深厚層強風化頁巖路塹高邊坡穩定性研究

朱分清 陳洋洋

(中鐵二院工程集團有限責任公司公路與市政設計研究院 成都 610031)

山區修建高速公路不可避免地會出現路塹高邊坡，由于頁巖等軟巖開挖后具有易風化、崩解、遇水軟化等特點，如不及時支護會引起邊坡滑塌，嚴重危及施工或公路的運營安全[1-3]。目前，很多學者通過理論研究、數值模擬結合工程監測等方法對軟質巖高邊坡的穩定性進行了研究。陳向陽等[4]采用機動位移法與有限差分軟件FLAC3D對含軟弱夾層的炭質頁巖路塹邊坡進行穩定性分析。張朝暉[5]運用Geo-Studio軟件建立炭質頁巖路塹邊坡模型，對降雨歷時內邊坡中孔隙水壓力和體積含水率的變化規律進行了研究。張小勇等[6]建立離散元模型對順層頁巖邊坡的穩定性進行了分析并對失穩過程進行了研究。張盧明等[7]采用動力分析方法和工程監測分析評價川北地區龍馬溪組頁巖深層滑坡的抗震穩定性。劉新喜等[8-9]等研究了凍融循環作用下炭質頁巖蠕變模型，為炭質頁巖高陡邊坡穩定性分析提供了理論參考。馮玉濤等[10]在相關試驗分析和研究的基礎上，提出了一套針對龍馬溪組黑色頁巖路塹邊坡的防護方法。數值方法在高邊坡的穩定性分析中應用越來越廣泛，李永亮等[11]根據巖土類型對深挖路塹邊坡進行簡單分類，借助PLAXIS建模探究典型的3種失穩判據對不同類型邊坡穩定性分析的適用性。

上述文獻中所研究的頁巖路塹邊坡高度或強風化層厚度一般較小，針對深厚層的強風化頁巖路塹邊坡的穩定性研究還不多，本文以韶關市翁源至新豐高速公路某強風化頁巖路塹邊坡開挖為研究對象，運用PLAXIS軟件建立邊坡三維地質模型，分別對正常和暴雨工況下邊坡加固前后的穩定性進行計算分析，結合現場觀測數據，通過安全系數、剪應變、土體變位綜合分析路塹深挖方邊坡的穩定性，驗證邊坡加固方案的可靠性。

1 工程概況

韶新高速公路位于粵北部山區，群山環抱，連綿起伏，山脈多為東北—西南走向，地勢亦自東北向西南傾斜。屬中亞熱帶季風氣候，干濕季節明顯，春夏溫和多雨水，年降雨量1 300～2 400 mm。挖方場地屬剝蝕丘陵地貌，地形較陡，山坡自然坡度22.6°～25°。坡底地面高程164.8～199.1 m，相對高差約36.1 m。該高速公路里程K1+900-K2+070兩側為深挖路塹，長170 m，左側最大邊坡高度56 m。

1.1 工程地質特征

該段深挖方地表覆蓋層為第四系全新統坡殘積層(Q4dl+pl)，下伏基巖為泥盆系帽子峰組頁巖和泥灰巖(D3m)。邊坡巖土體至上而下分別為：①粉質黏土層，厚0.6～3.0 m，灰黃、暗紅色，可塑；②強風化頁巖層，厚10.5～50 m，黃褐色，節理裂隙發育，風化強烈，巖體強度低，屬于軟質巖；③中風化泥灰巖層，埋深23.0～53.0 m，灰黑色，節理裂隙較發育，巖芯較完整，巖體強度較高，屬于硬質巖。典型工程地質斷面圖見圖1。

圖1 典型工程地質斷面及加固防護示意圖

1.2 赤平投影分析

該段邊坡巖層產狀為305°∠51°，發育2組節理，節理1(210°∠74°)和節理2(162°/61°)，邊坡的赤平投影圖見圖2。

圖2 邊坡赤平投影圖

由圖2可見，挖方坡率1∶1.25，產狀傾向和邊坡坡向大角度相交，對開挖邊坡穩定性無不利影響；節理1和節理2傾向均與邊坡坡向小角度相交，但節理面傾角大于開挖邊坡坡角，對開挖邊坡穩定性無不利影響；巖層產狀和節理面1、巖層產狀和節理面2，以及節理面1和節理面2的交線均傾向開挖邊坡內側，對開挖邊坡穩定性無不利影響。

