李險峰

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，安徽 淮北 235000)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，水利、鐵路、礦業(yè)、建設(shè)、航運等各行業(yè)逐步建立并完善，為我國的全面發(fā)展奠定了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。各行業(yè)工程的施工離不開對邊坡穩(wěn)定性的研究，邊坡穩(wěn)定性關(guān)系到工程的進度、質(zhì)量、成本。若要保證工程建設(shè)安全，就需要對建設(shè)工程進行邊坡穩(wěn)定分析，所以邊坡穩(wěn)定分析一直是學(xué)界研究的重點，也是國內(nèi)外許多領(lǐng)域的一個關(guān)鍵研究課題。加之我國是個多山國家，邊坡成為修建疏港道路不可逾越的障礙。許多時候，疏港道路的修建需要開挖路塹邊坡，使得邊坡原本地質(zhì)應(yīng)力被改變，然而對于順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞機理，目前存在分化的認識，沒有得到全面、統(tǒng)一的認識。因此，為解決開挖路塹邊坡而引起的邊坡失穩(wěn)事件，避免對經(jīng)濟生產(chǎn)和人員安全造成損害，需要全面綜合地分析開挖順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性及相應(yīng)加固措施，這將引起相關(guān)研究人員的重點關(guān)注[1-6]。鐘衛(wèi)平[7]依托某高速公路路塹順層巖質(zhì)邊坡垮塌災(zāi)害治理工程，提出了抗滑鍵施工的邊坡治理措施；張玉芳[8]以一鐵路紅層邊坡工點為例，評估該工點的邊坡病害，并設(shè)計了4種錨桿設(shè)置方案；寧帥[9]考慮土體各向異性進行抗滑樁邊坡穩(wěn)定性分析。

依照EN.Bromhead[10]的統(tǒng)計，有接近一半的治理費用是用在治理邊坡上。因此，對順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進行正確評價具有重要的意義，值得進行深入的研究。

1 工程概況

連云港某疏港道路中云臺山段，由于公路路塹開挖，在K9+460～K10+440段形成左側(cè)順層邊坡。如果從位置上看，邊坡處于淺丘坡頂部，這個位置屬于粉砂巖蓋散布，同時處于其中紫紅色泥巖的頂部。具體分布在粉砂巖上部的某個區(qū)間范圍內(nèi)，高度數(shù)據(jù)是12～16 m。從特點上看表現(xiàn)出土黃色，顆粒度較粗，并且含有較多的長石以及巖屑，如圖1所示。

圖1 樁號K9+460～K10+440段左側(cè)邊坡

2 順層巖質(zhì)邊坡開挖及加固數(shù)值模擬

2.1 有限元數(shù)值模擬建立

接下來計算分析的是邊坡巖土體，主要分析的是這部分的物理學(xué)參數(shù)。具體情況可以參考表1。在各項參數(shù)的基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的邊坡計算模型，具體模型可以參考圖2，在這個模型中包含左右邊界，邊界主要的作用是對于水平位移進行約束，其中還同時包含有底部約束，其主要的作用是對于兩相位移進行約束，但在這個模型中并沒有受到任何約束。計算得到的具體數(shù)據(jù)指標：模型底部長130 m，左側(cè)邊界高56 m，右側(cè)邊界高32 m；采用6節(jié)點三角形單元進行網(wǎng)格劃分，得到8 239個單元，16 698個節(jié)點。利用有限元強度折減法進行邊坡穩(wěn)定性分析，求得邊坡極限狀態(tài)下的各項指標。

