硬質巖路塹邊坡改建穩定性分析與加固設計

■孫林鋒

（福州市勘測院有限公司，福州 350108）

隨著城市交通需求的不斷增長，城市道路拓寬需求日益增長，尤其在丘陵地區，常要對既有邊坡進行擴寬改建加固。 城市道路受周邊建（構）筑物及道路紅線限制，大部分邊坡無法依據原邊坡坡率及支護方案進行簡單的擴寬改建，需要進行專項加固設計。 特別對道路既有硬質巖路塹高邊坡，由于其結構的復雜性，改建的穩定性分析及加固設計仍然沒有比較完善統一的體系。 判定分析巖質邊坡穩定存在太多復雜性，對巖質邊坡進行分析方法多式多樣[1-3]。 目前，巖質邊坡穩定性的評價方法主要可分為定性分析方法、 定量分析方法以及非確定性方法，其中定性分析方法主要有自然（成因）歷史分析法、工程類比分析法和赤平投影圖解法，定量分析方法主要有極限平衡法和數值分析法，非確定性方法主要為可靠性分析法和模糊綜合評價法。 硬質巖質邊坡可根據不同的破壞模式選擇不同的方法進行分析。 基于此，本文以福州某快速路路塹硬質巖邊坡改建設計為例，通過赤平極射投影法對其穩定性進行定性分析評價，以初步確定采用開挖坡腳的方式進行改建，同時采用有限差分數值計算軟件建立邊坡數值分析模型，分析巖質邊坡開挖后穩定性，并針對數值分析中呈現出的邊坡薄弱位置，確定對邊坡坡腳增設預應力錨桿防止淺部巖體滑移式崩塌破壞，以期為類似硬質巖邊坡的改建加固分析提供參考。

1 工程概況

福州某快速路因匝道接入，需要改建既有路塹巖質邊坡來滿足加速車道寬度要求。 該邊坡高度約40～47 m，現狀采用分階放坡，第一、二階坡高8 m，采用護面墻防護，第三階一坡到頂，坡率約1∶1.4。邊坡巖體巖性為中粒花崗巖，呈灰白或淺紅，屬硬質巖。 坡頂無覆蓋層，坡體巖體以中—微風化為主，巖體完整程度屬較完整—完整，塊狀結構，局部因前期采石爆破呈較破碎狀，以Ⅱ類巖體為主。 地下水主要為基巖裂隙水，主要賦存于花崗巖的構造裂隙和風化裂隙中，富水性差，水量較小。 通過查閱區域地質資料及現場調查，未見規模較大的控制性軟弱結構面及區域性斷裂通過。

2 赤平投影定性分析

赤平投影在構造地質學中用以解決地質構造的角度和方位問題，是定性分析巖質邊坡穩定性分析的重要方法。 通過系統收集地質數據，利用赤平投影法使地質數據便于評價分析邊坡穩定性，可使復雜的空間組合關系轉化為簡單的平面關系，可以直觀地表明各組結構面的組合關系、切割體與邊坡相對關系，確定結構面穩定性和組合體的穩定性及其空間分布位置，也可預判不穩定巖體可能的滑移方向，以進一步做出防范措施。

本工程通過現場地質測繪（圖1），調查邊坡巖體的巖性、結構面產狀等特征，用于初步判定邊坡的穩定性，確定邊坡初步支護方案。 地質測繪成果顯示：本邊坡為燕山晚期中?；◢弾r，邊坡巖體主要發育3 組節理（表1）， 其產狀為27°∠85°、135°∠72°、317°∠38°，現狀邊坡坡面22°∠68°。 各組裂隙平直光滑，未張開無填充，分布于整個邊坡區域。如圖2 所示， 根據赤平投影分析：J1 與J3 相互切割，其交點與邊坡投影弧在同一側，兩者形成的楔形體與坡面同傾向，傾角小于坡角，屬于穩定—較穩定狀態。 隨著后期道路拓寬改建，改建方案需減小邊坡坡率， 加大邊坡傾角， 在裂隙J2 影響下，J1與J3 形成的楔形體在中強地震、 暴雨等工況下易發生局部滑移式崩塌破壞，對不利或潛在滑移體可采取有效的措施進行加固。

表1 結構面參數

圖1 現場地質調查情況

圖2 赤平投影分析

3 邊坡改建方案討論

現狀邊坡坡腳設置有2 m 的碎落臺，邊坡第一、二階均采用8 m 護面墻防護，第三階采用1∶1.4放坡至坡頂。 為滿足加速車道的拓寬要求，在占用碎落臺并拆除邊坡護面墻后，還要向內開挖邊坡約3.1 m。 若按原設計坡率及護面墻防護方案，需對邊坡進行全斷面開挖，“削山皮”的施工方式不僅開挖土方量大、施工難度大，還要設置一個高大、堅固的防護欄以保障施工期間道路通行車輛的安全。 綜合邊坡施工便利、可實施性等因素，初步確定邊坡改建方案為：拆除護面墻，按1∶0.1 開挖坡腳，以滿足拓寬要求。 根據赤平投影分析結論，開挖坡腳加大了第一階邊坡坡面傾角， 易發生楔形體滑移式崩塌，需要采取必要的加固措施。 本文結合數值分析方法，進一步分析邊坡改建的穩定性，并據此確定加固措施，以驗證加固措施的可靠性。