1.3 邊坡防護加固措施

該路塹邊坡整體位于強風化頁巖中，采用上部削方減載、下部錨索框架梁加固的臺階式邊坡。邊坡單級高度8 m，除第三級平臺寬度8 m外，其余平臺寬度2 m；自下而上第一、二級邊坡坡率分別為1∶1.25，1∶1.5，第三、四級邊坡坡率1∶1.75，第五至七級邊坡坡率均采用1∶2，總高度56 m。第一級邊坡K1+904-K2+030及第二級邊坡K1+904-K2+012采用設計拉力400 kN的錨索框架梁加固，第四級邊坡K1+914-K1+974采用設計拉力100 kN的錨桿框架梁加固。節點的水平和豎向間距均為3 m，呈矩形布置，框架梁截面尺寸0.4 m×0.4 m，骨架內植草防護，其余為三維網植草護坡，防護加固措施見圖1。邊坡開挖加固后實景見圖3。

圖3 邊坡實景照片

2 計算軟件及計算模型

2.1 PLAXIS軟件簡介

PLAXIS軟件對邊坡安全系數的求解，是利用程序內部提供的有限元強度折減法進行。其基本原理是不斷折減土體的內摩擦角φ和黏聚力c，直至計算的邊坡發生塑性破壞。PLAXIS包含多種材料本構模型，本文采用摩爾-庫侖模型，有5個參數，其中2個為反映彈性性質的參數，即彈性模量E和泊松比υ；3個反映塑性性質的參數，即黏聚力c、內摩擦角φ及剪脹角ψ。摩爾-庫侖模型為理想彈塑性模型，能較好地反應高邊坡的破壞模式。

2.2 計算模型

邊坡開挖前原地面計算模型和邊坡開挖成型后的計算模型分別見圖4和圖5。選取該段邊坡最高斷面K1+940作為計算斷面，建立有限元模型，由于錨桿錨索的水平間距為3 m，考慮其在邊坡上按5列對稱布置，故計算寬度取15 m，模型尺寸為230 m×70 m×15 m。巖土體采用三角形單元，土體材料采用摩爾-庫侖模型，錨桿與錨索固定端采用樁單元模擬，錨索自由端采用錨桿單元模擬。由于框架梁在邊坡計算過程中不考慮其加固作用，僅考慮框架梁在錨索施加預應力時為其提供反力，故框架梁近似采用等厚板單元模擬。開挖頂面以下70 m為中風化泥灰巖，模型的底部邊界施加完全固定約束，左右側施加水平約束。

圖4 邊坡開挖前原地面計算模型(單位：m)

圖5 邊坡開挖成型后計算模型(單位：m)

3 計算方案及模型參數

3.1 計算方法

該模型采用分階段施工，首先是原始地面未開挖，建立初始有效應力場；第二步邊坡分層開挖分層加固，直至開挖成型，采用塑性計算，即考慮土體的彈塑性變形，但不考慮土體的固結；第三步錨桿、錨索框架梁施工，采用彈塑性計算，施加錨固荷載。

3.2 計算工況

根據本次深挖方邊坡的實際情況，在運用有限元分析穩定性時主要考慮以下4種工況。

工況一。天然狀態下邊坡未加固，即邊坡開挖成型后，未采取錨桿、錨索框架梁加固，及時排水，該工況的荷載主要為巖土體的自重。

工況二。天然狀態下邊坡已加固，即邊坡開挖成型后，采用錨桿、錨索框架梁加固，及時排水，該工況的荷載主要為巖土體的自重，及錨桿、錨索的錨固荷載。

工況三。暴雨狀態下邊坡未加固，該工況的荷載除了巖土體的自重外，還應考慮因雨水引起的土體自重增加及其強度參數的降低。

工況四。暴雨狀態下邊坡已加固，該工況的荷載除了巖土體的自重外，還應考慮因雨水引起的土體自重增加及其強度參數的降低及錨桿、錨索的錨固荷載。

3.3 模型參數

邊坡巖土體物理力學參數見表1，錨桿與錨索錨固段參數見表2，錨索自由段參數見表3。

表1 邊坡巖土體物理力學參數

表2 錨桿與錨索錨固段參數

表3 錨索自由端參數

4 計算結果分析

分析邊坡在4種工況下潛在滑面位置、水平位移、剪應變、塑性區、安全系數等的變化規律。

4.1 水平位移與滑面分析

不同工況下邊坡的水平位移云圖見圖6。

圖6 不同工況下邊坡水平位移云圖(單位：m)

由圖6可知，4種工況最大水平位移均發生在坡腳處，其中工況一最大水平位移為16 mm，工況二最大水平位移14.1 mm，工況三最大水平位移34.6 mm，工況四最大水平位移14.6 mm。工況一與工況三潛在滑面較工況二與工況四淺，且最大水平位移更大，說明在錨索與錨桿加固后的邊坡更趨于穩定，潛在滑面會后移，最大水平位移更小。另外工況三、工況四較工況一、二水平位移大，說明在暴雨工況下，隨著土體的重度增加，黏聚力與內摩擦角的折減，土體位移更大，邊坡也趨于不穩定。

