孟慶文，冷伍明，肖武權(quán)

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142;2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

在山區(qū)鐵路建設(shè)中存在大量高陡邊坡。對(duì)于在自然狀態(tài)下穩(wěn)定的邊坡，在施工過(guò)程和施工后是否穩(wěn)定是擺在鐵路建設(shè)中的一個(gè)重要課題?？紤]施工過(guò)程邊坡穩(wěn)定性和變形特征有利于正確判斷各施工階段邊坡穩(wěn)定，采取合理的施工工藝?？紤]施工過(guò)程穩(wěn)定性分析已有不少研究成果［1－2］，對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析方法很多，而極限平衡理論是經(jīng)典的邊坡穩(wěn)定性分析方法，極限平衡方法雖然有一定的局限性［3］，因其概念清楚，方法簡(jiǎn)單而在實(shí)際工程中被廣泛采用［4］。極限平衡方法有很多種，如普通條分法(瑞典圓弧法，F(xiàn)el1enious法)、簡(jiǎn)化 Bishop法、Janbu普通條分法、Morgenstern－price法等［5－6］。對(duì)邊坡變形預(yù)測(cè)研究分析大多采用有限元分析，方法很多［7－11］。本文以長(zhǎng)昆鐵路客運(yùn)專線某高陡邊坡為例，分析邊坡在施工過(guò)程的穩(wěn)定性與變形特征。

1 邊坡概況、開挖階段劃分與巖土參數(shù)

研究線路位于長(zhǎng)昆鐵路客運(yùn)專線新建鄉(xiāng)特大橋與黃板橋1號(hào)大橋之間的路塹邊坡，中心最大挖深27.5 m，最大塹坡高42 m。邊坡地層為黏土、強(qiáng)～弱風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r。巖層產(chǎn)狀為131°∠54°，中線走向 258.6°。

計(jì)算橫斷面DK316+729.764.2如圖1所示。左側(cè)邊坡為設(shè)置五級(jí)臺(tái)階的路塹邊坡，高度為42 m，右側(cè)邊坡為設(shè)置二級(jí)臺(tái)階的路塹邊坡，高度為19 m。路基邊坡根據(jù)不同巖土性質(zhì)分別為1∶(1.5～1.1)。左側(cè)邊坡在開挖一級(jí)臺(tái)階后，在斜坡上設(shè)置3根錨桿，開挖二級(jí)臺(tái)階后，在斜坡上設(shè)置2根錨桿，開挖三級(jí)臺(tái)階后，在斜坡上設(shè)置2根錨桿，錨桿長(zhǎng)度統(tǒng)一為12 m;右側(cè)邊坡在開挖二級(jí)臺(tái)階后，在斜坡上設(shè)置2根錨桿，錨桿長(zhǎng)度統(tǒng)一為10 m，錨桿采用直徑32 mm的HRB400螺紋鋼制作，鉆孔直徑110mm，鉆孔俯斜30°。錨桿彈性模量為2e+008 kPa。左側(cè)邊坡坡腳采用樁長(zhǎng)為14 m，樁截面尺寸為2×1.5 m，樁間距為6 m的樁板墻。

根據(jù)該段路基設(shè)計(jì)圖，本段路基為路塹。其施工過(guò)程主要以左側(cè)邊坡施工來(lái)劃分，根據(jù)設(shè)計(jì)，其施工過(guò)程可分為以下幾個(gè)階段，如圖1所示。

階段一:開挖第一級(jí)臺(tái)階(臺(tái)階編號(hào)從上往下);

階段二:施工1，2和3排錨桿;

階段三:開挖第二級(jí)臺(tái)階;

階段四:施工4和5排錨桿;

階段五:開第挖三級(jí)臺(tái)階;

階段六:施工6和7排錨桿;

階段七:開第挖四級(jí)臺(tái)階;

