張朔， 李斯?jié)?李培鋒， 尹小濤

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 安徽 淮南 232001； 2.云南玉臨高速公路建設(shè)有限責(zé)任公司， 云南 昆明 650000；3.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071)

隨著“西部大開發(fā)”及“一帶一路”等國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施，中國(guó)山區(qū)高速公路建設(shè)正在如火如荼地進(jìn)行。山區(qū)高速公路路塹高邊坡由于開挖深度大、危險(xiǎn)程度高等特點(diǎn)，通常需要將邊坡分級(jí)修建成臺(tái)階狀，路塹高邊坡的安全穩(wěn)定對(duì)保障公路安全通行至關(guān)重要。

JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]對(duì)30 m以下巖質(zhì)路塹邊坡有明確的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)于30 m以上的深挖路塹高邊坡僅要求設(shè)計(jì)成臺(tái)階形，對(duì)于臺(tái)階的具體設(shè)計(jì)沒有明確規(guī)定。當(dāng)前實(shí)際工程中，一般按常規(guī)臺(tái)階對(duì)路塹高邊坡進(jìn)行設(shè)計(jì)，遇到問題通常采取不斷放緩坡度、多次卸載刷方等方式穩(wěn)定坡體，往往導(dǎo)致坡面匯水面積增大，且沖刷嚴(yán)重，給路塹高邊坡施工過程及長(zhǎng)期安全埋下隱患[2-5]。因此，需要探討臺(tái)階對(duì)路塹高邊坡安全穩(wěn)定的作用機(jī)制。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)路塹高邊坡安全穩(wěn)定性及失穩(wěn)破壞機(jī)制等方面進(jìn)行了諸多研究。王浩等[6-7]對(duì)超高路塹高邊坡失穩(wěn)機(jī)制及整治措施進(jìn)行了研究；葉萬軍等[8-9]、高德彬等[10]通過資料收集、數(shù)值模擬等方法對(duì)黃土路塹高邊坡進(jìn)行了較為系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究；宋從軍等[11]、馬思明等[12]對(duì)軟質(zhì)巖路塹高邊坡的加固與防護(hù)進(jìn)行了研究，對(duì)該類高邊坡的綜合治理進(jìn)行了探討；王婉[13]、劉小麗等[14]探究了二階階梯形均質(zhì)邊坡的開挖效應(yīng)；言志信等[15]、黃詩淵等[16]采用數(shù)值計(jì)算方法研究了在地震作用下不同臺(tái)階寬度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，分析了邊坡動(dòng)力響應(yīng)特性和邊坡地震動(dòng)力失穩(wěn)機(jī)制；李建宇等[17]以某路塹邊坡為例，探討了錨索支護(hù)方案中的參數(shù)優(yōu)化問題。在多臺(tái)階礦山排土場(chǎng)方面，GB 50771—2012《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]對(duì)邊坡臺(tái)階的分類較為細(xì)致，主要分為安全臺(tái)階、清掃臺(tái)階、運(yùn)輸臺(tái)階。規(guī)范中要求，安全臺(tái)階寬度不小于2 m，清掃臺(tái)階寬度不小于6 m，運(yùn)輸臺(tái)階寬度甚至達(dá)30～50 m，單級(jí)坡高度往往達(dá)到20～40 m[19-22]。

目前研究成果主要集中在路塹高邊坡的失穩(wěn)機(jī)制、加固與防護(hù)措施等方面。因此，能否在設(shè)計(jì)階段對(duì)路塹高邊坡的坡形進(jìn)行優(yōu)化，避免開挖過程中邊坡失穩(wěn)是當(dāng)前路塹高邊坡研究的重中之重。該文以云南省臨滄市某路塹深挖高邊坡為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查、極限平衡法以及大型商用軟件FLAC3D數(shù)值模擬等方法，通過在邊坡設(shè)置不同位置和寬度的臺(tái)階，探討寬臺(tái)階的最優(yōu)位置和寬度，對(duì)比設(shè)置寬臺(tái)階與不設(shè)置工況的路塹高邊坡的變形破壞差異，探討寬臺(tái)階對(duì)路塹高邊坡變形破壞的干預(yù)機(jī)制，為類似路塹高邊坡加固提供支撐。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

