深挖土質(zhì)路塹高邊坡施工動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性研究

摘要：文章從工程實(shí)例出發(fā)，結(jié)合MIDAS GTS NX三維有限元軟件建模，研究深挖土質(zhì)路塹高邊坡施工動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。通過(guò)計(jì)算分析不同工況下路塹邊坡的安全系數(shù)與邊坡土體內(nèi)部最大塑性應(yīng)力值，闡明了實(shí)際施工中深挖路塹邊坡穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著開挖深度不斷增大，邊坡的整體安全系數(shù)持續(xù)減小，邊坡內(nèi)部土體的最大塑性應(yīng)力值逐步增大，說(shuō)明路塹從開挖伊始至開挖成型，路塹邊坡的穩(wěn)定性存在持續(xù)劣化；在開挖前，合理地設(shè)計(jì)每層開挖高度與適當(dāng)?shù)卦黾舆吰缕脚_(tái)寬度能夠有效遏制邊坡穩(wěn)定性劣化。

關(guān)鍵詞：深挖路塹；高邊坡；邊坡穩(wěn)定性；邊坡安全系數(shù)

中圖分類號(hào)：U416.1+4A080243

0 引言

深挖土質(zhì)路塹工程是我國(guó)西北中高海拔地區(qū)廣泛遇到的施工內(nèi)容［1］，實(shí)踐中一般采用“分級(jí)開挖，開挖一級(jí)防護(hù)或修整一級(jí)，以此循環(huán)至路塹成型”的施工方法，其路塹高邊坡的穩(wěn)定性是各方關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題［2］。通常設(shè)計(jì)方及其技術(shù)支持文件僅在簡(jiǎn)單的二維平面上采用直線法或瑞典圓弧法等方法對(duì)路塹成型后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，從而提出邊坡靜態(tài)安全系數(shù)，以評(píng)估邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)［3-4］，不難發(fā)現(xiàn)此過(guò)程基本忽略了開挖中土體應(yīng)力釋放、沉降固結(jié)及施工附加荷載等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成較大動(dòng)態(tài)影響的重要事實(shí)［5］。

大量工程師和研究人員對(duì)這類問(wèn)題研究做出了巨大努力和探索，但不少因土質(zhì)路塹高邊坡在施工中出現(xiàn)滑移、崩塌、垮塌等造成人員傷亡和大量經(jīng)濟(jì)損失的嚴(yán)酷事實(shí)表明，對(duì)邊坡的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性還應(yīng)作進(jìn)一步深入研究和了解［6-7］。

本文以實(shí)際工程為例，根據(jù)路塹開挖實(shí)際工況條件，從邊坡安全系數(shù)的變化與土體內(nèi)部最大塑性應(yīng)力的發(fā)展出發(fā)，通過(guò)專業(yè)巖土三維仿真模型計(jì)算分析，對(duì)深挖土質(zhì)路塹高邊坡施工動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 工程概況

甘肅蘭州西某段深挖路塹工程橫穿兩沖溝之間的勻質(zhì)黃土梁峁山體，起訖樁號(hào)為K16+400～K16+843，總長(zhǎng)為443 m，覆土層最大深度為200 m左右，路塹最大挖深達(dá)到51.7 m。施工采用臺(tái)階式分級(jí)開挖，從上至下共分為11級(jí)，第11級(jí)邊坡坡率為1∶ 其余各級(jí)邊坡坡率為1∶0.5；第1級(jí)邊坡高度為9.7 m，第11級(jí)邊坡高度為6.0 m，其余各級(jí)邊坡高度都是4.0 m。第11級(jí)邊坡采用六棱塊空心磚護(hù)面防護(hù)，其余各級(jí)邊坡不做防護(hù)。坡腳碎落臺(tái)寬度為2 m，第4級(jí)邊坡平臺(tái)寬度為15 m，其余各級(jí)邊坡平臺(tái)寬度均為3 m（見(jiàn)圖1）。

2 仿真模型

2.1 軟件簡(jiǎn)介

本研究采用Midas GTS NX巖土專業(yè)大型有限元分析軟件，該軟件特別適用于進(jìn)行邊坡工程分析、隧道工程分析、橋梁深基礎(chǔ)分析和多應(yīng)力場(chǎng)耦合分析等，并可以配置多種施工階段和工況條件。相較于Ansys、FLAC 3D及ABAQUS等重于機(jī)理研究的三維數(shù)值模擬軟件而言，Midas GTS NX更貼近于實(shí)際施工，且分析結(jié)果準(zhǔn)確而不失真。