階段八:施工樁板墻并開挖第五級(jí)臺(tái)階和完成路基面開挖。

圖1 邊坡設(shè)計(jì)橫斷面示意圖Fig.1 Calculated section diagram

邊坡各地層主要巖土參數(shù)如表1所示。

表1 各地層主要巖土參數(shù)Table 1 Soil physical character

2 考慮施工過(guò)程穩(wěn)定性分析

本次研究中分別計(jì)算潛在滑動(dòng)面可能為圓弧形或折線(包括平面)2種情況，以及在不考慮地下水及考慮巖土全部被水飽和下邊坡最小安全系數(shù)。當(dāng)潛在滑動(dòng)面位于黏土中時(shí)，考慮滑動(dòng)面為圓弧形，分別采用力矩平衡法和靜力平衡法計(jì)算。采用力矩平衡法選擇了Fel1enious法、簡(jiǎn)化Bishop法和Morgenstern－price法(M.P法)。采用靜力平衡法時(shí)選擇了簡(jiǎn)化 Janbu法和 Morgenstern－price法(M.P法)。當(dāng)潛在滑動(dòng)面沿巖土分界面時(shí)，考慮潛在滑動(dòng)面為折線(包括平面)時(shí)，采用靜力平衡法，選擇了簡(jiǎn)化 Janbu法和 Morgenstern－price法(M.P法)。

2.1 滑動(dòng)面考慮為圓弧時(shí)穩(wěn)定性分析

表2是在考慮滑面為圓弧時(shí)在自然狀態(tài)和第一、二施工階段邊坡最小安全系數(shù)。由表2可看出，在天然邊坡狀態(tài)下，按4種方法計(jì)算的邊坡最小安全系數(shù)在不考慮地下水時(shí)為3.875，在考慮地下水時(shí)為3.346。在施工階段，邊坡安全系數(shù)最小值是在第一施工階段，即開挖一級(jí)邊坡后邊坡最小安全系數(shù)在不考慮地下水時(shí)為3.175，在考慮地下水時(shí)為2.744。顯然，地下水存在降低了邊坡的穩(wěn)定性［12－13，6－7］。邊坡在一級(jí)邊坡開挖并施作錨桿后，邊坡安全系數(shù)最大，且在以后開挖與施工階段，基本上不變化。從邊坡安全系數(shù)來(lái)看，無(wú)論是在自然狀態(tài)下還是施工過(guò)程中邊坡是安全的。

表2 滑動(dòng)面考慮為圓弧時(shí)最小安全系數(shù)Table 2 The minimum safety factors of slope of different phases(potential arc slope surface)

2.2 考慮潛在滑動(dòng)面為折線時(shí)穩(wěn)定性分析

表3是在考慮滑面為折線時(shí)在自然狀態(tài)和第一、二施工階段邊坡最小安全系數(shù)，由表3可看出，在天然邊坡狀態(tài)下，按2種方法計(jì)算的邊坡最小安全系數(shù)在不考慮地下水時(shí)為3.455，在考慮地下水時(shí)為2.821。在施工階段，邊坡安全系數(shù)最小值是在第一施工階段，即開挖一級(jí)邊坡后邊坡最小安全系數(shù)在不考慮地下水時(shí)為2.648，在考慮地下水時(shí)為1.870。邊坡在一級(jí)邊坡開挖并施作錨桿后，邊坡安全系數(shù)最大，且在以后開挖與施工階段，基本上不變化。從邊坡安全系數(shù)大小來(lái)看，在自然狀態(tài)和施工階段邊坡是安全的。

表3 考慮滑面為折線(包括平面)時(shí)最小安全系數(shù)Table 3 The minimum safety factors of slope of different phases(potential polygonal slope surface)

3 考慮施工過(guò)程邊坡變形分析

3.1 工點(diǎn)計(jì)算模型

計(jì)算采用平面應(yīng)變假設(shè)。有限元分析采用二維線彈性模型，邊坡巖土兩側(cè)為x方向約束，地基底部為x、y方向約束。分析區(qū)域共劃分2100個(gè)四邊形等參單元，錨桿采用單獨(dú)的桿系單元，樁板墻采用構(gòu)造單元(structure)模擬。有限單元?jiǎng)澐秩鐖D2所示。

