基于開挖擾動效應的路塹邊坡失穩演化與加固措施研究

江河濱，鄧祥明

(廣西南天高速公路有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

路塹邊坡滑動破壞因其發生廣泛且可造成嚴重災害，一直被視為攸關公路、鐵路等工程施工和運營安全的經典課題之一[1]。目前普遍采用的研究方法有剛體極限平衡法[2-3]和強度折減法[4]，經驗豐富的工程技術人員可通過這兩種方法計算得到較為合理的邊坡安全系數，從而指導邊坡工程的開挖和加固設計。然而，在計算路塹邊坡的安全系數時，通常以路塹邊坡開挖完成后的最終狀態作為邊坡安全系數計算的初始條件，而對邊坡開挖過程產生的工程擾動及其對邊坡穩定性的影響考慮較少。

開挖擾動是路塹邊坡滑動破壞的主要誘發因素之一[5-6]。許多學者通過模擬邊坡開挖過程，并以位移增量、應力釋放量、應變增量、塑性區分布、自定義損傷變量等參量作為邊坡開挖擾動的表征量，研究了邊坡開挖過程中坡體受到的擾動程度及其分布規律，為邊坡的變形和穩定性控制、加固措施的優化等提供了重要參考[7-9]。

為了進一步揭示路塹邊坡開挖擾動下的失穩演化過程和優化加固措施，本文以廣西某在建高速公路多級路塹邊坡為依托，采用有限元方法模擬分析了邊坡開挖擾動響應規律，采用強度折減法研究了邊坡安全系數隨開挖擾動的變化規律，基于開挖擾動響應規律提出了路塹邊坡加固措施并通過計算安全系數驗證了其有效性。

1 工程概況

廣西在建的某高速公路ZK52+800～ZK53+300段左側深挖路塹邊坡，位于河池市南丹縣羅富鎮羅屯村木橋屯附近東南約500 m。線路順南北走向的山體東面山腰中部及沖溝地帶展布，公路采用整體式路基并以路塹的方式從山坡中部穿過。邊坡自然坡面為剝蝕低山地貌，自然坡角約為30°～40°，地表橫坡較陡。覆蓋層為灰黃色硬塑狀殘坡積粉質黏土，地表植被茂密且未見不良地質發育，下伏基巖為灰黑色中厚層夾薄層狀中風化灰巖，巖體較完整，自然邊坡穩定性好。邊坡地質剖面及開挖設計如圖1所示，坡體巖土力學參數見表1。

圖1 邊坡剖面及開挖設計圖

表1 坡體巖土力學參數表

邊坡開挖至四級平臺時發生滑塌，滑動面位置見下頁圖2，邊坡滑塌的特征為：滑塌的寬度約70 m，高約45 m，厚約4～5 m，方量約10 000 m3。滑塌裂縫呈圈椅狀，后緣裂縫寬10～20 cm，裂縫邊界明顯，滑動方向基本朝向路基方向，在三級平臺處剪出。

圖2 邊坡滑塌示意圖

2 數值模擬條件

根據圖1中邊坡的地質概況及開挖設計圖，在有限元軟件Phase2中建立邊坡動態開挖模型，見下頁圖3。坡體的巖土力學參數采用表1中的參數。研究方案為：

圖3 邊坡開挖模擬模型示意圖

(1)根據邊坡的開挖-回填施工過程，開展邊坡施工動態模擬，并分別以最大剪應變累積量和最大剪應變增量為表征量分析邊坡的開挖擾動響應規律。

(2)在邊坡開挖施工動態模擬的基礎上，采用強度折減法計算邊坡開挖至每一個平臺處時對應的安全系數，研究邊坡開挖過程中安全系數的變化規律。

(3)通過對比邊坡開挖擾動響應和開挖過程中安全系數的變化情況，分析開挖擾動對邊坡穩定性的影響規律，并基于此提出邊坡加固措施。

3 基于最大剪應變的邊坡開挖擾動規律分析

邊坡開挖擾動的表征方式有很多，常用的有塑性區分布、應變增量、位移增量、應力增量、自定義損傷變量等，這些參量在一定程度上都可以揭示邊坡的開挖擾動程度。根據邊坡滑塌的地質調查可知，該邊坡以剪切滑動為主，因此考慮以最大剪應變作為邊坡開挖擾動的表征量來研究該邊坡的開挖擾動規律。

圖4為邊坡開挖過程中坡體最大剪應變累積量的分布情況。邊坡剛開挖時，受擾動的區域主要分布在開挖面周圍，例如開挖到一級平臺和二級平臺時，受擾動的區域主要集中在一級平臺和二級平臺附近，見圖4(a)和圖4(b)；隨著邊坡往下開挖，受擾動影響的區域逐漸增大，例如開挖到三級平臺時，四級平臺處的未開挖坡體已經受到不同程度的擾動，見圖4(c)；當開挖至邊坡下部時，開挖擾動的影響進一步增大，最終導致邊坡開挖區域的上覆土層幾乎全部受到不同程度的擾動，見圖4(d)和圖4(e)。

