖高度對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響度見(jiàn)表2。可知，隨著開(kāi)挖高度增加，其對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響逐漸變大，但是單位開(kāi)挖高度對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響逐漸減弱。當(dāng)開(kāi)挖高度達(dá)到30 m 以上時(shí)，中部夾層完全露出后，坡體安全系數(shù)保持不變。

表2 開(kāi)挖高度對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響度

3.2 開(kāi)挖角度對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響

分析開(kāi)挖角度θ=63°，45°，34°時(shí)坡體穩(wěn)定性，坡體總位移見(jiàn)圖6。可知，開(kāi)挖角度為63°時(shí)，坡體位移最大，其值為170 mm，隨著開(kāi)挖角度的減小，坡體位移總體上也逐漸減小；坡體變形區(qū)域均為開(kāi)挖區(qū)域，說(shuō)明開(kāi)挖對(duì)坡體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

圖6 不同開(kāi)挖角度時(shí)坡體總位移（單位：m）

不同開(kāi)挖角度時(shí)坡體最大主應(yīng)力見(jiàn)圖7。可知，坡體應(yīng)力曲線總體上與坡面保持平行，但是隨角度增加，應(yīng)力曲線彎曲程度增大，導(dǎo)致開(kāi)挖區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，從而導(dǎo)致其穩(wěn)定性降低，產(chǎn)生破壞。在開(kāi)挖角度較大時(shí)坡體穩(wěn)定性較低，開(kāi)挖角度較小時(shí)穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖7 不同開(kāi)挖角度時(shí)坡體最大主應(yīng)力（單位：MPa）

開(kāi)挖角度為34°，45°，63°時(shí)，坡體安全系數(shù)分別為2.04，1.10，0.83。隨著開(kāi)挖角度的增加，坡體的安全系數(shù)逐漸降低。

3.3 開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響

分析開(kāi)挖進(jìn)尺d=45，55，65 m時(shí)坡體穩(wěn)定性，坡體總位移見(jiàn)圖8。可知，隨著坡體開(kāi)挖進(jìn)尺的增加，坡體位移主要發(fā)生在中部夾層以上區(qū)域，但是坡體位移先增大后減小。開(kāi)挖進(jìn)尺為45，55，65 m 時(shí)，坡體最大位移分別為89.93，177.87，132.94 mm。

圖8 不同開(kāi)挖進(jìn)尺時(shí)坡體總位移（單位：m）

不同開(kāi)挖進(jìn)尺時(shí)坡體最大主應(yīng)力見(jiàn)圖9。可知，隨著坡體開(kāi)挖進(jìn)尺的增加，坡體應(yīng)力曲線彎曲程度逐漸減小，應(yīng)力集中也逐漸減小，坡體穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖9 不同開(kāi)挖進(jìn)尺坡體最大主應(yīng)力（單位：MPa）

開(kāi)挖進(jìn)尺為 45，55，65 m 時(shí)，坡體安全系數(shù)為1.04，1.14，1.50。隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增加，坡體安全系數(shù)逐漸增加。

3.4 影響因素綜合分析

各因素中對(duì)安全系數(shù)影響最大的參數(shù)值分別為開(kāi)挖高度20 m、開(kāi)挖角度θ=34°、開(kāi)挖進(jìn)尺65 m，將其作為組合工況進(jìn)行開(kāi)挖穩(wěn)定性分析。坡體位移及最大主應(yīng)力見(jiàn)圖10。可知，組合工況下坡體變形依舊集中在中部夾層以上，最大位移為191 mm，坡體應(yīng)力曲線與坡面平行，且在斜坡區(qū)域未發(fā)生較大彎曲，說(shuō)明未發(fā)生明顯的應(yīng)力集中，坡體較穩(wěn)定。

圖10 坡體位移及最大主應(yīng)力

在開(kāi)挖高度、開(kāi)挖角度、開(kāi)挖進(jìn)尺3種影響因素中保持某單一因素取值不變，分析其另外兩因素對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響。經(jīng)計(jì)算可知，坡體穩(wěn)定性受開(kāi)挖高度、開(kāi)挖角度、開(kāi)挖進(jìn)尺3種因素的綜合影響，在開(kāi)挖高度一定、開(kāi)挖角度減小、開(kāi)挖進(jìn)尺增大時(shí)，坡體安全系數(shù)增加，由1.25增加到1.53；在開(kāi)挖角度一定、開(kāi)挖高度減小、開(kāi)挖進(jìn)尺增大時(shí)，坡體安全系數(shù)減小，由2.04減小到1.53；在開(kāi)挖進(jìn)尺一定、開(kāi)挖高度減小、開(kāi)挖角度減小時(shí)，坡體安全系數(shù)增加，由1.50增加到1.53。

4 結(jié)論

1）隨著開(kāi)挖高度的增加坡體穩(wěn)定性逐漸下降，但是當(dāng)開(kāi)挖高度達(dá)到中部夾層以下時(shí)，坡體穩(wěn)定性不再發(fā)生變化。這是由于隨著開(kāi)挖高度的增加，坡體應(yīng)力集中程度增加，穩(wěn)定性降低，但是由于坡體受力變形主要集中在中部夾層以上區(qū)域，增加夾層下部開(kāi)挖高度并未對(duì)坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯影響。

2）隨著開(kāi)挖角度增加，坡體穩(wěn)定性逐漸降低。這是由于角度增加導(dǎo)致坡體臨空面角度增加，坡體破壞程度加大。

3）隨著開(kāi)挖進(jìn)尺增加，坡體穩(wěn)定性逐漸增加。這是由于進(jìn)尺增加導(dǎo)致坡體中部夾層以上區(qū)域逐漸減小，在發(fā)生變形破壞時(shí)其影響程度也相應(yīng)減弱。

4）單一影響因素取值不變，改變另外兩種因素取值，導(dǎo)致坡體夾層露出位置、坡體臨空面角度、夾層上部區(qū)域面積改變，坡體穩(wěn)定性受到三者的綜合影響。