娄新高速复杂地质边坡治理研究及稳定性分析＊

彭富强，袁昕，袁航

(1．湖南交通职业技术学院岩土工程材料研究所，湖南长沙410132;2．湖南省永龙高速公路建设开发有限公司，湖南永顺416700)

边坡指地壳表部一切具有侧向临空面的地质体，是坡面、坡顶及其下部一定深度坡体的总称。近年来，由于边坡岩土工程地质的复杂性，单一的坡面防护形式难以满足设计需要，因此，要针对岩性大致相同的路基边坡进行专题研究，其中炭质泥岩就是比较复杂而又典型的工程地质，其边坡防治需进行专题研究。目前，针对炭质泥岩这一特殊工程地质条件的边坡防护研究较少，只是就单一工程项目的炭质泥岩边坡进行一定研究［1－3］。本文以娄新高速为依托，研究娄底炭质泥岩边坡的岩土特性及工程特性，根据炭质泥岩边坡稳定性的主要因素和边坡变形破坏模式，研究不同的炭质泥岩边坡的防治技术［4－6］。对娄新高速 K22+200～K22+400路段右侧的典型炭质泥岩夹层边坡进行稳定性分析，并找出适合该边坡的防护措施。

1 工程概况

1．1 工程环境状况

娄新高速公路K22+200～K22+400段右侧边坡，为一路堑高边坡(见图1)，在2010年5月高速公路切坡之后，由于未及时支护，并且未进行相应的地质勘察，发生了几次比较大的滑坡，后缘和滑坡体表层张性裂缝发育较严重。

依据后续工程地质勘探及调查访问，该边坡下伏岩层为强风化炭质泥岩，该泥岩具有遇水后软化、粘聚力大大降低的性质，从而导致边坡在几次暴雨后发生深层滑坡，且仍存在向下蠕滑趋势，很可能加速发展，甚至再次发生整体下滑。

图1 娄新高速公路K22+200－K22+400段右侧滑坡全貌Fig．1 Landslide on the right side of k22+200—K22+400 Lou－Xin expressway

1．2 地层岩性

根据2次地质勘察成果，边坡地层岩性自上而下分别为:

(1)第四系残积土;

(2)全风化泥灰岩夹碳质泥灰岩(C2h)，厚度为1．40～8．40 m，平均揭露厚度为 3．83 m;

(3)中风化泥灰岩(C2h):薄－中厚结构，呈夹层局部互层产出，岩质较软，裂隙较发育，岩质较坚硬，岩芯较完整，岩芯表面无溶蚀裂缝现象;

(4)地层产状为250°∠59°，与路面斜交，总体上对边坡有利。

2 治理措施研究

2．1 加固设计原则

(1)采用台阶式边坡，加固原则以稳定为本，加固为主，排水、防护并重，一次根治、不留隐患综合治理，保证施工过程安全和通车后长期稳定。

(2)削坡、减载条件下能确保边坡稳定时，优先考虑采用坡率法和减载法结合处理边坡，但存在土体顺着土岩分界面滑动的可能时，必须考虑坡脚增设抗滑措施，消坡和减载作为辅助措施使用。

(3)根据边坡高度、下滑推力或者土压力、剪切破坏力的大小，选用坡脚加固措施，当设置坡脚抗滑桩时，桩间措施按地质、地形及水文条件综合考虑灌浆、挡土墙、桩板墙等稳固措施［7－8］。

2．2 加固设计措施

结合本工程工点，考虑到边坡较高，坡面残积土较深厚，且下伏炭质泥岩遇水软化，且发生几次大的滑坡，可知土体易发生深层滑动，故清方和减载不能完全根治边坡的稳定，拟采取以下措施综合治理该边坡:“锚杆+抗滑桩+灌浆”。