表1 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖2 天然狀態(tài)下邊坡計算模型

2.2 天然穩(wěn)定性分析

根據(jù)計算，把其中的邊坡關(guān)鍵云圖進行匯總得到圖3。從圖中的分析情況可以發(fā)現(xiàn)，當其中的邊坡處于天然狀態(tài)時，對應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)數(shù)據(jù)是3.79，邊坡最大位移為0.88 cm，其中左側(cè)邊坡坡頂發(fā)生的最大位移，在主要的原因在于其受到了重力的作用。在這種情況下，右側(cè)邊坡也會跟隨其中層面的發(fā)展而出現(xiàn)最大位移，在這個過程中右側(cè)邊坡將會靠近巖層結(jié)構(gòu)面以及底部邊界匯集的位置，這種情況下對應(yīng)的最大剪力數(shù)據(jù)是0.03。如果針對其中水平位移數(shù)據(jù)進行分析可以發(fā)現(xiàn)，由于重力的作用，邊坡下順層面發(fā)生位移變形，符合實際變形情況。針對其中的屈服區(qū)進行分析可以發(fā)現(xiàn)，由于制動作用，其中的3個位置大部分都發(fā)生了屈服，一個是邊坡中部上緣，一個是左側(cè)邊坡，還有一個是右側(cè)邊坡?；谇笆龇治隹梢耘袛?，如果處于天然狀態(tài)，那么邊坡可以保持穩(wěn)定。

2.3 開挖邊坡穩(wěn)定性分析

考慮到道路的修建需要經(jīng)過這個位置，所以必須要分析這個位置的開發(fā)穩(wěn)定性，具體的分析需要參考實際開發(fā)情況。通過這項分析可以明確兩方面內(nèi)容：一個是支護加固的情況，還有一個是開挖以后的穩(wěn)定狀態(tài)。其中邊坡里開挖深度范圍在11～17 m，其中開挖坡比是1∶0.75，在開發(fā)過程中選擇切層開挖工藝，基于前述數(shù)據(jù)可以分析得到對應(yīng)的計算模型，具體情況可以參考圖4。

(a)邊坡最大剪應(yīng)變分布

(b)邊坡總位移分布

(e)邊坡Mises應(yīng)力

(f)邊坡屈服區(qū)分布圖3 天然狀態(tài)下邊坡計算關(guān)鍵云圖結(jié)果

(a)第二級邊坡開挖

(b)第一級邊坡開挖圖4 開挖后邊坡計算模型

分析最大剪應(yīng)變分布圖，具體情況可以參考圖5，能夠明確其穩(wěn)定安全系數(shù)為1.93，由此可以判斷其整體穩(wěn)定，其中第2級邊坡開挖的安全系數(shù)是0.96，所以可以判斷其穩(wěn)定，因此需要進行相應(yīng)的支護加固處理，在這項處理工藝以后才能夠進行路面的修建。

分析邊坡開挖以后的總位移分布情況，具體可以參考圖5(b)，能夠發(fā)現(xiàn)第1級邊坡開挖以后，最大的位移數(shù)據(jù)是1.9 cm，因為其中左側(cè)邊坡坡頂最高處的位置受到重力作用，所以會產(chǎn)生最大位移。右側(cè)邊坡最大位移的具體情況要參考邊坡全面發(fā)展的情況。并且向著巖層結(jié)構(gòu)面以及相應(yīng)的底部邊界交匯位置靠攏。第2級邊坡開挖完成以后，發(fā)現(xiàn)其最大位移數(shù)據(jù)是2.64 cm，從這個數(shù)據(jù)中可以判斷出邊坡開挖放量偏大，左側(cè)邊坡將會沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)生較大位移，右側(cè)邊坡將會因為應(yīng)力釋放而出現(xiàn)位移較小的情況。

由邊坡開挖后水平位移分布圖5(c)可以看出，第1級邊坡開挖后，邊坡水平位移主要發(fā)生在左側(cè)邊坡。當?shù)?級邊坡開挖后，出現(xiàn)明顯的順結(jié)構(gòu)面水平位移，聯(lián)合總位移分布，可知邊坡失穩(wěn)滑面正是兩種不同巖層的結(jié)構(gòu)面，且左側(cè)坡頂出現(xiàn)貫通至坡面的現(xiàn)場，可以看出順層邊坡的預(yù)加固范圍。

