順層巖質(zhì)邊坡變形破壞機(jī)制及防護(hù)方案有限元分析

楊瑞娟，蘇曉亮

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

隨著國(guó)家“一帶一路”和西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的進(jìn)一步實(shí)施，高速公路通車?yán)锍滩粩嘣龆啵豢杀苊獾臅?huì)遇到大量因工程開(kāi)挖而形成的高陡深路墊邊坡。同時(shí)受自然環(huán)境和工程要求開(kāi)挖山體往往無(wú)法通過(guò)直接放坡來(lái)減緩邊坡高度和坡體的順層臨空，而是以較高陡的形式進(jìn)行開(kāi)挖。針對(duì)順層邊坡的破壞特征，運(yùn)用彈塑性理論和有限元法，建立了順層巖質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性的模擬分析模型[1]，依據(jù)強(qiáng)度折減法的思想，將地震荷載特征以及離散元法及順層巖質(zhì)邊坡的特點(diǎn)結(jié)合，提出了一種求解地震荷載作用下順層巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)的方法[2]，通過(guò)從巖體的力學(xué)角度,闡述了巖體結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度特性及其力學(xué)效應(yīng)及影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析的不平衡推理傳遞。發(fā)現(xiàn)該類邊坡的變形破壞模式主要有潰屈破壞[3]、滑移- 拉裂[4]、滑移- 彎曲[5]、剪切滑移[6]。根據(jù)順層邊坡的變形破壞特征，以貴州某高速特大橋拱座基坑邊坡為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及室內(nèi)試驗(yàn)，分析其變形破壞機(jī)制，并用有限元對(duì)加固防護(hù)后的邊坡穩(wěn)定性和防護(hù)機(jī)理進(jìn)行全面、科學(xué)的評(píng)價(jià)，可為工程建設(shè)的順利進(jìn)行和降雨工況下可能的局部加固處理提供合理的依據(jù)，同時(shí)，也可為同類順層巖質(zhì)高邊坡加固方案設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

貴州某高速特大橋采用410 m 鋼管混凝土拱橋+預(yù)應(yīng)力砼T 梁，橫跨V 型觀音寺河河谷，遵義岸拱座開(kāi)挖山體腰部坡體。邊坡在開(kāi)挖臨空過(guò)程中，發(fā)生了沿巖層面蠕滑，山體頂部開(kāi)裂等情況，為了確保邊坡穩(wěn)定和遵義岸拱座以及23#和24#墩的安全，進(jìn)行防護(hù)工程方案研究。

2 地質(zhì)概況

2.1 地形、地貌

該特大橋遵義岸坡體北東向?yàn)橛^音寺河，該河谷為典型的“V”形谷，底寬約40～70 m。岸坡整體較陡，自然坡度角在40～50°。橋區(qū)大部基巖裸露，植被發(fā)育，主要為樹(shù)林及灌木叢，整個(gè)坡體軸線地面高程在953.4～649.6 m 之間，相對(duì)高差303.8 m。

2.2 地層巖性

該特大橋拱座區(qū)域覆蓋層為粘土（Qel+dl），呈黃褐色，可塑狀，局部含少量灰?guī)r碎石，厚0～2 m，場(chǎng)區(qū)零星分布。基巖為三疊系下統(tǒng)茅草鋪組（T1m），薄～中厚層狀灰?guī)r夾薄層泥膜、泥質(zhì)白云巖夾層。根據(jù)孔內(nèi)電視成像資料，灰?guī)r層間泥質(zhì)薄膜，發(fā)育間距為10～50 cm，層厚為0.5～8 mm，吸水后易軟化，淺部結(jié)合程度差，深部呈閉合狀，見(jiàn)圖1。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

研究區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)臺(tái)地黔北臺(tái)隆遵義斷拱畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)。基坑第三級(jí)臺(tái)階位置存在泥質(zhì)白云巖軟弱夾層，巖層強(qiáng)風(fēng)化層厚度約2～5 m，巖層產(chǎn)狀265～267°∠45～48°。發(fā)育一組平行于臨空面的節(jié)理J1，產(chǎn)狀為193°∠76°，性質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化卸荷裂隙。

2.4 水文地質(zhì)

研究區(qū)屬長(zhǎng)江流域赤水河水系及其支流。橋梁在里程樁號(hào)ZK21+482～K21+522 與觀音寺河相交，河寬約20～60 m，深度約0.5～2.0 m，常年徑流，測(cè)時(shí)流量約20～40 L/s，調(diào)訪最高洪水位653.20 m。

研究區(qū)地下水類型為第四系松散土層孔隙裂隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水，地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性。

3 拱座邊坡變形破壞特征及破壞機(jī)制

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭露情況，施工便道開(kāi)挖已形成高約6 m 的薄～中厚層狀灰?guī)r順層邊坡，順層邊坡沿巖層面產(chǎn)生蠕滑變形，山體頂部出現(xiàn)裂縫。邊坡巖體巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖層間分布多層泥質(zhì)薄膜，結(jié)合程度差，深部呈閉合狀，發(fā)育間距為10～50 cm，層厚為0.5～8 mm，吸水后易軟化。調(diào)查期間，巖層層間一直存在地下水滲出，工程地質(zhì)條件較差，見(jiàn)圖2。

