朱小郭

(中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230023)

0 引 言

在我國(guó)中部山區(qū)修建高速公路時(shí)，陡峭的地勢(shì)為工程建設(shè)帶來(lái)了很多風(fēng)險(xiǎn)，公路邊坡的失穩(wěn)滑塌現(xiàn)象屢見不鮮，不僅影響了道路的通行，還為車輛的行駛留下隱患[1]。因此，在山區(qū)高速公路的建設(shè)過(guò)程中，我們必須對(duì)原有的山體邊坡進(jìn)行優(yōu)化處理，重視高路塹邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題[2]。目前，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究已經(jīng)從簡(jiǎn)單的初步理論計(jì)算發(fā)展為有限元的強(qiáng)度折減法，并獲得了一系列的失穩(wěn)判據(jù)，應(yīng)用的前景廣泛。

1 路塹邊坡穩(wěn)定性的影響因素及分析方法

1.1 邊坡穩(wěn)定性影響因素

路塹邊坡穩(wěn)定性的影響因素較多，總結(jié)起來(lái)主要包括三方面，分別為邊坡的自身因素、自然因素以及外界干擾因素。路塹邊坡的自身因素主要包括邊坡的走向、坡比、坡體的物理力學(xué)性質(zhì)、節(jié)理等。自然因素則主要考慮了水、地震、風(fēng)化作用的影響。例如，雨水滲入坡體內(nèi)部，降低了坡體的強(qiáng)度、加大坡體的下滑力，導(dǎo)致地下水位上升，增加了土的重量。

1.2 邊坡穩(wěn)定性分析方法

關(guān)于邊坡穩(wěn)定性分析的方法較多，在工程中運(yùn)用較多的主要為極限平衡法以及數(shù)值分析法[3]。極限平衡法需要明確邊坡潛在滑動(dòng)面的位置以及形狀，然后計(jì)算出潛在滑動(dòng)面的安全系數(shù)。數(shù)值分析法主要運(yùn)用的是強(qiáng)度折減理論，在該方法中安全系數(shù)是通過(guò)對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的折減來(lái)確定的，將折減后的強(qiáng)度參數(shù)應(yīng)用到模型中，通過(guò)軟件進(jìn)行分析，求解邊坡瀕臨失穩(wěn)的狀態(tài)參數(shù)，將此時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)作為邊坡的安全系數(shù)。該方法也會(huì)由于失穩(wěn)的判據(jù)不同出現(xiàn)不同的結(jié)果。

2 路塹邊坡穩(wěn)定性分析理論

對(duì)于路塹邊坡穩(wěn)定性的分析，其步驟主要分為兩步，第一步是找到滑裂面，第二是將滑裂面按照滑面的形態(tài)進(jìn)行分類，最后計(jì)算出邊坡的安全系數(shù)。

根據(jù)滑面的形態(tài)，滑面分為平滑面和曲滑面兩種類型。

(1)平滑面。將滑動(dòng)面假定為直線，同時(shí)考慮到張拉裂隙對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，故將該穩(wěn)定性計(jì)算分析分為兩類，即有張拉裂隙和無(wú)張拉裂隙兩種情況，并根據(jù)靜力平衡條件得出不同情況下安全系數(shù)的計(jì)算公式，具體見表1。

表1 安全系數(shù)對(duì)比表

式中:c表示滑動(dòng)面材料黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；α為邊坡的坡角；β為滑動(dòng)面的傾角；U為滑動(dòng)面上的水壓力；V為裂隙中的水壓力；L為線段AD的長(zhǎng)度；W為單位寬度下滑體的重量。

(2)曲滑面。當(dāng)潛在的失穩(wěn)滑面為曲線時(shí)，經(jīng)常采用Janbu法進(jìn)行穩(wěn)定性的計(jì)算分析，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。Janbu法采用的是條分法，將滑體整體進(jìn)行分割，分成諸多塊，每個(gè)條塊通過(guò)分析都可以滿足所有的靜力平衡條件以及極限平衡條件。

圖1 Janbu法計(jì)算簡(jiǎn)圖

條塊在豎直方向上的平衡方程表示為：Nicosαi=W+ΔXi-Sisinαi；在水平方向上的平衡方程表示為：ΔEi=NisinαiScosαi；將每個(gè)條塊單獨(dú)以及整體進(jìn)行受力分析與迭代，解得安全系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：Xi表示為土條兩側(cè)的水平力；Ei為土條兩側(cè)的豎向力；Si為土條的抗剪力；Q為張拉裂隙水平方向上的水壓力；u為滑面的水壓力。