(a)開挖至一級平臺

圖5為邊坡開挖過程中坡體最大剪應變增量的分布情況。此處的最大剪應變增量表示的是開挖至第i+1級平臺處的最大剪應變累積量與開挖至第i級平臺處的最大剪應變累積量的差值。通過分析最大剪應變增量可以得到每一級平臺的開挖對坡體的擾動范圍和擾動程度。由圖5可知：邊坡上部一級平臺和二級平臺開挖完成后，坡體受擾動的范圍僅集中分布在一級平臺和二級平臺之間的上覆土層區域，見圖5(a)和圖5(b)；邊坡開挖中部三級平臺和底部時，坡體受擾動的區域遍布二級平臺至四級平臺之間的所有上覆土層，見圖5(c)～(e)。

(a)開挖至一級平臺

4 邊坡開挖擾動失穩演化

圖6展示了邊坡開挖至不同階段時采用極限平衡法計算得到的安全系數。由圖6可知：邊坡開挖至上部一級平臺和二級平臺時，安全系數由1.12降低至1.11，只降低了0.01，說明邊坡上部一、二級平臺的開挖對邊坡穩定性的影響較小。隨著邊坡下挖，邊坡的安全系數分別降低至1.07、1.01和0.96，即從二級平臺開挖至三級平臺時安全系數降低了0.04，從三級平臺開挖至四級平臺時安全系數降低了0.06，從四級平臺開挖至路基時安全系數降低了0.06。對比邊坡上部一、二級平臺開挖后安全系數的變化情況，邊坡中部和底部開挖后安全系數的減小幅度較大，由此說明邊坡中部和底部的開挖對邊坡穩定性的影響較大。邊坡開挖至路基時，安全系數已降低至1.0以下，說明邊坡此時極容易發生滑塌，這一計算結果與工程實際中邊坡開挖至坡角發生滑塌的情況基本一致。

(a)開挖至一級平臺

此外，結合對圖4和圖5的分析，可以進一步得出邊坡安全系數隨開挖擾動的變化規律：邊坡上部土體的開挖對坡體產生的擾動影響范圍較小，邊坡的安全系數變化較小，此時邊坡的穩定性與自然坡面的穩定性較為接近，邊坡發生滑動的可能性較小；而邊坡中部和底部土體的開挖對坡體產生的擾動影響范圍較大，邊坡中部和底部每一級臺階的開挖都會使邊坡安全系數發生較大幅度的降低，最終可能會誘發邊坡滑塌。

5 基于開挖擾動效應的邊坡加固措施研究

從邊坡開挖擾動響應的分析中可以看出，邊坡上部開挖時，坡體受到的擾動影響較小，邊坡較為穩定；而當開挖至邊坡中部和底部時，坡體受開挖擾動影響的區域急劇增大，邊坡安全系數降低幅度較大。基于這一認識，考慮從降低邊坡開挖擾動的角度設計加固措施，即在邊坡開挖擾動最大的區域加強支護，從而達到減小開挖擾動影響、提高邊坡穩定性的目的。

為此，基于上述開挖擾動分析，對該路塹邊坡作出如下加固設計：全坡面采用錨桿(索)格梁+掛網噴播防護形式，采用Ⅱ型錨索，錨索長25 m，錨固段長12 m，設計錨固力為500 kN，入射角為20°；在邊坡滑塌剪出處增設10 m抗滑樁，10 m抗滑樁以冠梁連接，在冠梁處設一道Ⅱ型錨索，樁后回填碎石至原開挖線，與樁頂齊平；在各級平臺及樁頂回填碎石面，滑塌體坡面要求進行硬化封閉，并對坡面及滑塌后緣的裂縫采用砂漿封填，同時設置平臺排水溝。

為了驗證上述加固方案的有效性，對按照上述加固方案對加固后的邊坡穩定性進行了驗算，見圖7。由圖7可知：加固后的邊坡安全系數提高至1.36，大于規范要求的1.20，因此加固后的邊坡穩定性超過了規范要求，加固方案有效。

(a)邊坡加固計算模型

6 結語

本文以廣西某高速公路多級路塹邊坡為依托，分析了邊坡開挖擾動響應及失穩演化規律，基于開挖擾動規律提出了支護措施并驗證了其有效性，得到如下結論：

(1)路塹邊坡上部臺階的開挖對坡體擾動較小，邊坡穩定性變化較小；而中部和底部臺階的開挖對坡體擾動較大，此時邊坡穩定性降低幅度較大，并可能造成邊坡失穩。

(2)合理的加固措施可以減小邊坡開挖擾動對穩定性的不利影響，在坡體受開挖擾動影響較大的部位增設抗滑樁、錨索等支護措施可以高效地提高邊坡的穩定性。