該路塹高邊坡位于中國(guó)云南省臨滄市境內(nèi)，地處剝蝕溶蝕中山丘陵緩坡地貌，上覆殘坡積黏土、粉質(zhì)黏土，邊坡防護(hù)橫斷面見圖1。根據(jù)勘察設(shè)計(jì)資料以及現(xiàn)場(chǎng)踏勘，開挖邊坡地層分為兩層，自上而下分別為：① 粉質(zhì)黏土，第四系全新世殘破積，褐紅色，硬塑，干硬，韌度中等，含少量巖石風(fēng)化碎屑；② 泥巖，二疊系下統(tǒng)沙子坡組上段，灰紅色，強(qiáng)風(fēng)化，薄層構(gòu)造，巖芯多呈碎塊狀。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、工程類比及反分析綜合確定了邊坡巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，詳見表1。

圖1 深挖路塹邊坡地質(zhì)模型及防護(hù)橫斷面

表1 路塹高邊坡巖土力學(xué)參數(shù)

1.2 邊坡現(xiàn)狀及潛在工程安全問題

根據(jù)施工記錄和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，第五級(jí)坡于2019年2月開挖，施工防護(hù)措施時(shí)在坡頂位置發(fā)現(xiàn)4條張拉裂縫，裂縫寬度約15、10、10、5 cm，裂縫長(zhǎng)度約70、65、50、25 m。坡頂后方45 m處有一座220 kV高壓輸電鐵塔，最外側(cè)裂縫距高壓鐵塔約25 m。根據(jù)變形破壞跡象判斷坡體已形成淺層滑面且處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，若邊坡處理不當(dāng)將威脅高壓鐵塔安全性，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)正常運(yùn)行。圖2為坡頂構(gòu)筑物及坡體現(xiàn)狀。因此，有必要開展開挖造成的路塹高邊坡失穩(wěn)機(jī)理和寬臺(tái)階對(duì)高陡邊坡的加固機(jī)理研究，為加固設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供支撐。

2 寬臺(tái)階最優(yōu)幾何參數(shù)的綜合確定

2.1 二維計(jì)算模型及工況設(shè)計(jì)

基于圖1所示邊坡地質(zhì)模型和表1各級(jí)次邊坡巖土力學(xué)參數(shù)并考慮原地形及開挖坡形等，采用Rockscience系列中Slide 5.0模塊在初始設(shè)計(jì)開挖方案的基礎(chǔ)上建立數(shù)值模型，按照規(guī)范[1]要求，采用臺(tái)階式放坡，臺(tái)階寬度2 m。根據(jù)設(shè)計(jì)，將邊坡自下到上依次分為7級(jí)，1～6級(jí)坡每層坡高10 m，7級(jí)坡坡高8 m。采用“上緩下陡”的坡率，符合地層土體強(qiáng)度自上而下增大的規(guī)律[9]，其中7～5級(jí)坡的坡率為1∶1，4級(jí)坡、3級(jí)坡坡率為1∶0.75，2級(jí)坡、1級(jí)坡坡率為1∶0.5，建模范圍詳見圖3。

圖2 坡頂構(gòu)筑物及坡體現(xiàn)狀

圖3 二維計(jì)算模型示意圖(單位：m)

在初始設(shè)計(jì)計(jì)算模型的基礎(chǔ)上通過改變臺(tái)階位置和寬度對(duì)坡體穩(wěn)定性系數(shù)的影響，以此綜合判斷臺(tái)階敏感位置及寬度。綜合資源節(jié)約及經(jīng)濟(jì)性等方面的考量且實(shí)際工程中臺(tái)階形路塹邊坡臺(tái)階寬度通常少見于10 m以上，多為2～5 m。因此該文將臺(tái)階寬度分別設(shè)置為3、5、7、10 m，并將增寬后的臺(tái)階分別置于2～7級(jí)坡坡腳位置，其余坡腳位置臺(tái)階寬度仍為2 m，共計(jì)24個(gè)計(jì)算模型。

