楊樹寶，代帆，周灝

（1重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查設(shè)計(jì)院，重慶 400700；2寶石機(jī)械成都裝備制造分公司，四川成都 610000）

0 引言

近年來，隨著西部大開發(fā)的不斷深入，各類工程建設(shè)向西南山區(qū)不斷發(fā)展，由于各種因素影響，高邊坡工程問題日漸突出[1]。同時(shí)國內(nèi)外不少學(xué)者、專家及工程地質(zhì)技術(shù)人員，從工程地質(zhì)學(xué)[2]、巖體力學(xué)、巖土工程學(xué)[3]和土力學(xué)等學(xué)科并結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)開展了卓有成效的研究工作，并取得了豐富的邊坡工程經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)了理論和實(shí)踐兩方面的進(jìn)步和發(fā)展[4]。例如巨能攀、趙建軍、鄧輝等[5]依托皖南山區(qū)湯屯高速公路，提出了一套操作性強(qiáng)的公路高邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)研究方法；周宏元、曾智勇[6]探討了預(yù)應(yīng)力鋼筋錨桿框架梁加固與坡腳墻組合形成的輕型支護(hù)結(jié)構(gòu)對土質(zhì)或軟質(zhì)巖路塹的加固效果；趙晉乾、李天斌[7]，聶春龍[8]，許云華[9]等運(yùn)用二維數(shù)值模擬軟件分析了路塹邊坡不同條件下的穩(wěn)定性；楊溢[10]，湯正東[11]，楊國俊[12]等運(yùn)用三維數(shù)值軟件分析了邊坡的應(yīng)變特征。

本文以某高速公路K103+240～580段邊坡為例，探討“重力式抗滑擋墻+框架錨索”聯(lián)合支護(hù)體系對高邊坡的加固效果，為該支護(hù)體系對類似工程進(jìn)行處置提供一定科學(xué)依據(jù)和借鑒價(jià)值。

1 邊坡區(qū)工程地質(zhì)條件

邊坡位于某高速公路K103+240～580段，屬暖溫帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，降水量一般在793.0～984.6mm之間，年平均降水851.7mm。地形起伏較小，高程1750～1840m，相對高差在60～70m，斜坡坡度一般為21～26°。邊坡處于羅州～赫章背斜北西翼，巖層產(chǎn)狀為70～83°∠5°～38°。 下覆基巖主要為峨眉山玄武巖組（P2β）玄武巖和茅口組（P1m）石灰?guī)r。地表水發(fā)育一般，地下水類型主要為基巖裂隙水，局部為松散堆積層孔隙水。

2 邊坡基本特征[13-14]

2.1 形態(tài)特征

該段邊坡位于高速公路右側(cè)，1#邊坡和2#邊坡兩段組成，見邊坡平面圖1。

圖1 某高速公路k103+240～580段邊坡平面圖

1#邊坡平面呈“圈椅”形狀，橫長約240m，坡高35～40m，坡向135°，該段邊坡發(fā)生滑塌嚴(yán)重區(qū)域（HP1），平面呈“舌”狀，主滑方向?yàn)?35°，縱長約55m，橫寬約80m，平面面積約0.31×104m2，前后緣相對高差26～28m，滑體厚約11m，體積3.3×104m3。

2#邊坡平面呈“舌”形狀，縱長約100m，高約31～36m，坡向128°。該邊坡內(nèi)發(fā)育兩處滑坡分別為HP2和HP2-1?；翲P2平面呈“舌”形狀，主滑方向?yàn)?25°，縱長約40m，橫寬約72m，平面面積約0.18×104m2，前后緣相對高差30～34m，滑體厚約6m，體積0.96×104m3。 滑塌HP2-1平面呈“舌”形狀，主滑方向125°，縱長約20m，橫寬約62m，平面面積約0.11×104m2。前后緣相對高差11～13m，滑體厚約4m，體積0.28×104m3。