分析邊坡開挖以后的屈服情況可以得到具體分布圖如圖5(d)所示。從圖中的情況來看，有兩個部分邊緣位置發(fā)生了小部分屈服，一個是右側(cè)邊坡，一個是左側(cè)邊坡，相較于未開挖的天然狀態(tài)，邊坡開挖范圍不大，所以引力在釋放的過程中較為集中。

綜合前述分析可以發(fā)現(xiàn)，第2級邊坡在開挖以后穩(wěn)定性不足，需要對其進行支護加固，以確保修建和運營的安全。

(a)最大剪應(yīng)變分布

(c)邊坡Mises應(yīng)力云圖

(d)邊坡塑性區(qū)分布云圖圖5 開挖后邊坡關(guān)鍵云圖

3 邊坡加固數(shù)值模擬

邊坡開挖后需要采取加固措施，使其穩(wěn)定性、安全性達到相應(yīng)標準后方可進行施工。這節(jié)中將會介紹使用錨桿框架梁以及對應(yīng)的抗滑擋土墻進行加固的方法，并且完成相應(yīng)的數(shù)值模擬分析。具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以參考表1。

3.1 抗滑樁加固

對采取抗滑樁加固開挖后的邊坡，使用削坡與噴射混凝土技術(shù)對其進行相應(yīng)防護。布置1排抗滑樁，樁長16 m，尺寸1.8 m×2.5 m，加固于第1級邊坡頂部，由于邊坡左側(cè)后緣過于陡峭，應(yīng)對其進行小范圍削方處理，同時施加10 kPa均布荷載于路面，以模擬相應(yīng)荷載對邊坡的反壓影響，最后計算模型如圖6所示。

參考相應(yīng)計算內(nèi)容，可以把其中邊坡的關(guān)鍵云圖進行匯總，最終得到圖7。分析圖7可以發(fā)現(xiàn)，在天然狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)是1.31，所以可以判斷其處于穩(wěn)定狀態(tài)；左側(cè)第1級邊坡坡頂存在最大位移；左側(cè)邊坡坡腳處存在最大剪應(yīng)變，究其原因在于抗滑樁右側(cè)部分邊坡在自重作用下向下剪切土體，但由于路面反壓模擬值過小，兩者相互作用使得坡腳處出現(xiàn)剪應(yīng)變集中；通過前述分析可以發(fā)現(xiàn)，在邊坡中加入抗滑樁以后，整體保持穩(wěn)定狀態(tài)，但同樣存在較大位移。

圖6 邊坡抗滑樁加固計算模型示意圖

(a)最大剪應(yīng)變分布

(b)邊坡總位移分布

(d)邊坡塑性區(qū)分布云圖圖7 邊坡抗滑樁加固后邊坡關(guān)鍵云圖

3.2 錨桿框架梁加固

錨桿框架梁是邊坡開挖面常用的一種加固支護措施。本文使用的加固方式是錨桿框架梁，并且還會對其進行相應(yīng)的防護，使用的是噴射混凝土技術(shù)，其中第2級邊坡布置4排錨桿，間距5 m，長度從長到短依次為25 m，21 m，17 m，12 m；第1級邊坡布置3排錨桿，間距5 m，長度均為17 m；錨索與水平面成30°打入邊坡體，直徑150 mm；最后計算模型如圖8所示。

通過計算可以得到邊坡關(guān)鍵云圖，具體信息將會匯總于圖9。參考圖9中信息，明確邊坡沒有采用加固方式時穩(wěn)定安全系數(shù)為1.32，這項數(shù)據(jù)表明其整體穩(wěn)定；從數(shù)據(jù)上看，可以發(fā)現(xiàn)其中右側(cè)邊坡存在最大位移是6.78 cm，左側(cè)邊坡位移支護較為均勻，展現(xiàn)出錨桿對邊坡位移支護的良好性能；左側(cè)邊坡坡腳處存在最大剪應(yīng)變，第1級邊坡錨桿下部土體在自重作用下與路面反壓，兩者相互作用，使得坡腳處出現(xiàn)剪應(yīng)變集中。綜合前述分析可以看出，邊坡在錨桿加固作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)，且位移能夠得到良好的控制。