2.2 寬臺(tái)階最佳寬度和最佳位置的確定

計(jì)算過程中采用簡(jiǎn)化Bishop方法將滑面剪入口控制在坡頂后方25 m(即現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查最外緣裂縫處)，剪出口控制在1級(jí)坡坡腳位置，自動(dòng)搜索潛在滑面并計(jì)算安全系數(shù)。不同臺(tái)階寬度和位置下邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)演化曲線如圖4、5所示。

圖4 不同臺(tái)階寬度下穩(wěn)定性系數(shù)演化曲線

從圖4可以看出：邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著寬臺(tái)階位置的降低，穩(wěn)定性系數(shù)曲線均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且隨著寬度的增加，曲線中間凸起更為顯著，這些均證明將寬臺(tái)階設(shè)置于4級(jí)坡腳位置(邊坡中部位置)最優(yōu)，穩(wěn)定性系數(shù)最大約1.04；7 m及以下寬度的臺(tái)階穩(wěn)定性系數(shù)曲線幾乎都在1.00穩(wěn)定性系數(shù)之下，說明路塹高邊坡整體相對(duì)不穩(wěn)。原因在于，對(duì)高邊坡來說，一般坡體中下部是阻滑段，中上部是下滑段，寬臺(tái)階設(shè)置在中部，對(duì)于高邊坡相當(dāng)于提供了卸載減荷作用；另外，中部寬臺(tái)階的施加使高邊坡弱化為兩個(gè)相對(duì)高度較低的次級(jí)邊坡，因此穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到最大，寬臺(tái)階再往下則效果降低。

圖5 不同臺(tái)階位置下穩(wěn)定性系數(shù)演化曲線

從圖5可以看出：隨著臺(tái)階寬度的增大，邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)逐漸提高，且寬臺(tái)階位于第4級(jí)坡腳處時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)最高，臺(tái)階寬度從3 m增加至5 m以及從7 m增加至10 m，穩(wěn)定性系數(shù)提高明顯，而臺(tái)階寬度從5 m增加至7 m，穩(wěn)定性系數(shù)提高程度不大。

從理論上講，邊坡平臺(tái)的寬度越大，邊坡的綜合坡率越小，邊坡越平緩，邊坡的穩(wěn)定性越高。但由于資源、經(jīng)濟(jì)、施加寬臺(tái)階的有效性等綜合要素考慮，寬臺(tái)階僅能在有施作條件的地區(qū)采用，該文僅探討其加固機(jī)理，為寬臺(tái)階的采用提供技術(shù)支撐，這也是對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的有益補(bǔ)充和推進(jìn)。

3 寬臺(tái)階對(duì)路塹高邊坡變形破壞的阻斷機(jī)制

3.1 三維計(jì)算模型及邊界條件

在上述研究的基礎(chǔ)上建立三維計(jì)算模型，采用大型商業(yè)軟件FLAC3D仿真分析路塹高邊坡開挖的變形破壞過程及寬臺(tái)階對(duì)高邊坡變形破壞的干預(yù)機(jī)制。共設(shè)計(jì)4個(gè)三維計(jì)算模型：初始常規(guī)臺(tái)階設(shè)計(jì)方案(臺(tái)階寬度均為2 m)為工況1；4級(jí)坡坡腳臺(tái)階寬度5 m，其余臺(tái)階寬度2 m為工況2；4級(jí)坡坡腳臺(tái)階寬度10 m，其余臺(tái)階寬度2 m為工況3；6級(jí)坡坡腳和四級(jí)坡坡腳臺(tái)階寬度5 m，其余臺(tái)階寬度2 m為工況4。相應(yīng)的計(jì)算模型如圖6所示。

三維模型均采用六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為Quads&Triangles，考慮模型計(jì)算效率及精度，保證最大網(wǎng)格尺寸為2 m×2 m。邊界條件采用邊坡模型底面固定約束，側(cè)面法向約束，表面自由。邊坡材料參數(shù)詳見表1，計(jì)算采用理想彈塑性本構(gòu)模型，破壞準(zhǔn)則選取Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[23]。計(jì)算過程中通過移除單元體實(shí)現(xiàn)土體分層開挖。