2.2 邊坡結(jié)構(gòu)特征

1#邊坡由逆斷層F1將下覆基巖分為灰?guī)r區(qū)和玄武巖區(qū)兩段。其中組灰?guī)r區(qū)上覆紅黏土，厚7～11m紅褐色，可塑～軟塑狀，下覆基巖為灰?guī)r，中厚層狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀130～150°∠32～42°，層面粗糙?；?guī)r巖溶發(fā)育，區(qū)內(nèi)發(fā)育多處溶溝、槽，寬約2～5m，深約11～18m，溝槽內(nèi)局部填充紅褐色軟塑狀粘性土夾玄武巖角礫；玄武巖區(qū)，受斷層影響，形成斷層破碎帶，巖體十分破碎。上部為粘土含強(qiáng)風(fēng)化玄武巖角礫，灰黃色，硬塑～可塑狀，厚約12～14m；下部為碎石角礫土，灰黃色，稍密～松散，碎石含量55～65%，粒徑5～20cm。下覆基巖主要為強(qiáng)風(fēng)化玄武，局部夾大塊強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，粒徑一般40～70cm，碎塊石為次棱角狀～圓狀，表面較光滑，厚度大于15m。

2#邊坡上覆殘坡積粘土，黃褐色、灰黃色，含少量強(qiáng)風(fēng)化玄武巖碎石角礫，硬塑～可塑狀，厚2～4m；下覆基巖主要以玄武巖為主，灰黃色、灰白色，強(qiáng)風(fēng)化呈土狀。坡體主要發(fā)育兩組裂隙，分別為陡傾坡內(nèi)裂隙，走向與邊坡坡向近垂直的裂隙。

2.3 變形破壞特征

1#邊坡變形特征主要表現(xiàn)在區(qū)域內(nèi)發(fā)生滑動的滑坡HP1后緣發(fā)育多條張拉裂縫，裂縫寬約0.8～1.2m，局部下挫，可見最大深度約1.5m，延伸長度55～65m，呈圓弧狀。

1#邊坡變形特征主要為滑坡HP2后緣拉裂下挫2.2～2.8m，滑坡兩側(cè)形成多處剪切裂縫，長度22～28m。另外，滑塌體HP2-1后緣發(fā)育多條拉裂縫，裂縫從坡頂位置向南西方向發(fā)育，發(fā)育長度約65m，裂縫寬度2～5cm，局部下挫25～45cm。且在滑坡前緣，滑體在前緣剪出口位置向邊坡臨空方向已經(jīng)剪出6～12cm。

3 邊坡支護(hù)措施[13-14]

根據(jù)邊坡結(jié)構(gòu)特征、邊坡變形特征、穩(wěn)定性狀態(tài)，結(jié)合公路沿線其他邊坡設(shè)計(jì)施工情況，對該段邊坡分三段進(jìn)行治理。分別以2-2’、3-3’、4-4’作為代表剖面進(jìn)行設(shè)計(jì)，在對邊坡進(jìn)行四級放坡后，均采用“重力式抗滑擋墻+框架錨索”的聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)。

具體方案為：對邊坡進(jìn)行四級放坡，第一級坡率為1∶0.75，采用重力式抗滑擋土墻支護(hù)；第二級坡率為1∶1.25削坡，高度8m，采用錨索框格梁支護(hù)；第三級坡率為1∶1.25，采用框格錨索（桿）支護(hù)，錨索長度25m，格構(gòu)間距4m×4m；第四級坡率為1∶1.5，采用框格錨桿支護(hù)，錨桿長度5m，格構(gòu)間距3m×3m。邊坡外及減載平臺設(shè)截排水溝。見治理措施剖面圖2。

圖2 某高速公路k103+240～580段邊坡4-4’治理工程剖面圖

3.1 計(jì)算參數(shù)及邊界條件選取

根據(jù)前期勘察資料及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研資料及工程地質(zhì)類比，綜合確定邊坡各巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及現(xiàn)場勘察資料顯示，邊坡所處區(qū)域巖土應(yīng)力場以重力場為主，尤其該邊坡處于地殼淺表層，其它構(gòu)造應(yīng)力場影響微弱。因此，本次有限元計(jì)算模擬邊界條件采用邊界節(jié)點(diǎn)固定約束類型。