圖2 邊坡單元?jiǎng)澐趾?jiǎn)圖Fig.2 Finite element model mesh generation

3.2 考慮開挖過(guò)程邊坡位移分析

邊坡在開挖施工過(guò)程中，由于卸荷作用，邊坡應(yīng)力重分配，沿水平和豎向發(fā)生位移［14］;在不同施工階段，位移大小和方向不同，呈復(fù)雜的變化。由于卸荷作用，邊坡以豎向向上位移為主，如圖3所示。

3.2.1 累積水平位移分析

圖3 第八施工階段邊坡位移矢量圖Fig.3 The slope displacements vector graph of the eighth construction state

表4為各施工階段累計(jì)水平位移變化范圍。圖4為最后施工階段累計(jì)水平位移等值線圖。圖4和表4中正值表示向右方向位移，負(fù)值表示向左方向位移。由表4可看出:各施工階段水平位移值不大，隨著施工進(jìn)行位移逐漸增大，位移最大值發(fā)生在最后施工階段?？拷履_，一般水平位移與坡向相同;而在開挖坡體上方，則水平位移方向隨施工進(jìn)行發(fā)生復(fù)雜變化，可與坡向相同或與坡向相反。施加錨桿后，一般在土質(zhì)邊坡處發(fā)生向坡體內(nèi)位移，說(shuō)明錨桿限制了坡體向坡向方向的位移［15］，而在巖質(zhì)邊坡處，則沒有明顯的影響。在不考慮地下水時(shí)，正位移最大值為1.6 mm，負(fù)位移最大值為2.3 mm。地下水的存在降低了邊坡的巖土強(qiáng)度，變形增加［7］，考慮地下水充滿邊坡時(shí)，各施工階段水平位移值有些變化，一般正位移增大，最大值為6.4 mm，負(fù)位移變小，但第七和最后施工階段則變大為4.9 mm。

表4 各施工階段累計(jì)水平位移變化范圍Table 4 Horizontal displacements of shoring structure of different phases

圖4 第八施工階段邊坡累積水平位移等值線圖(考慮地下水)Fig.4 Slope horizontal displacements isogram of the eighth construction(saturated)(displacement unit:m)

3.2.2 邊坡累積垂直位移分析

表5所示為各施工階段累計(jì)垂直位移變化范圍，圖5所示為最后施工階段累計(jì)垂直位移等值線圖，表中正值表示垂直向上方向發(fā)生位移(上隆)，負(fù)值表示垂直向下方向發(fā)生位移(沉降)。由于是路塹邊坡，開挖卸荷作用使坡體發(fā)生回彈變形，隨著邊坡開挖的進(jìn)行，累積垂直位移(向上回彈)逐漸增加。由表5可看出:豎向位移值以正值(上隆)占絕對(duì)主導(dǎo)地位，位移最大值發(fā)生在最后施工階段。即發(fā)生在開挖至設(shè)計(jì)位置，最大值位于四級(jí)邊坡臺(tái)階，不考慮地下水充滿邊坡時(shí)，最大值為11.1 mm;考慮地下水充滿邊坡時(shí)，最大值為10.6 mm。因此，當(dāng)邊坡充滿地下水時(shí)，邊坡垂直回彈變形略減小。

表5 各施工階段累計(jì)垂直位移變化范圍Table 5 Vertical displacements of shoring structure of different phases

圖5 第八施工階段邊坡累積垂直位移圖(不考慮地下水)Fig.5 Slope vertical displacements isogram of the eighth construction(anhydrous)(displacement unit:m)

4 結(jié)論

(1)考慮滑面為圓弧時(shí)，在天然邊坡狀態(tài)下，按4種穩(wěn)定性方法計(jì)算的邊坡最小安全系數(shù)在不考慮地下水時(shí)為3.875，考慮地下水時(shí)為3.346。在施工階段，邊坡安全系數(shù)最小值是在第一施工階段，即開挖一級(jí)邊坡后邊坡最小安全系數(shù)在不考慮地下水時(shí)為3.175，在考慮地下水時(shí)為2.744。顯然，地下水存在降低了邊坡的穩(wěn)定性。