圖6 三維計(jì)算模型示意圖

三維工況1用于分析開挖造成的高邊坡變形破壞過程；工況1～3用于對(duì)比分析寬臺(tái)階對(duì)高邊坡破壞機(jī)制的影響；工況2、4用于對(duì)比分析寬臺(tái)階個(gè)數(shù)變化對(duì)高邊坡變形破壞的影響。三維計(jì)算工況見表2。

表2 三維數(shù)值計(jì)算工況

3.2 常規(guī)臺(tái)階下開挖變形破壞過程及穩(wěn)定狀態(tài)變化

路塹高邊坡滑裂面的產(chǎn)生及失穩(wěn)破壞是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。在FLAC3D中通過移除各級(jí)邊坡單元體模擬實(shí)際邊坡開挖過程，圖7、8分別為工況1下邊坡開挖過程中不同開挖步對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)及最大剪應(yīng)變?cè)隽拷沂镜倪吰伦冃纹茐倪^程。

在高邊坡開挖初期，開挖面附近巖土體主要以坡腳應(yīng)力集中，剪切破壞為主，開挖卸荷回彈顯著；剪切塑性區(qū)范圍主要集中在各級(jí)坡坡腳及坡面位置，隨著邊坡開挖深度的加大，剪切塑性區(qū)逐漸向坡體中上部延展擴(kuò)大，坡頂附近出現(xiàn)小范圍張拉塑性區(qū)，邊坡臨近極限狀態(tài)，各級(jí)近坡面塑性區(qū)逐漸連通，塑性區(qū)出現(xiàn)明顯分界面。坡體開挖完成后，塑性區(qū)完全貫穿坡體，坡頂后緣出現(xiàn)大量張拉塑性屈服區(qū)。

圖7 塑性區(qū)云圖揭示的邊坡變形破壞機(jī)制

從圖8可以看出：邊坡的變形失穩(wěn)過程是由于開挖卸荷過程中應(yīng)力釋放，邊坡巖土體應(yīng)變逐漸積累，滑裂面從坡腳位置初步形成并逐漸向坡體內(nèi)部延展擴(kuò)大最終貫通的過程。在開挖初期，開挖卸荷導(dǎo)致每一級(jí)坡均在坡腳位置出現(xiàn)剪應(yīng)變集中，與上述塑性區(qū)分布情況相吻合，說明坡腳位置容易產(chǎn)生塑性變形和剪應(yīng)力集中，屬于邊坡薄弱部位。隨著開挖深度的增加，剪應(yīng)變集中帶逐漸擴(kuò)大，并逐漸發(fā)育成剪切滑裂面，主滑面最終貫穿坡體。坡體全部開挖完成后，出現(xiàn)4個(gè)潛在剪切滑面，剪入口位于坡頂后方13～26 m處，剪出口分別位于5級(jí)坡至2級(jí)坡坡腳處，潛在滑裂面深度6～20 m，最大剪應(yīng)變?yōu)?.006 7。潛在滑面的位置均為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)裂縫出現(xiàn)的位置，間接說明了數(shù)值模擬中計(jì)算參數(shù)選取和模型搭建的正確性。

從邊坡開挖過程中塑性區(qū)及剪應(yīng)變變化情況來看：其變形破壞大致分為3個(gè)階段：前期卸荷回彈階段、中期剪切破壞階段和后期整體失穩(wěn)破壞階段。采用每10 m坡高增設(shè)一個(gè)寬2 m的臺(tái)階平臺(tái)的初始常規(guī)設(shè)計(jì)方案，開挖過程中形成明顯的主滑裂面，邊坡無法保證自穩(wěn)。

圖8 最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D揭示的邊坡變形破壞機(jī)制

3.3 臺(tái)階寬度對(duì)路塹高邊坡破壞機(jī)制的影響

為對(duì)比分析寬臺(tái)階對(duì)高邊坡破壞機(jī)制的影響，探討臺(tái)階寬度對(duì)路塹高邊坡破壞機(jī)制的干預(yù)作用，圖9(a)、(b)、(c)分別為工況1、2、3開挖完成后的塑性區(qū)云圖。