3.2 模型構(gòu)建及計(jì)算方法選取

綜合考慮邊坡巖土組成及巖體結(jié)構(gòu)特征等邊坡實(shí)際工程地質(zhì)條件，在假定邊坡巖體應(yīng)力、應(yīng)變之間的本構(gòu)關(guān)系為彈塑性，巖體的破壞服從摩爾－庫侖準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上進(jìn)行模型建立。本次有限元計(jì)算中，有限元單元的劃分以三節(jié)點(diǎn)、三角形單元為主，輔以少量四節(jié)點(diǎn)、四邊形單元，整個有限元計(jì)算網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算網(wǎng)格模型

3.3 穩(wěn)定性分析

在Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，采用Mohgenstem-Prince法評價(jià)滑坡的穩(wěn)定性，結(jié)果見圖4。

圖4 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果圖

模型采用自動搜索滑面，滑面沿后緣裂縫至擬建擋墻頂部貫通，與實(shí)際滑面位置相符。穩(wěn)定性系數(shù)為0.665，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。若不及時(shí)支護(hù)，滑坡將失穩(wěn)。所以此路塹邊坡必須進(jìn)行護(hù)坡處理才能滿足要求。

3.4 邊坡開挖后應(yīng)力應(yīng)變特征分析

數(shù)值分析成果圖展示了一級邊坡開挖后邊坡巖土的應(yīng)力應(yīng)變特征，從圖5中可見。

圖5 （a）開挖后最大主應(yīng)力特征

圖5 （b） 開挖后X-Y應(yīng)變特征

圖5 （c）開挖后最大剪應(yīng)變特征

圖5 （d）開挖后最大應(yīng)變特征

（1）應(yīng)力特征：據(jù)圖5（a）可見，一級邊坡開挖后，坡體內(nèi)部最大主應(yīng)力方向仍然保持與重力方向近于一致，但在坡體表面最大主應(yīng)力方向發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)，與坡面近于平行，邊坡最大主應(yīng)力約1800kPa。

（2） 應(yīng)變特征：一級邊坡開挖后，據(jù)圖5（b）可見，X-Y方向應(yīng)變特征近垂直斜坡坡面，從后緣裂縫位置到前緣擋墻頂部位置逐漸增大，沿滑帶表現(xiàn)出“外凸內(nèi)凹”的突變現(xiàn)象，最大變形達(dá)16mm；據(jù)圖5（c）可見，受重力場作用，剪應(yīng)變方向近平行于坡面，在基覆界面處形成變形集中帶，最大剪應(yīng)變約35mm；據(jù)圖5（d）可見，受重力場作用，最大應(yīng)變方向近平行于坡面，滑帶處應(yīng)變有一定程度的增加，在基覆界面處形成變形集中帶，最大剪應(yīng)變約34mm。

（3）綜合分析：滑坡應(yīng)力場特征在一定程度上表現(xiàn)出明顯的受重力場控制的斜坡應(yīng)力場特征；滑坡應(yīng)變場特征明顯，滑面及基覆界面處應(yīng)變值較大。若不支護(hù)，滑坡將從擬建擋墻頂部剪出。

3.5 邊坡按設(shè)計(jì)削坡后應(yīng)力應(yīng)變場特征

數(shù)值分析成果圖（圖6）展示了邊坡按照設(shè)計(jì)削坡后邊坡應(yīng)力應(yīng)變場的分布特征，從應(yīng)力應(yīng)變成果圖中分析可見。

圖6 （a）削坡后最大主應(yīng)力特征

圖6 （b）削坡后X-Y應(yīng)變特征

圖6 （d）削坡后最大應(yīng)變特征

（1）應(yīng)力特征：據(jù)圖6（a）可見，削坡后，邊坡最大主應(yīng)力變化不大，最大值約為1800kPa。

（2） 應(yīng)變特征：據(jù)圖6（b）可見，削坡后，X-Y方向應(yīng)變特征變化明顯，應(yīng)變集中帶向坡內(nèi)基覆界面處遷移，最大應(yīng)變值減小了2mm，為14mm；據(jù)圖6（c）可見，削坡后，滑帶兩側(cè)的剪應(yīng)變方向近平行于坡面，滑帶處應(yīng)變出現(xiàn)突變，形成了兩個應(yīng)變集中帶，分別位移三級削坡邊坡前緣和斜坡內(nèi)部基覆界面處，各應(yīng)變集中帶出最大剪應(yīng)變約30mm和28mm；據(jù)圖6（d）可見，削坡后，最大應(yīng)變方向在三級邊坡附近表現(xiàn)為“外凹內(nèi)突”，向內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榻叫杏谄旅妫瑧?yīng)變集中帶向坡內(nèi)遷移，形成于基覆界面處，最大剪應(yīng)變約28mm。