4 邊坡穩定性數值分析

采用有限差分數值計算軟件對邊坡穩定性數值模擬計算，并選用強度折減法分析巖質邊坡的穩定性。 強度折減法計算巖質邊坡的安全系數時，將坡體的初始黏結力c0和內摩擦角φ0同時除以同一折減系數F，不斷增大折減系數F，進行數值計算，反復循環直到坡體達到臨界破壞狀態，對應的折減系數F 為巖質邊坡的安全系數。 此時的黏聚力和內摩擦角為ccr和φcr，對應的安全系數為Kcr=1，初始邊坡的安全系數可由公式（1）得到。

4.1 建立模型

邊坡計算模型采用2D 實體三節點三角形和四節點四邊形單元來模擬巖體，計算模型巖體材料采用Mohr-Coulomb 屈服準則，并選用彈塑性模型，初始應力場為自重應力場。 本項目巖土體的物理力學參數如下：容重γ 25.5 kN/m3、黏聚力c 1.6 MPa、內摩擦角φ 50°，彈性模量E 15 GPa、泊松比μ 0.25。模型的邊界條件設置如下：左右邊界不允許水平位移，施加水平方向約束；底部采用鉸支約束豎直、橫向方向位移，其余各面均自由。 邊坡模型共計32 457 個單元，21 713 個節點。

4.2 邊坡數值計算結果分析

采用強度折減法計算得到邊坡改建前的安全系數為8.02。 邊坡拓寬開挖后，當強度折減系數為7.61 時，邊坡處于臨界破壞狀態。 從邊坡臨界狀態的最大剪切應變增量云圖（圖3）上看，邊坡最大剪應變增量的極值出現在邊坡坡腳，最大剪切應變增量的集中帶從邊坡底部向頂部延伸，貫穿至邊坡坡頂，呈現圓弧狀，邊坡臨界狀態下發生整體圓弧剪切破壞。 邊坡整體穩定性好，邊坡坡腳開挖拓寬后邊坡整體安全系數由8.02 降至7.61，表明邊坡開挖對整體穩定性影響較小，邊坡穩定性滿足規范要求。

圖3 邊坡臨界狀態最大剪切應變增量云圖（對數值）

從邊坡開挖后巖體總位移云圖及變形矢量圖（圖4）上看，邊坡開挖產生的巖體變形主要集中在開挖的第一、第二階淺表巖體，除此之外邊坡其他部位幾乎無變形，總體變形量較小，變形最大的位置位于第一階坡頂，最大變形量僅為0.47 mm；從邊坡開挖后的最大主應力云圖（圖5）及最大剪切應力云圖（圖6）上看，開挖后邊坡第一階及第二階淺部巖體存在應力松弛，表明邊坡開挖產生的松弛張裂較難向深部擴展，但坡腳應力梯度加大，應力松弛及應力集中情況加??；從邊坡開挖后最大剪切應變增量云圖（圖7）上看，邊坡最大剪切應變集中在第一、二階的淺部巖體，由跛腳貫通至第二階平臺頂部，最大剪切應變為3.468 8×10-4N。 綜上分析表明，邊坡開挖后的坡腳及第一、二節邊坡是本邊坡薄弱位置，需重點加強支護。

圖4 邊坡開挖后巖體總位移云圖及變形矢量圖

圖5 邊坡開挖后最大主應力云圖

圖6 邊坡開挖后最大剪切應力云圖

圖7 邊坡開挖后最大剪切應變增量云圖

從邊坡開挖前、 開挖后的塑性區分布情況看（圖8、9）， 原邊坡的巖體塑性區主要分布在邊坡第一、二階淺部巖體，以拉破壞為主，由坡面向內發展的深度約4～5 m，上下階塑性區相對獨立，未形成貫通。 原邊坡在第一、二階設置了護面墻，以防止局部巖體可能產生的塌落破壞。 邊坡改建擬開挖第一階坡腳，邊坡開挖后的塑性區在第一階平臺區域向內、向上進一步發展，使得邊坡第一、二階的塑性區聯系貫通。 這會使此處巖體的既有裂隙進一步張裂、擴展，在3 個主要裂隙面共同作用下，加大較大規模楔形體滑移式崩塌的風險。 綜上分析，擬考慮在第一階增加預應力錨桿框架以控制邊坡第一階塑性區的發展，減小淺部巖體松弛張裂。 第二階邊坡上半部分的塑性區在邊坡開挖后未發生明顯的發展，故僅考慮增加被動防護措施，以替代原護面墻的作用。 具體方案為：錨桿采用3 m×3 m 間距布置，長度15 m、間距3 m 布置，采用φ32 精軋螺紋鋼，設計拉力為400 kN，預加力為300 kN，錨桿外設置混凝土框架，在框架頂部增加2 m 鋼筋混凝土平臺，作碎落臺使用。