從圖9可以看出：在高邊坡中部施加寬臺(tái)階后邊坡塑性屈服范圍明顯減少，僅寬臺(tái)階上部部分坡體塑性區(qū)貫通，坡體內(nèi)以及淺層坡面以剪切破壞為主，坡頂一定范圍內(nèi)主要發(fā)生張拉破壞。

在寬臺(tái)階作用下，塑性區(qū)范圍于寬臺(tái)階處被分解為上下兩部分。隨著臺(tái)階寬度增加，坡體內(nèi)的剪切塑性區(qū)深度明顯減小并逐漸向各級(jí)邊坡坡腳上方的坡面貼近，對(duì)坡體深部土體的擾動(dòng)有所減輕，高邊坡的整體破壞趨勢(shì)得到分解，寬臺(tái)階下部穩(wěn)定性有明顯改善。設(shè)置寬臺(tái)階后，雖然將邊坡的整體破壞分解，但是對(duì)于寬平臺(tái)上部的各級(jí)邊坡干預(yù)作用并不明顯，上部坡體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)程度仍然很高。

圖9 臺(tái)階寬度對(duì)破壞形態(tài)的改變

為了探討寬臺(tái)階對(duì)路塹高邊坡潛在滑面及破壞深度影響，圖10(a)、(b)、(c)分別為工況1、2、3開挖完成后最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D。

圖10 不同臺(tái)階寬度下最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D對(duì)比

從圖10可以看出：施加寬臺(tái)階后，貫穿整個(gè)坡體的深層滑裂面被阻斷成上部坡體的淺層滑裂面，滑裂面的范圍及深度有所減小，寬臺(tái)階下的各次級(jí)邊坡僅在坡腳位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，說明寬臺(tái)階的施加有效地阻斷了邊坡整體滑裂面的形成，路塹高邊坡的破壞由整體破壞分解為局部破壞。

從定量方面分析，工況2潛在滑裂面剪入口位于坡頂后方9～15 m處，剪出口位于5級(jí)坡腳處，潛在滑裂面深度5～12 m，最大剪應(yīng)變?cè)隽繛?.001 7，較初始設(shè)計(jì)常規(guī)臺(tái)階降低74.6%。工況3潛在滑裂面剪入口位于坡頂后方7～14 m處，剪出口位于5級(jí)坡腳處，潛在滑裂面深度5～10 m，最大剪應(yīng)變?cè)隽繛?.001，較初始設(shè)計(jì)常規(guī)臺(tái)階降低85.1%，且7級(jí)坡處剪切塑性區(qū)范圍和最大剪應(yīng)變急劇增大，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，考慮到坡頂上覆土體性質(zhì)弱，且開挖方量過大，這些是其破壞的原因。

在高邊坡中部設(shè)置寬臺(tái)階，邊坡整體破壞被分解，說明寬臺(tái)階對(duì)邊坡的開挖變形破壞具有顯著的阻斷機(jī)制，通過增加臺(tái)階的寬度，使得原本已經(jīng)設(shè)計(jì)成常規(guī)臺(tái)階的邊坡再次分級(jí)，邊坡的整體破壞分解為兩個(gè)局部破壞，在一定程度上減小了邊坡失穩(wěn)的規(guī)模，降低了整體破壞的風(fēng)險(xiǎn)，提高了邊坡的整體穩(wěn)定性，改善了邊坡的自穩(wěn)能力。

3.4 寬臺(tái)階對(duì)路塹高邊坡破壞的阻斷機(jī)制

工況4在工況2的基礎(chǔ)上在6級(jí)坡腳增設(shè)一個(gè)寬5 m的寬臺(tái)階，形成“寬窄臺(tái)階交替”的臺(tái)階形式。從開挖完成的塑性區(qū)對(duì)比圖(圖11)中可以看出：隨著寬臺(tái)階個(gè)數(shù)的增加，剪切塑性區(qū)范圍在寬臺(tái)階處明顯減小，邊坡上部塑性區(qū)貫通趨勢(shì)得到分解，僅在6級(jí)坡和5級(jí)坡附近形成小范圍連通區(qū)域，且尚未貫穿坡體，坡體上部的整體破壞被分解。