3 路塹邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

3.1 自然邊坡開挖穩(wěn)定性分析

本節(jié)為了驗(yàn)證路塹邊坡穩(wěn)定性分析的正確性，運(yùn)用有限元軟件MIDAS GTS對(duì)某標(biāo)段工程進(jìn)行分析，求解開挖之后的安全系數(shù)。

該標(biāo)段地質(zhì)條件復(fù)雜，路塹邊坡由深層到淺層依次為弱風(fēng)化層、中風(fēng)化層和強(qiáng)風(fēng)化層，且在強(qiáng)、中風(fēng)化層中間還夾有軟弱夾層，各層的物理力學(xué)性質(zhì)見表2。

表2 各層土物理性質(zhì)

選取具有代表性的橫斷面進(jìn)行建模分析，橫斷面坡高20 m，坡角70°，在施工的過(guò)程中分四級(jí)開挖，且每級(jí)開挖5 m，前10 m的開挖坡角定為58°，后10 m為80°。運(yùn)用3D網(wǎng)格劃分模塊對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格的自動(dòng)劃分；在網(wǎng)格劃分后對(duì)邊界進(jìn)行約束設(shè)置，將邊坡模型的臨空面設(shè)置為自由邊界，前后左右均限制水平位移，模型的底端按照固定約束的條件進(jìn)行設(shè)置。在模型建完后運(yùn)用弧長(zhǎng)強(qiáng)度折減法對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并根據(jù)開挖情況設(shè)置不同開挖工況來(lái)分析每一步的安全系數(shù)，計(jì)算得出開挖0 m、5 m、10 m、15 m、20 m下的安全系數(shù)分別為1.057、1.262、1.37、1.32、0.91。只有開挖到10 m的安全系數(shù)(1.37)才大于一級(jí)邊坡的穩(wěn)定臨界值(1.35)，其他情況的安全系數(shù)均不滿足條件，為了安全考慮應(yīng)對(duì)邊坡加固處理。邊坡從原始狀態(tài)到開挖到15 m，安全系數(shù)均有所增長(zhǎng)，這是因?yàn)殚_挖后的臨空角小于原始的坡角；而在開挖20 m后的安全系數(shù)降低至比原始狀態(tài)還要小，這是因?yàn)殚_挖后的坡角大于原始的坡角，在此時(shí)開挖不再利于邊坡的穩(wěn)定。

各開挖階段的總位移云圖如圖2所示。

圖2 邊坡開挖各個(gè)階段位移云圖

由圖2可以看出，越靠近臨空面位移越大，且弱風(fēng)化層和中風(fēng)化層的位移較小，這是因?yàn)檫@兩個(gè)地層的巖性相對(duì)來(lái)說(shuō)較好，整體還處于彈性狀態(tài)。在中風(fēng)化層和軟弱夾層間存在著突變，這也就是邊坡若失穩(wěn)破壞則必定沿著軟弱夾層的緣故。

3.2 自然邊坡加固開挖穩(wěn)定性分析

從之前分析可以得出，在邊坡開挖深度為20 m時(shí)，安全系數(shù)小于1，已經(jīng)處于失穩(wěn)狀態(tài)，所以需要對(duì)邊坡進(jìn)行加固，在本工程中擬采用預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行加固，每開挖10 m加固一次，錨桿傾角為15°，間距定為1 m。

在對(duì)邊坡進(jìn)行錨桿加固后再次進(jìn)行穩(wěn)定性的計(jì)算分析，加固后的邊坡穩(wěn)定性得到了明顯的提升，在加固之后，開挖10 m、20 m的工況下，邊坡的穩(wěn)定性分別達(dá)到了2.225、2.053，完全滿足穩(wěn)定性的要求。錨桿穿過(guò)軟弱夾層，與深層的強(qiáng)、中風(fēng)化層連接在一起成為一個(gè)整體，進(jìn)而減小了軟弱夾層的不利影響，通過(guò)錨桿的作用有效地將表層力傳遞到深層的巖體中。為了更加直觀地觀察到錨桿的防護(hù)情況，導(dǎo)出各工況的位移圖像如圖3所示。

圖3 邊坡開挖支護(hù)各個(gè)階段位移云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)路塹邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，闡明了影響邊坡穩(wěn)定的因素，主要包括自身因素、自然因素以及外界干擾因素；并介紹極限平衡法以及數(shù)值分析法的求解原理；從平滑面和曲滑面的角度對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了理論的分析，分別提出了相應(yīng)的安全系數(shù)計(jì)算方法；通過(guò)數(shù)值模擬分析了邊坡開挖時(shí)的穩(wěn)定性，并針對(duì)失穩(wěn)狀態(tài)提出錨桿治理的措施。