(1)为节省工程投资，采用清方减载、放缓破率的方案，桩后土体实行清方卸载措施，每6 m高度分级刷坡，坡率放缓一级，采用1:1．75。

(2)由于边坡上覆土层为残积膨胀土，遇水后膨胀，在重力的作用下易发生表层滑坡，因此，采用深层锚杆对边坡表层进行加固，锚杆的设计长度为锚固端深入边坡内部稳定持力层2～3 m内为止。

(3)为防止边坡发生深层滑动，在坡脚布置一排尺寸为2 m×1．5 m、间距为2 m，深度为15 m的抗滑桩，桩端深入持力层，抗滑桩悬臂最大高度不超过8．0 m。

(4)为防止炭质泥岩遇水后软化，粘聚力降低导致边坡承载力不足发生深层滑移，故采用灌注水泥浆改良边坡下层炭质泥岩软弱夹层，在抗滑桩前面布置五排灌浆孔，灌浆孔间距1．5 m，采用梅花式布孔，灌注水泥浆液，形成复合地基共同抵抗边坡下滑推力。

3 边坡有限元建模分析

3．1 模型的建立

采用工程实例中边坡加固设计方案为模型基础进行有限元数值分析，按照坡脚设抗滑桩、坡面设锚杆框架梁进行加固后的情况建立有限元模型。以典型断面K22+360边坡加固设计剖面为基础建立二维模型，其模型如图2所示。

图2 模型几何形状图Fig．2 The geometry figure of model

表1 模型的材料参数Table 1 The Material parameters of model

模型底边是基岩面采用完全约束，左右边界采用水平向约束，桩端采用自由约束。锚杆结构采用平面梁单元，其他结构采用平面四节点四边形减缩性积分单元(CPE4R)，采用结构化网络划分技术，网络划分见图 3［9］。

图3 模型网络结构图Fig．3 The network structure of model

3．2 计算采用的材料屈服准则

本次数值模拟采用的是Mohr－Coulomb屈服准则，它比较适用于计算地基极限承载力，在岩土工程中应用非常广泛，Mohr－Coulomb屈服准则表达式:

以主应力表示屈服条件为

以不变量可表示为

式中:－π/6≤θσ≤π/6。

由莫尔应力圆可知:

由上可知，按Mohr－Coulomb屈服准则求得的临界抗剪强度(τ)要小于最大剪应力破坏时的抗剪强度(τmax)，Mohr－Coulomb准则较 Tresca屈服准则先进入屈服阶段。

由于岩土材料属于粒状体材料，主要依靠颗粒间的摩擦承受荷载，其变形和破坏受摩擦的影响，由剪应力与垂直应力的共同作用使粒子间克服摩擦产生相对滑移破坏，因此，Mohr－Coulomb屈服准则对岩土体较实用。Mohr－Coulomb屈服准则破裂面与滑移线的关系见图4。

图4 Mohr－Coulomb屈服准则破裂面与滑移线的关系Fig．4 Relations between failure surface and slip curves of Mohr－Coulomb yield criterion

3．3 有限元模型的分析

3．3．1 土体变形分析

总位移云图和总位移矢量图分别见图5和图6。由图5和图6可以看出:加固后土层的滑动范围较小，整体稳定性满足要求，土体没有形成滑动面，最大位移发生在坡顶处约为9 cm。

图5 总位移云图Fig．5 The contours of total displacement

图6 总位移矢量图Fig．6 The vector of total displacement

图7 水平位移云图Fig．7 The contours of horizontal displacement

水平位移总图见图7。由图7可以看出:在水平方向，土体没有形成滑动面，也未形成贯穿的剪切破坏面，第二级边坡的位移较大，最大位移发生在二级边坡上部约为4．5 cm。

图8 竖直位移云图Fig．8 The contours of vertical displacement

垂直位移云图见图8。由图8可以看出:在竖直方向自重应力的作用下，大部分岩体和桩在竖直方向的位移为0 cm，满足地应力平衡后的状态，土体位移较大处发生在坡顶的三角部位，最大位移为－80 mm(以竖直向上为正方向)。