圖11 寬臺(tái)階對(duì)破壞形態(tài)的改變

從開挖完成后的最大剪應(yīng)變?cè)隽繉?duì)比圖(圖12)中可以看出：在第6級(jí)坡腳增加寬臺(tái)階后，有效地阻斷了在5級(jí)坡腳處產(chǎn)生的潛在滑裂面，改善了上部坡體的穩(wěn)定性。隨著開挖深度的加大，僅在各坡腳處出現(xiàn)應(yīng)力集中，未形成明顯的剪切滑裂面。

將路塹高邊坡設(shè)計(jì)成“寬窄臺(tái)階交替”的臺(tái)階狀邊坡優(yōu)于工程中常見的“常規(guī)臺(tái)階”形式和“中部超寬臺(tái)階”形式。主要原因如下：

(1) 在常規(guī)臺(tái)階的基礎(chǔ)上間隔增設(shè)寬臺(tái)階，可將高邊坡弱化成多個(gè)高度相對(duì)較低的獨(dú)立坡體，可以有效地分解高邊坡整體破壞趨勢(shì)，使坡體內(nèi)部應(yīng)力優(yōu)化分布，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)提高坡體穩(wěn)定性、減少邊坡破壞區(qū)域等方面均有一定優(yōu)勢(shì)。

圖12 不同寬臺(tái)階個(gè)數(shù)下最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D對(duì)比

(2) 可在多個(gè)寬臺(tái)階處增設(shè)截排水措施，雨水通過坡面徑流匯集到寬臺(tái)階處得到有效分流，有效減少坡面沖刷及徑流量，避免雨水下滲，有利于坡體穩(wěn)定性提高。

(3) 施加寬臺(tái)階可以有效降低坡面小型滾石滑落風(fēng)險(xiǎn)，起到一定緩沖作用，有助于高邊坡施工及道路通行安全。

4 寬臺(tái)階作用下的費(fèi)效比分析

由于上覆土層巖土力學(xué)性質(zhì)較差，常規(guī)臺(tái)階直接開挖將導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)破壞，即使考慮寬臺(tái)階作用，邊坡雖不至于整體失穩(wěn)，但也要看到其整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，安全保障依然不足。因此，仍需在分階段開挖中及時(shí)采取加固措施，且加固措施的深度需要加強(qiáng)。在原有錨索框格梁加固方案下，探討不同加固措施的費(fèi)效比和加固效果。

根據(jù)初始設(shè)計(jì)選擇采用4種不同類型的錨索，分別編號(hào)為L(zhǎng)1、L2、L3、L4。錨索水平射入角為20°，7級(jí)坡至5級(jí)坡錨索(L3、L4)布置橫坡向間距為4.0 m，縱坡向間距為3.0 m，5級(jí)坡以下錨索(L1、L2)布置橫坡向間距為3.0 m，縱坡向間距為3.0 m。L1、L3型錨索由4束公稱直徑為15.2 mm鋼絞線組成，L2型錨索由10束公稱直徑為15.2 mm鋼絞線組成，L4型錨索由6束公稱直徑為15.2 mm鋼絞線組成。錨索框格梁規(guī)格為500 mm×500 mm，由于在錨索布置中存在橫坡向間距3.0 m和4.0 m兩種情況，因此選取12.0 m橫坡向?qū)挾乳_展開挖方量和加固措施量化對(duì)比分析。工況1常規(guī)臺(tái)階錨索布置圖見圖13。錨索設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

將該加固措施分別施加至工況2、3、4，經(jīng)計(jì)算，結(jié)果均滿足安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。挖方量自道路中線左側(cè)計(jì)算，開挖深度取12 m。表4為不同工況下初始設(shè)計(jì)加固前后邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及開挖方量統(tǒng)計(jì)。