2.2 模型的建立

2.2.1 模型尺寸及單元?jiǎng)澐?/p>

取150 m深挖路塹段長(zhǎng)度作為計(jì)算對(duì)象，為盡量減小邊界效應(yīng)對(duì)模型計(jì)算的影響，根據(jù)圣維南原理及本次所建模計(jì)算目的（各開挖工況下路塹邊坡安全系數(shù)及路塹邊坡內(nèi)部塑性區(qū)域分布），模型長(zhǎng)度約為開挖斷面總寬度的3倍，即430 m，模型深度約為路塹邊坡最大高度深度的5倍，即182 m。路塹開挖斷面按實(shí)體工程1∶1建立。為保證計(jì)算精度，模型采用六面體單元進(jìn)行劃分網(wǎng)格，并采用布撒種子線的方式進(jìn)行網(wǎng)格的尺寸及質(zhì)量控制（見(jiàn)表1、圖2及圖3）。

2.2.2 物理力學(xué)參數(shù)設(shè)置

為較好地刻畫土體的力學(xué)行為，模型中黃土介質(zhì)采用修正摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)進(jìn)行模擬。參照地質(zhì)勘察報(bào)告中給出的土體物理力學(xué)指標(biāo)，各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)取值如表2所示。

2.2.3 確定計(jì)算工況

基于Midas Gts NX軟件的內(nèi)置單元生死功能，按照實(shí)際路塹實(shí)際開挖工序設(shè)定計(jì)算工況（見(jiàn)表3）。

3 結(jié)果分析

本研究主要從兩個(gè)方面分析深挖路塹高邊坡的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性：（1）每一層開挖施工結(jié)束后，路塹邊坡整體的安全系數(shù)變化；（2）每一層開挖施工結(jié)束后，邊坡土體內(nèi)部最大塑性應(yīng)力的發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 邊坡安全系數(shù)

根據(jù)土力學(xué)基本理論，路塹每開挖一層，地層土體就卸荷一次，進(jìn)而影響已經(jīng)成型的路塹邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，其邊坡的整體安全系數(shù)必定隨著開挖的進(jìn)行而發(fā)生變化，將每次計(jì)算得到的安全系數(shù)與規(guī)范值進(jìn)行對(duì)比，即可動(dòng)態(tài)評(píng)判路塹邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)模型計(jì)算，可得到路塹每一層開挖施工結(jié)束后路塹邊坡整體的安全系數(shù)（見(jiàn)表4及下頁(yè)圖4）。

根據(jù)表4及圖4可看出，隨著路塹逐步向下深挖，其邊坡的整體安全系數(shù)呈S曲線狀持續(xù)減小，表明邊坡的穩(wěn)定性在施工擾動(dòng)卸荷條件下持續(xù)劣化，從第1層開挖結(jié)束（邊坡整體安全系數(shù)為1.6）至第11層開挖結(jié)束，（邊坡整體安全系數(shù)為1.1），降幅達(dá)到了31.3%。

從第1層開挖結(jié)束至第4層開挖結(jié)束過(guò)程后安全系數(shù)減小趨勢(shì)最為明顯，且降幅最大（下降值達(dá)0.325），可見(jiàn)較高的第1層的開挖高度（9.7 m）對(duì)安全系數(shù)的影響最為劇烈。由于在第4層與第5層開挖面之間存在一個(gè)較寬的平臺(tái)（15.0 m），使后續(xù)每層開挖對(duì)邊坡安全系數(shù)的劣化影響變?nèi)酰踔猎诘?層開挖后，安全系數(shù)反而在土體固結(jié)效應(yīng)下出現(xiàn)反彈且小幅增大的現(xiàn)象。

通過(guò)上述分析可見(jiàn)，路塹邊坡安全系數(shù)的變化存在一種累積疊加的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，在這種效應(yīng)下，路塹成型后得到的安全系數(shù)極有可能超出規(guī)范的容許標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)而造成施工過(guò)程的不安全，從而需要考慮增設(shè)合理的邊坡防護(hù)措施。可見(jiàn)，過(guò)往研究或設(shè)計(jì)中僅在二維平面上計(jì)算路塹成型后的靜態(tài)安全系數(shù)的做法值得懷疑。