图9 土体进入塑性区图Fig．9 The figure of soil into the plastic

土体进入塑性区图见图9。由图9可以看出:土体进入塑性区的范围集中在坡顶处，主要是重力作用引起的，未发生贯穿桩体和锚杆的塑性区，说明边坡整体稳定性良好，满足设计要求。

3．3．2 桩体变形图

图10 桩体位移云图与位移矢量图Fig．10 The displacement contours and displacement vector of the pile

桩体位移云图与位移矢量图见图10。由图10可以看出:桩顶最大位移为18 mm，锚固段与悬臂端分界处位移为7 mm，桩承受的最大总应力是2 MPa，这与理论计算在考虑1．15的安全储备后，桩顶最大位移为26 mm，分界处位移8 mm相差不大，满足抗滑桩桩顶位移不大于8 cm以外，锚固段与悬臂段分界处水平位移不宜大于10 mm，且侧壁应力不应大于地层的横向容许承载力的要求。

3．4 边坡稳定安全系数

根据图3模型，坡脚设抗滑桩、坡面设锚杆加固后，按照ABAQUS中强度折减的实现方法，将土的和进行折减(场变量为1，折减系数0．5≤≤3)，各材料参数除c和φ按照场变量线性变化外，其余参数严格按照表1取值，分析增加折减步骤(reduce)共3步，模型计算完成后进行结果分析。

图11 边坡特征点位移U1随折减系数FV1的变化关系Fig．11 The relationship of the slope feature points displacement U1between with reduction factor FV1

图12 边坡特征点Fig．12 The slope feature points

从图11所示的位移拐点的变化可以清楚判断得出的安全系数Fs=1．6。通过在坡体内布置特征点，可发现这些点的位移随折减系数的增大而存在突变现象，当边坡折减系数达到1．6的时候，特征点7，8，10和12的位移明显发生突变，因而以此作为失稳判据，判断边坡失稳的过程。边坡特征见图12。

4 边坡稳定的变形监测

根据边坡滑坡情况，在边坡上共布设了12个监测点，监测点位置位于边坡位移特征点(图12)，观测精度按二级中等精度要求，每次测量前对全站仪进行检验，监测位移变化与有限元数值分析计算结果对比如图13所示。

图13 特征点1的累计水平位移值随时间变化曲线Fig．13 The Curve of accumulated horizontal displacement value of the feature points 1 versus time

图14 特征点2的累计水平位移值随时间变化曲线Fig．14 The Curve of accumulated horizontal displacement value of the feature points 2 versus time

特征点2的累计水平位移值随时间变化曲线见图14。通过1个半月的持续监测，在施工过程中，边坡表层位移变化较大，在施工结束以后，边坡表层位移随时间逐渐减小，边坡变形得到了控制，达到了加固的效果。同时，通过对比有限元分析结果中特征点累计水平位移与实际位移监测数据可以发现，有限元分析结果的规律基本上与实际位移一致，验证了有限元分析结果的可靠性。

5 结论

(1)采用“锚杆+抗滑桩+灌浆”对娄新高速公路K22+200～K22+400段右侧炭质泥岩夹层边坡进行加固治理，通过治理后的监测结果表面，该治理方案能达到很好的加固效果，可以为其他类似工程提供借鉴。

(2)采用ABAQUS有限元分析软件对边坡加固措施的可靠性进行分析，通过坡体与桩的各种位移云图可以发现该治理措施能有效地遏制边坡的下滑趋势，并且依据边坡特征点的位移监测，可以判断出该边坡加固后的稳定安全系数为1．6。

(3)根据监测结果，采用“锚杆+抗滑桩+灌浆”加固边坡后，边坡的位移逐渐减小，未发生失稳或大滑移现象。通过对比有限元分析特征点的位移监测与边坡实际位移监测值，验证了有限元分析结果的可靠性。

(4)由于岩土是一种非常复杂的材料，单纯的理论计算和实验分析常常难以准确的解决实际问题，应根据现场情况和土质特征，借鉴类似经验，综合考虑选取合适的处理方案。

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