（3）綜合分析：按照設(shè)計(jì)坡率削坡后，邊坡坡體內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變場較第一級邊坡開挖時(shí)坡體內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變場發(fā)生一定變化。因分級削坡量較大，急劇減少了滑面上方的土體質(zhì)量，重力減低明顯，對坡面附近應(yīng)力應(yīng)變場產(chǎn)生了一定范圍的改變，致使應(yīng)變明顯降低。削坡一定程度上控制住了滑坡的變形。

3.6 邊坡支護(hù)后應(yīng)力場及變形特征

圖7展示了重力式抗滑擋墻+錨索框架梁支護(hù)后，邊坡應(yīng)力應(yīng)變場的分布特征。

圖7 （a）邊坡支護(hù)后最大主應(yīng)力特征

圖7 （b）邊坡支護(hù)后X-Y應(yīng)變特征

圖7 （c）邊坡支護(hù)后最大剪應(yīng)變特征

圖7 （d）邊坡支護(hù)后最大應(yīng)變特征

（1） 應(yīng)力特征：據(jù)圖7（a）分析可見，采用”重力式抗滑擋墻+框架錨索”支護(hù)后，最大主應(yīng)力等值線圖變現(xiàn)為“外凹內(nèi)凸”，附近最大主應(yīng)力有一定程度的增加，特別是在擋墻頂部后緣發(fā)生突變；錨桿附近最大主應(yīng)力變化不大。

（2） 應(yīng)變特征：據(jù)圖7（b）可見，支護(hù)后，X-Y方向應(yīng)明顯降低，較削坡后，最大X-Y應(yīng)變值減小了6mm，為8mm；據(jù)圖7（c）可見，支護(hù)后，剪應(yīng)變值進(jìn)一步降低，較削坡后，三級削坡邊坡前緣的應(yīng)變集中帶基本消失，只有斜坡內(nèi)部基覆界面處的應(yīng)變集中帶，最大剪應(yīng)變約26mm；據(jù)圖7（d）可見，支護(hù)后，近坡面最大應(yīng)變明顯降低，較削坡后，最大應(yīng)變值減小了4mm。

（3）總體分析：“重力式抗滑擋墻+框架錨索”支護(hù)措施對邊坡變形的作用效果明顯，保證了邊坡的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

某高速公路K103+240～580段以路塹邊坡形式通過，一級邊坡開挖坡度較大，造成前緣臨空側(cè)巖土體變薄，為滑坡下滑形成有利的前緣剪出條件，致使滑坡失穩(wěn)。為此提出了在一定的坡率放坡條件下，采用“重力式抗滑擋墻+框架錨索”的聯(lián)合支護(hù)方案。通過geo-studio數(shù)值模擬軟件對邊坡開挖-削坡-支護(hù)過程的分析，得出以下主要結(jié)論與認(rèn)識：

（1）邊坡穩(wěn)定性差，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。若不及時(shí)支護(hù)，滑坡將失穩(wěn)。一級邊坡開挖引起的應(yīng)力場改變是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要原因，其中邊坡巖土結(jié)構(gòu)及邊坡所處的工程地質(zhì)環(huán)境是邊坡發(fā)生失穩(wěn)的重要因素。

（2）削坡可引起邊坡應(yīng)力應(yīng)變場的明顯變化，削坡急劇減少了滑面上方的土體質(zhì)量，重力減低明顯，對坡面附近應(yīng)力應(yīng)變場產(chǎn)生了一定范圍的改變，致使應(yīng)變明顯降低。削坡一定程度上控制住了滑坡的變形。

（3）“重力式抗滑擋墻+框架錨索”支護(hù)體系，對邊坡變形起到有效的控制，確保了邊坡穩(wěn)定及保證了公路施工安全和其正常運(yùn)營。且該支護(hù)體系結(jié)構(gòu)受力良好，經(jīng)濟(jì)適用，在此類邊坡中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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