圖8 邊坡開挖前的塑性區分布

圖9 邊坡開挖后的塑性區分布

為驗證預應力錨桿加固措施的支護效果，在邊坡計算模型中增設錨桿，通過邊坡安全穩定系數、巖體位移、最大剪切應變增量及塑性區等評估預應力錨桿的支護效果[4-6]。 計算模型采用結構單元cable模擬錨桿，賦予各個cable 單元參數信息，包括彈性模量、泊松比、漿體黏結力等；采用結構單元beam模擬框架梁[7-9]。 具體框架梁及錨桿參數如表2 所示。

表2 結構材料參數

通過強度折減法計算邊坡穩定性， 增設預應力錨桿后，邊坡安全穩定系數增大至8.19。從邊坡施加錨桿后的巖體總位移云圖及變形矢量圖（圖10）上看，邊坡第一階的位移得到有效控制，巖體的最大位移由0.47 mm 降至0.29 mm，最大位移所在位置由第一階平臺處變為第二階平臺處。 從邊坡施加錨桿后最大剪切應變增量云圖（圖11）上看，第一階邊坡最大剪切應變降低約70%， 最大剪切應變集中帶僅分布在第二階淺部巖體。 從邊坡施加錨桿后塑性區分布圖（圖12）上看，邊坡第一階的塑性區面積略有縮小， 邊坡第一階平臺后的巖體塑性區發展得到有效控制，邊坡第一、二階塑性區未形成貫通。上述分析表明在邊坡第一階增設預應力錨桿有效改善了邊坡坡腳應力應變狀態， 抑制了淺部巖體既有裂隙的擴展，大幅降低了邊坡局部楔形體滑移式崩塌破壞的風險。

圖10 邊坡施加錨桿后的巖體總位移云圖及變形矢量圖

圖11 邊坡施加錨桿后最大剪切應變增量云圖

圖12 邊坡施加錨桿后塑性區分布圖

最終邊坡改建加固設計方案（圖13）確定為：拆除邊坡護面墻， 第一階邊坡按0∶0.1 坡率開挖并設置預應力框架進行支護， 其余基本保留現狀坡率；對于第二階邊坡， 拆除護面墻后清理坡面松動巖石，局部節理密集處掛柔性防護網；坡頂設置被動防護網，防止坡頂滾石掉落。

圖13 K0+585-K0+820 邊坡設計剖面

5 實施效果

本邊坡每間隔15～20 m 設置1 個監測斷面，每個斷面在邊坡坡頂，重點在邊坡第一階、第二階平臺處設置了水平及沉降監測點。 邊坡開挖先拆現狀第一、二階護面墻，再采用靜態裂解的方式進行坡腳開挖，并施工預應力錨桿框架。 邊坡施工全過程未發生巖體崩塌等不利情況。 從各監測點監測結果看，邊坡坡頂位移接近為0；第二階平臺頂水平位移在0.15～0.68 mm 之間，沉降在0.02～0.18 mm；第一階平臺頂水平位移多在0.16～1.4 mm，沉降在0.12～0.85 mm。 個別監測點變化數值較大，經現場查勘，判斷開挖機械破壞導致。

6 結語

以福州某快速路路塹巖質邊坡改建設計為例，采用赤平投影定性分析、數值計算定量分析相結合的方法來評價邊坡開挖后的穩定性、討論改建加固支護方案并確定邊坡重點加固部位，通過邊坡巖體位移、應力應變特征及塑性區分布等評價加固方案的支護效果，得到的主要結論如下：（1）硬質巖路塹邊坡改擴建的穩定性可先采用赤平投影法定性分析，再結合數值模擬法定量分析。 對于本邊坡改擴建來說，赤平投影法分析表明邊坡結構面處于穩定—較穩定狀態；基于強度折減法的數值模擬分析表明邊坡開挖后的安全穩定系數為7.61，坡腳開挖對邊坡整體穩定性影響較小，邊坡改擴建開挖后的整體穩定性滿足使用要求。 （2）赤平投影分析顯示坡腳開挖加大了坡面傾角，易引發楔形體滑移式崩塌；數值模擬揭示開挖坡腳后邊坡巖體變形、剪切應變及塑性區等主要集中坡腳淺部巖體，邊坡坡腳應是本邊坡改擴建重點加固的部位。 數值計算及監測結果表明，預應力錨桿有效控制了淺部巖體松弛張裂的發展，大大降低了邊坡下部楔形體滑移崩塌的風險。 （3）硬質巖路塹邊坡采用坡腳開挖并施加預應力錨桿（索）進行加固的改擴建方案，有效保證了改建后巖質邊坡的安全穩定，節約了造價，分析思路及工程經驗可為類似工程提供借鑒。