圖13 常規(guī)臺(tái)階錨索布置圖

表3 常規(guī)臺(tái)階錨索參數(shù)設(shè)置

表4 初始設(shè)計(jì)加固前后邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及挖方量

從表4可以看出：在保證邊坡穩(wěn)定的前提下，若工況2、3、4施加與常規(guī)臺(tái)階工況1采取相同的加固措施，計(jì)算結(jié)果偏于保守。經(jīng)過反復(fù)試算綜合確定不同工況的最優(yōu)加固措施方案，工況2在常規(guī)臺(tái)階錨索布置的基礎(chǔ)上將3、4級(jí)坡錨索縱坡向間距調(diào)整為5.0 m；工況3、4在常規(guī)臺(tái)階的基礎(chǔ)上將1級(jí)坡至4級(jí)坡錨索縱坡向間距均改為5.0 m。經(jīng)驗(yàn)算調(diào)整后各工況仍滿足邊坡穩(wěn)定性要求。各工況調(diào)整后的加固措施見圖14。加固措施調(diào)整后的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表5。不同工況下邊坡加固所需錨索量見表6。

圖14 不同工況下錨索布置圖

表5 加固措施調(diào)整后邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

表6 不同工況下邊坡加固所需錨索數(shù)量

通過對(duì)比各工況挖方量與加固所施加的錨索量，發(fā)現(xiàn)隨著臺(tái)階寬度的增加及寬臺(tái)階個(gè)數(shù)的增多，挖方量的增加為初始設(shè)計(jì)挖方總量的5.0%～13.6%，錨索數(shù)量的減少為初始設(shè)計(jì)總錨索數(shù)量的20.4%～27.2%。采用工況4“寬窄臺(tái)階交替”的設(shè)計(jì)方案總體挖方量增加約為初始常規(guī)臺(tái)階設(shè)計(jì)總挖方量的7.3%，錨索減少量為總錨索量的27.2%，且“寬窄臺(tái)階交替”的設(shè)計(jì)方案相較其他設(shè)計(jì)有諸多優(yōu)勢(shì)，一方面能夠有效地提高路塹高邊坡的自穩(wěn)能力，將邊坡的整體破壞趨勢(shì)分解；另一方面，可以減少邊坡加固措施的用量，節(jié)約工程開支，為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

5 結(jié)論

依托出現(xiàn)問題的實(shí)際工程路塹高邊坡案例，探討了寬臺(tái)階對(duì)邊坡的加固機(jī)理，同時(shí)探討了寬臺(tái)階的最大效能加固方案，所得結(jié)論如下：

(1) 寬臺(tái)階造成的穩(wěn)定性系數(shù)演化曲線揭示寬臺(tái)階的施作位置以中部為佳，寬度不是越大越好，均存在最佳位置和最佳寬度。

(2) 塑性區(qū)和剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D揭示的路塹高邊坡的變形破壞可以分為3個(gè)階段，即前期卸荷回彈階段、中期剪切破壞階段和后期整體失穩(wěn)破壞階段。

(3) 由設(shè)置寬臺(tái)階和設(shè)置常規(guī)寬度臺(tái)階的路塹高邊坡塑性區(qū)和剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：寬臺(tái)階對(duì)路塹高邊坡的整體變形破壞具有顯著的阻斷效果。寬臺(tái)階加固效果顯著，機(jī)理在于邊坡中上部為滑移段，中下部為阻滑段，中上部的卸荷作用是其阻斷機(jī)制的力學(xué)本質(zhì)，即高邊坡分解為幾個(gè)有限高度邊坡，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)管控的目標(biāo)。

(4) “寬窄臺(tái)階交替”的設(shè)計(jì)方案可以使坡體內(nèi)部應(yīng)力優(yōu)化分布，有效減少坡面沖刷，降低坡面小型滾石滑落風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)于“常規(guī)臺(tái)階”和“中部超寬臺(tái)階”方案。

(5) 通過費(fèi)效性對(duì)比發(fā)現(xiàn)，設(shè)置寬臺(tái)階后挖方量的增加為初始設(shè)計(jì)挖方總量的5.0%～13.6%，錨索用量的減少為初始設(shè)計(jì)總錨索用量的20.4%～27.2%。經(jīng)過多種工況對(duì)比，該路塹深挖高邊坡工程在第4、6級(jí)坡腳分別設(shè)置寬度為5 m的“寬窄臺(tái)階相結(jié)合”為最佳設(shè)計(jì)方案。