該邊坡巖體結(jié)構(gòu)為硬質(zhì)巖夾多層泥質(zhì)薄膜和軟質(zhì)巖的陡傾角順層邊坡，工程地質(zhì)條件較差。邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中，降雨沿節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面下滲，不斷軟化軟弱夾層，致使夾層及層間膠結(jié)物強(qiáng)度急劇降低。同時(shí)，基坑開(kāi)挖后，導(dǎo)致邊坡巖層產(chǎn)生順層臨空，在重力作用下沿軟弱層面產(chǎn)生順層蠕滑變形，坡頂產(chǎn)生拉張裂縫。

綜上，邊坡工程地質(zhì)條件差為基礎(chǔ)條件，降雨和工程活動(dòng)是邊坡順層滑移的誘發(fā)因素，該邊坡變形壞模式為蠕滑- 拉裂型。進(jìn)一步施工開(kāi)挖，邊坡可能發(fā)生大規(guī)模沿層面順層滑移失穩(wěn)破壞。

4 邊坡防護(hù)方案的有限元分析

4.1 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案一為抗滑樁+減載+坡面豎梁錨索、獨(dú)立錨索防護(hù)+左幅24#、右幅23#墩樁基加長(zhǎng)的防護(hù)形式，具體斷面圖見(jiàn)圖3。

設(shè)計(jì)方案二為抗滑樁+擋墻+豎梁錨索、獨(dú)立錨索加固的防護(hù)形式，具體斷面圖見(jiàn)圖4。

4.2 計(jì)算模型及參數(shù)選取

根據(jù)邊坡的結(jié)構(gòu)特征和物質(zhì)組成將模型進(jìn)行概化，邊坡模型中覆蓋層及基巖、混凝土回填均采用實(shí)體單元來(lái)模擬，而結(jié)構(gòu)單元中錨索采用植入式桁架，抗滑樁采用梁?jiǎn)卧M，最不利巖層層面采用接觸面來(lái)模擬。主要材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

該特大橋?qū)儆谥匾Y(jié)構(gòu)物，施工過(guò)程中和運(yùn)營(yíng)期不僅對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有要求，而且對(duì)于變形量控制也有嚴(yán)格規(guī)定。考慮到拱座基坑邊坡巖體為硬質(zhì)巖夾泥膜、軟質(zhì)巖結(jié)構(gòu)，在降雨情況下屬于極易產(chǎn)生順層滑坡，故對(duì)降雨情況下兩種邊坡防護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

（1） 拱座開(kāi)挖后邊坡整體水平位移分布

拱座開(kāi)挖后兩種防護(hù)方案下邊坡水平位移云圖和穩(wěn)定性系數(shù)。當(dāng)采用方案一作為邊坡防護(hù)方案預(yù)加固時(shí)，拱座開(kāi)挖后坡體整體穩(wěn)定性系數(shù)高于方案二，安全儲(chǔ)備更高，而位移相對(duì)方案二稍大，潛在滑動(dòng)帶范圍深于方案二。方案一抗滑樁樁最大位移位于樁中上部約為4.2 mm，而方案二的抗滑樁最大位移位于樁頂處，約為4.5 mm。

（2） 施工后邊坡整體水平位移分布

方案一拱座開(kāi)挖后坡體整體穩(wěn)定性系數(shù)高于方案二，安全儲(chǔ)備更高，坡體整體位移也較方案二小。方案一抗滑樁樁最大位移約為0.9 mm，拱座最大位移約為0.92 mm，影響范圍內(nèi)的橋墩最大水平位移0.3 mm，方案二的抗滑樁最大位移約為4.5 mm，拱座最大位移約為1.4 mm，影響范圍內(nèi)的橋墩最大水平位移0.3 mm。兩種方案下抗滑樁、拱座、邊坡體最大水平位移均為1～1.5 mm 之間，滿足相關(guān)結(jié)構(gòu)的變形控制要求。

通過(guò)對(duì)比分析可以看出，兩種方案均能保證

邊坡穩(wěn)定性，且滿足變形控制要求。但是方案一比方案二可節(jié)省投資約190 萬(wàn)元，按照安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)原則，故推薦方案一作為該拱座基坑邊坡的防護(hù)方案。

5 結(jié)論

（1） 坡體結(jié)構(gòu)為硬質(zhì)巖夾多層泥質(zhì)薄膜和軟質(zhì)巖的陡傾角順層邊坡，工程地質(zhì)條件較差，此類邊坡極易產(chǎn)生順層滑移，工程建設(shè)中應(yīng)對(duì)此類邊坡采用強(qiáng)支擋防護(hù)。

（2） 工程地質(zhì)條件差是順層巖質(zhì)邊坡發(fā)生失穩(wěn)的基本條件，降雨和工程活動(dòng)是邊坡順層滑移的主要誘發(fā)因素，此類邊坡變形壞模式一般為蠕滑- 拉裂型。

（3） 有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，此類邊坡采用坡腳支擋加清方分區(qū)加固方案更符合安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)要求。