4.2 塑性區分析

不同工況下邊坡塑性區分布圖見圖7。

圖7 不同工況下邊坡塑性區分布圖

由圖7可知，各種工況下邊坡塑性區位置都主要分布在坡腳與坡頂，且工況三、工況四較工況一、工況二分布更為廣泛，這是因為在暴雨工況下，隨著雨水的下滲，邊坡土體黏聚力與內摩擦角衰減，土體的應力點更容易屈服，更容易產生應力集中，從而產生塑性點。一旦塑性點貫通就會形成滑面，邊坡也隨之失穩。

4.3 剪應變分析

不同工況下邊坡剪應變云圖見圖8。

圖8 不同工況下邊坡剪應變云圖

由圖8可知，各種工況下邊坡剪應變最大值均出現在坡腳處。剪應變最大值工況一為0.06，工況二為0.053，工況三為0.14，工況四為0.132。工況一與工況二剪應變最大值較工況三與工況四小，說明暴雨條件會使邊坡剪應變最大值增大，更容易使土體失穩；工況四、工況二較工況三、工況一，邊坡剪應變最大值增大，說明邊坡通過加固后，剪應變得到了明顯的改善，使邊坡受力更加合理，邊坡更加穩定。

4.4 邊坡穩定安全系數分析

采用數值模擬法(PLAXIS有限元法)計算的邊坡穩定安全系數見表4，

表4 邊坡穩定安全系數

根據路基設計規范要求，高速公路路塹邊坡穩定安全系數正常工況時為1.20～1.30、暴雨工況時為1.10～1.20，綜合考慮該路塹邊坡的復雜地質條件及破壞后的危害嚴重程度等因素，本邊坡的穩定安全系數取大值。邊坡加固前正常工況下，盡管安全系數大于1.30，但在暴雨工況下，邊坡的安全系數大幅降低，暴雨工況對坡面穩定性影響更為顯著，需要對邊坡進行加固。采用錨桿索加固邊坡后其穩定安全系數大于1.20，滿足規范要求。

5 現場監測結果分析

邊坡在開挖成型后，選取計算斷面K1+940為監測斷面，在邊坡平臺上設置了北斗監測站，在邊坡二級平臺設置了北斗1號位移邊樁，三級平臺設置了北斗2號位移邊樁，五級平臺設置了北斗3號位移邊樁，邊坡監測布置圖見圖9。該邊坡于2018年3月份加固措施施工全部完成，截止到2021年3月已累計監測了3年，邊坡監測水平位移見圖10。

圖9 邊坡監測布置圖

圖10 邊坡監測水平位移圖

從圖10監測結果可以看出，邊坡地表水平位移在前18個月增長速度較快，在其后的30個月增長速度緩慢，且水平位移1號監測點>2號監測點>3號監測點。邊坡在開挖完成后應力得到釋放，前期瞬時位移已完成，監測到的累計位移是后期邊坡巖土體的蠕變，其蠕變和應力大小有關，從PLAXIS有限元分析結果可以看出，邊坡坡腳的剪應變最大，向邊坡上方遞減，剪應力也是如此，應力越大蠕變發展越快，隨著蠕變的發展，土的應力也有一定的衰減，土的蠕變速率也得到放緩。與實際監測結果相比，模擬計算結果符合實際監測結果的位移變化規律，土體水平位移最大值發生在邊坡坡腳處。上述監測結果表明，通過邊坡加固處理后，邊坡的水平位移已基本穩定，邊坡的安全性可得到保證。

6 結論

通過對韶新高速公路某強風化頁巖高邊坡在正常工況及暴雨工況下的模擬計算分析及相關監測數據，可得出如下結論。

1) 邊坡在開挖成形后，土體水平位移與剪應變最大值均在坡腳處，塑性區范圍也較大，采用錨桿、錨索加固邊坡后有效地減少了坡腳土體的變形，邊坡處于穩定狀態，強風化頁巖路塹高邊坡在設計時應重視坡腳加固，該邊坡加固防護方案可為同類型邊坡防護提供參考。

2) 邊坡加固前在暴雨工況下，坡腳的水平位移及剪應變急劇增大，邊坡安全系數也大幅減小。頁巖路塹邊坡開挖后易風化、遇水易軟化，黏結力與內摩擦角衰減較快。在實際邊坡處理中，開挖后應及時加固，工程各工序的銜接要統籌考慮，同時做好防排水，盡可能減少降雨和空氣對邊坡穩定性的不利影響。