(2)考慮滑面為折線時(shí)，在天然邊坡狀態(tài)下，按二種穩(wěn)定性方法計(jì)算的邊坡最小安全系數(shù)在不考慮地下水時(shí)為3.455，在考慮地下水時(shí)為2.821。在施工階段，邊坡安全系數(shù)最小值是在第一施工階段，不考慮地下水時(shí)為2.648，考慮地下水時(shí)為1.870。邊坡在一級(jí)邊坡開挖并施作錨桿后，邊坡安全系數(shù)最大，且在以后開挖與施工階段，基本上不變化。

(3)邊坡在開挖施工過(guò)程中，邊坡應(yīng)力重分配，沿水平和豎向發(fā)生位移;在不同施工階段，位移大小和方向不同，呈復(fù)雜的變化:

①隨著施工進(jìn)行位移逐漸增大，位移最大值發(fā)生在最后施工階段?？拷履_，一般水平位移與坡向的相同;而在開挖坡體上方，則水平位移方向隨施工進(jìn)行發(fā)生復(fù)雜變化，可與坡向相同或與坡向相反。施加錨桿后，一般在土質(zhì)邊坡處發(fā)生向坡體內(nèi)位移，說(shuō)明錨桿限制了坡體向坡向方向的位移，而在巖質(zhì)邊坡處，則沒有明顯的影響?？紤]地下水充滿邊坡時(shí)，各施工階段水平位移增大，最大可增大至無(wú)水時(shí)的4倍，即從1.6 mm增大到了6.4 mm。

②各施工階段累計(jì)垂直位移垂直向上(上隆)，隨著邊坡開挖的進(jìn)行，累積垂直位移(向上回彈)逐漸增加，最大值發(fā)生在最后施工階段:不考慮地下水時(shí)，最大值為11.1 mm;考慮地下水充滿邊坡時(shí)，最大值為10.6 mm。因此當(dāng)邊坡充滿地下水時(shí)，邊坡垂直回彈變形略為減小。

(4)按現(xiàn)行高速鐵路規(guī)范設(shè)計(jì)的邊坡，穩(wěn)定性有較好的保障，其位移在可接受的范圍內(nèi)。地下水對(duì)坡體水平位移影響明顯，在地下水變化較大的山區(qū)和雨季施工時(shí)應(yīng)引起注意，加強(qiáng)觀測(cè)和預(yù)防措施;錨桿對(duì)控制巖質(zhì)邊坡局部位移有一定的作用。研究成果可用于指導(dǎo)該山區(qū)高速鐵路的邊坡設(shè)計(jì)，也可供同類工程設(shè)計(jì)和施工參考。

［1］王樂華，李建林，李映霞，等.茨哈峽水電站右岸泄洪霧化影響區(qū)巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(Supp 2):603 －606.WANG Le-hua，LI Jian-lin，LI Ying-xia，et al.Stability analysis of high rock slope in flood－affected and atomization zone at right bank of Cihaxia Hydropower Station［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32(Supp 2):603－606.

［2］王敏強(qiáng)，劉曉剛，艾建申.某廠房邊坡施工過(guò)程仿真及穩(wěn)定分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(Supp 2):2506－2510.WANG Min-qiang，LIU Xiao-gang，AI Jian-shen.Simulation of construction and consolidation process of a slope behind a workshop and stability analysis［J］.Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(Supp 2):2506－2510.

［3］劉耀儒，黃躍群，楊 強(qiáng)，等.基于變形加固理論的巖土邊坡穩(wěn)定和加固分析［J］.巖土力學(xué)，2011，32(11):3349－3354.LIU Yao-ru，HUANG Yue-qun，YANG Qiang，et al.Stability and reinforcement analysis of rock and soil slope based on deformation reinforcement theory［J］，Rock and Soil Mechanics，2011，32(11):3349 －3354.