3.2 最大塑性應(yīng)力

最大塑性應(yīng)力分布在邊坡土體內(nèi)部，且必定分布在邊坡土體的潛在下滑面附近（見(jiàn)圖5）。根據(jù)土力學(xué)基本原理，土體最大塑性應(yīng)力的大小能夠表征土體在荷載作用下是否發(fā)生不可逆的變形破壞，其值越大，土體就越容易發(fā)生破壞。若邊坡土體內(nèi)部最大塑性應(yīng)力值超過(guò)土體自身的抗剪強(qiáng)度，則邊坡必然出現(xiàn)剪切破壞，呈現(xiàn)為邊坡滑坡、垮塌或崩塌等災(zāi)害。將每次計(jì)算得到的最大塑性應(yīng)力值與土工試驗(yàn)得到的土體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，可進(jìn)一步動(dòng)態(tài)評(píng)判路塹邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)本文前述邊坡整體安全系數(shù)隨著路塹的挖深而持續(xù)減小，可知邊坡土體內(nèi)部的最大塑性應(yīng)力值應(yīng)隨著路塹的挖深而持續(xù)增大。通過(guò)模型計(jì)算，可得到路塹每一層開挖施工結(jié)束后路塹邊坡土體內(nèi)部的最大塑性應(yīng)力（見(jiàn)表5及圖6）。

根據(jù)表5及圖6可以看出，隨著路塹逐步向下深挖，其邊坡土體內(nèi)部的最大塑性應(yīng)力逐步增大，從路塹第1層開挖結(jié)束（最大塑性應(yīng)力為49.7 kPa）至第11層開挖結(jié)束（最大塑性應(yīng)力為104.4 kPa），增幅達(dá)到了52.4%。同樣的，受到第4層與第5層開挖面之間較寬的平臺(tái)的影響，路塹邊坡土體內(nèi)部最大塑性應(yīng)力發(fā)展曲線的線型規(guī)律和累積效應(yīng)與安全系數(shù)一致。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從工程實(shí)例出發(fā)，結(jié)合三維有限元仿真建模，計(jì)算了表征深挖土質(zhì)路塹高邊坡動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的重要參數(shù)，即實(shí)際開挖工況條件下路塹邊坡安全系數(shù)與邊坡土體內(nèi)部最大塑性應(yīng)力值，且計(jì)算研究結(jié)果得到了良好的相互印證。大量同類工程的成功實(shí)踐證明，本次研究并不是對(duì)前人設(shè)計(jì)及研究成果的全盤否定，而僅是站在過(guò)往基礎(chǔ)上對(duì)同一關(guān)注問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究和分析，并致力于為今后類似工程實(shí)踐提供更高的安全度。經(jīng)過(guò)本次研究，可以得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）深挖土質(zhì)路塹在實(shí)際開挖施工中，路塹邊坡的穩(wěn)定性存在一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，其變化的基本規(guī)律是：隨著開挖深度的不斷增大，邊坡的整體安全系數(shù)持續(xù)減小，邊坡內(nèi)部土體的最大塑性應(yīng)力值逐步增大。這闡明了路塹從開挖伊始至開挖成型，路塹邊坡的穩(wěn)定性存在持續(xù)劣化的事實(shí)，說(shuō)明在今后類似工程中必須進(jìn)一步考慮增設(shè)邊坡防護(hù)措施的必要性。

（2）適當(dāng)?shù)卦黾舆吰缕脚_(tái)寬度對(duì)保證邊坡穩(wěn)定十分有利，例如本文提到第4層與第5層開挖面之間15 m寬度的平臺(tái)，其明顯遏制了邊坡安全系數(shù)減小和內(nèi)部最大塑性應(yīng)力增大的趨勢(shì)。

（3）在路塹開挖前，合理地設(shè)計(jì)每層開挖高度能夠有效減弱對(duì)土體的卸荷擾動(dòng)效應(yīng)，例如工程實(shí)例中第1層開挖高度較高（達(dá)到9.7 m），反映對(duì)邊坡安全系數(shù)變化及內(nèi)部土體最大塑性應(yīng)力發(fā)展的影響較劇烈。

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收稿日期：2023-10-18

作者簡(jiǎn)介：周先聲（1983—），工程師，主要從事工程管理工作。