某高边坡变形机制及治理措施研究

尹红梅 石 谦

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司 武汉 430071）

某高边坡位于云南省境内，开挖高度达109 m，根据勘探资料显示，挖方边坡段第四系冲洪积、残坡积厚度20～40 m，其下为强风化侏罗系中统花开左组板岩，局部有弱风化板岩。边坡设计从上至下分6级开挖，各级底部高程分别为1 570，1 550，1 530，1 510，1 492，1 471 m，边坡坡率1∶1.0。

1 变形监测数据分析

该边坡施工过程中，在坡面先后布置了14个表面变形监测点。2011年5月～10月期间，表面变形监测点的变形在平面图上的投影见图1，监测数据表明变形明显的主要是 TP-06，TP-07，TP-08测点。

图1 表面变形监测成果平面投影图

沿侧面边坡中心线切取地质剖面I-I′，绘制TP-06，TP-07，TP-08监测点的变形在剖面上的矢量投影，见图2。

图2 监测点变形矢量在I-I′剖面图上的投影形态

（1）3个点在剖面图上的投影变形量总体相当，说明坡体表层整体滑移［1］。

（2）测点变形方向反应了测点所在位置底滑面倾角大小［2］；从上至下，测点变形方向与水平面夹角逐渐变缓；到监测点TP-08，测点变形方向已近水平，说明潜在剪出口可能就在TP-08附近。

（3）监测点变形方向与相应部位第四系下界面倾角吻合较好，说明潜在变形体沿第四系下界面滑移的可能性较大。

2 边坡稳定性分析

2.1 边坡稳定性分析参数选取

根据该边坡勘测资料并参照以往工程经验，边坡各层岩土体参数选取如表1。

表1 边坡参数取值

2.2 数值模拟方法分析边坡稳定状态

根据边坡资料建立的边坡稳定性数值模拟分析模型见图3［3］，考虑了第四系、强风化板岩、弱风化板岩、微新岩体4个不同岩性层，按实际施工情况，边坡分6级开挖。

图3 边坡数值分析模型

将自重应力导致的位移场清零，然后进行边坡逐级开挖模拟。

图4为计算模型中不平衡力随计算荷载步的变化曲线。由图4可见，第一级、第二级边坡开挖时，计算迅速收敛，说明第一、二级开挖不会导致边坡大量变形，但是开挖第三级时，计算收敛已经比较困难。

图4 开挖时不平衡力随荷载步变化曲线

图5 为第三级开挖结束后边坡的水平向变形等值线图，最大水平变形已超过30 c m，且以开挖揭露部位第四系变形为主。进行第四级边坡开挖模拟时，计算不再收敛，说明在无支护条件下，开挖第四级边坡时，坡体会出现失稳滑移［4－5］。第四级边坡的底部高程为1 510 m；数值模拟结果与现场实际监测到的边坡大变形出现位置相吻合。

图5 第三级开挖后边坡水平变形等值线图

2.3 极限平衡法分析边坡稳定状态

根据以往工程经验，该边坡失稳产生较大滑移的潜在滑移面有第四系下界面和强风化层下界面，见图6和图7中粗线所圈闭的范围。

图6 沿第四系下界面的稳定性分析模型

图7 沿强风化层下界面的稳定性分析模型

采用不平衡推力法计算边坡沿两个滑移面滑动的稳定性系数［6］，结果为：沿第四系下界面的潜在滑移体，稳定性系数为0.8；沿强风化层下界面的潜在滑移体，稳定性系数为1.5。说明开挖后，在没有及时支护的情况下，边坡存在沿第四系下界面整体滑移的趋势。

3 边坡处治设计

边坡施工过程中的变性监测数据、边坡数值模拟稳定性分析结果及边坡极限平衡法稳定性分析结果均表明，该高边坡滑移面为第四系与基岩交界面，即第四系下界面。

3.1 边坡剩余推力的计算

根据相关规范［7］，边坡安全系数取1.3，采用不平衡推力法计算。边坡剩余推力计算采用图6所示的分析模型，图8给出了开挖时各条块剩余推力，边坡潜在滑体剩余推力为3 484 k N。

3.2 边坡处治设计

根据滑体厚度、规模等，拟采用预应力锚索进行坡体加固。

锚索的轴向拉力设计值与滑坡推力设计值之间存在以下关系［8］：式中：Nt为锚索或锚筋桩轴向拉力设计值，k N；Fn为滑坡推力设计值；φ为滑动面内摩擦角，取22°；α为滑动面与水平面夹角，取平均值35°；β为锚索或锚筋桩与水平面的夹角，取平均值20°。

图8 开挖时各条块剩余推力分布曲线

边坡潜在滑体剩余推力为3 484 k N，按式（1）计算得所需轴向拉力设计值Nt为3 851 k N。

在第四系滑移体内，布置11排预应力锚索，锚索列间距5 m×5 m［9］，锚索下倾20°，交错布置，锚索长度根据滑面位置取L＝25～45 m。见图9。

图9 支护方案图

单根锚索轴向设计拉力1 800 k N，11排锚索设计总拉力为19 800 k N，单宽滑体上的设计拉力为3 960 k N，大于所需轴向拉力。

3.3 边坡开挖支护过程数值模拟

对边坡开后采取锚索支护方案进行数值模拟，图10为给支护后，计算模型中不平衡力随计算荷载步的变化曲线，可以看出：每级边坡开挖后，计算都能迅速收敛，说明边坡开挖支护后整体稳定性较好。

图11为支护后，边坡内水平向变形等值线图。由图11可见，边坡采用支护后最大水平向变形只有约5 c m。图11中还给出了各排锚索荷载分布图，图中标注的数字为各级开挖面上锚索最大轴向出力［10］。从锚索荷载分布可以看出，第四级、第三级边坡上锚索出力要大于第二级、第一级边坡上锚索出力；第四级边坡上，锚索最大出力为1 579 k N，小于设计荷载1 800 k N。

图10 按原方案支护情况下不平衡力随荷载步变化曲线

图11 支护结束后水平向变形等值线图及锚索荷载分布图

图12 为支护结束后，坡体内塑性区分布。可以看出，边坡整体变形较小；且塑性区未贯通，说明边坡整体稳定性较好。

图12 支护后坡体内塑性区分布图

4 结论及建议

综合采用工程地质分析、极限平衡分析、数值模拟分析等手段，同时结合对变形监测资料的解析，基本查明了该高边坡变形机制、变形过程及变形特征，边坡在不同阶段、不同情况下的稳定状态，以及采取锚索支护措施对限制边坡变形、维持边坡稳定的作用过程及效果。

研究结果表明：

（1）该高边坡滑移面为第四系与基岩交界面，即第四系下界面。

（2）在第四系滑移体内布置11排列间距为5 m的1 800 k N级预应力锚索支护方案提供的抗滑力能够平衡潜在滑移体的剩余下滑力，使边坡处于稳定状态。

（3）边坡开挖施工过程中应加强地表水、地下水的疏排。

［1］ 晏同珍.水文工程地质与环境保护［M］.武汉：中国地质大学出版社，1994.

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