圖8 錨桿框架梁加固邊坡計算模型示意圖

3.3 抗滑擋土墻加固

本文采取抗滑擋土墻加固開挖后的邊坡，同時使用削坡與噴射混凝土技術(shù)對坡面進行相應(yīng)防護。對邊坡左側(cè)后緣使用削方處理，主要是因為其過于陡峭，并且會在路面上施加一定載荷，要求載荷分布均勻，載荷大小是10 kPa，最終得到的計算模型可以參考圖10。

參考計算結(jié)果可以把邊坡關(guān)鍵云圖匯總于圖11。邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.13，在左側(cè)的最高處位置發(fā)現(xiàn)其最大位移是7 cm，與開挖以后的邊坡位移數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)其發(fā)展趨勢差距不大，有效地提升了安全系數(shù)，起到了擋土墻的加固效果，通過這種方式實現(xiàn)約束，約束是利用自身重力實現(xiàn)的，同樣在左側(cè)邊坡坡腳處存在最大剪應(yīng)變。綜合前述分析可以看出，邊坡在擋土墻加固作用下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但未能滿足規(guī)范要求的安全系數(shù)1.15。

(a)最大剪應(yīng)變分布

(b)邊坡總位移分布

(c)邊坡Mises應(yīng)力云圖

(d)邊坡塑性區(qū)分布云圖圖9 錨桿框架梁加固后邊坡關(guān)鍵云圖

圖10 抗滑擋土墻加固開挖邊坡計算模型

通過3種加工方式的計算分析可以發(fā)現(xiàn)，邊坡在加入抗滑樁以后，起到了一定的加固作用，使整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。安全數(shù)據(jù)是1.32，在加固以后可以保持穩(wěn)定，安全系數(shù)是1.31，并且可以有效地控制其中的位移。利用擋土墻進行加固可以使邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，從測量數(shù)據(jù)來看其安全系數(shù)是1.15，從實際情況來看位移約束效果還需要進一步加強?？紤]到施工難度較高，所以排除這種方案，可采用抗滑樁及錨桿框架梁加固方案，但須進一步進行優(yōu)化分析，進而確定最優(yōu)的加固方案。

(a)最大剪應(yīng)變分布

(b)邊坡總位移分布

(c)邊坡Mises應(yīng)力云圖

(d)邊坡塑性區(qū)分布云圖圖11 抗滑擋土墻加固后邊坡關(guān)鍵云圖

4 結(jié)語

通過有限元分析計算某順層巖質(zhì)邊坡在天然狀態(tài)和路塹邊坡開挖條件下的穩(wěn)定性系數(shù)，發(fā)現(xiàn)邊坡在天然狀態(tài)下具有較好的自穩(wěn)性，但在路塹開挖后邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，需要對相應(yīng)工點進行加固治理。通過對3種常見的邊坡支護加固措施進行對比分析，發(fā)現(xiàn)邊坡在抗滑樁加固作用下安全系數(shù)最高，錨桿加固次之，擋土墻加固安全系數(shù)最小，但均處于穩(wěn)定狀態(tài)。加入抗滑樁，邊坡第1級邊坡坡面存在較大位移；邊坡在錨桿加固作用下位移能夠得到良好的控制；邊坡在擋土墻加固作用下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但未能滿足規(guī)范要求的安全系數(shù)1.15。因此，可采用抗滑樁及錨桿框架梁加固方案，保證疏港道路建設(shè)及今后運營的安全性。