［4］許湘華，朱能文，方理剛，等.貴州地區(qū)淺變質(zhì)巖公路邊坡穩(wěn)定性分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，8(4):42－48.XU Xiang-hua，ZHUNeng-wen，F(xiàn)ANG Li-gang，et al.Stability analysis of shallow metamorphic rock slope in Guizhou area［J］，Journal Railway Science and Technolo-gy，2010，8(4):42 －48.

［5］陳祖煜，汪小剛.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析∶原理·方法·程序［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2005.CHEN Zu-yu，WANG Xiao-gang.Analysis of rock slope stability∶Principl·Method·Program［M］.Beijing:China Water Power Press，2005.

［6］Kim J，Salgado R，Lee J.Stability Analysis of Complex Soil Slopes Using Limit Analysis.［J］.Journal of Engineering，ASCE，2002，128(7):546 －557.

［7］李克鋼.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析及變形預(yù)測(cè)研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2003.LI Ke-gang，Study on stability and deformation pridiction of rock slope［D］.Chongqing:Chongqing University，2003.

［8］Stianson J R，F(xiàn)redlund D G，Chan D.Three－dimensional slope stability based on stresses from a stress－deformation analysis［J］.Canadian Geotechnical Journal，Jun 2011，48(6):891－904.

［9］肖武權(quán)，冷伍明，律文田.某深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形研究［J］.巖土力學(xué)，2004，25(8):1271 －1274.XIAO Wu-quan，LEN Wu-ming，LU Wen-tian.Study on inner force and deformation of supporting structure for deep foundation pit［J］.Rock and Soil Mechanics，2004，25(8):1271－1274.

［10］聶如松，冷伍明，趙 健，等.開挖影響下的紅層邊坡穩(wěn)定性三維有限元分析［C］//第十屆土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(下)，重慶:重慶大學(xué)出版社，2007:395－400.NIE Ru-song，LENG Wu-ming，ZHAO Jian，et al.3D FEM analysis of stability of red bed slope induced by open excavation［C］//The 10th soil mechanics and geotechnical engineeringconferenceproceedings，III，Chongqing:Chongqing University Press，2007:395－400.

［11］鄭志成，徐衛(wèi)亞，徐 飛，等.基于混合核函數(shù) PSOLSSVM 的邊坡變形預(yù)測(cè)［J］.巖土力學(xué)，2012，33(5):1421－1426.ZHENG Zhi-cheng，XU Wei-ya，XU Fei，et al.Forecasting of slope displacement based on PSO－LSSVM with mixed kernel［J］.Rock and Soil Mechanics，2012，33(5):1421－1426.

［12］袁啟旺.復(fù)雜工況邊坡穩(wěn)定分析的LEM法與FEM法對(duì)比［J］.中外公路，2010，30(6):44 －49.YUAN Qi-wang.Contrast of stability analysis between LEM and FEM on a slope of complicated condition［J］.Journal of China ＆ Foreign Highway，2010，30(6):44 －49.

［13］胡憲銘.水對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響及其防治［J］.金屬礦山，2009(Supp l):736－739.HU Xian-ming.Waetr effect to slope stable and prevention［J］.Metal Mine，2009(Supp l):736 －739.

［14］朱繼良，黃潤(rùn)秋，張?jiān)婃?，?某大型水電站高位邊坡開挖的變形響應(yīng)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(5):784－791.ZHU Ji-liang，HUANG Run-qiu，ZHANG Shi-yuan，et al.Deformation response of high－order slope excavation of a large hydroelectric station in China［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32(5):784 －791.

［15］鄭衛(wèi)鋒，魏鋒先，李 星.大連某高邊坡工程的變形與穩(wěn)定研究［J］.工程勘察，2011，(1):25－28.ZHEN Wei-feng，WEI Feng-xian，LI Xing.Research of stability and deformation on high slope engineering in Dalian［J］.Geotechnical Investigation ＆ Surveying，2011，(1):25 －28.