强降雨激励下松散岩堆路堑边坡稳定性分析

袁海平， 陈水梅， 朱大勇， 卢坤林， 韩治勇， 王 斌

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221000；3.土木工程结构与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009）

0 引 言

岩堆是岩质山坡在各种风化作用下失稳，产生塌滑、剥落，形成大小不一的岩块、岩屑，在自然力作用下搬运、堆积形成的松散堆积体，具有空隙发育、结构松散、稳定性差等特点，通常处于临界状态，在自然或人为影响下岩堆易产生崩塌滑坡等地质灾害，属于典型的不良工程地质现象之一［1］。岩堆不仅对公路建设、运营安全和道路养护影响较大，而且会损坏路面、路基、桥梁、隧道，阻断交通，甚至会迫使放弃已成道路的使用。因此，研究山区高速公路岩堆路段稳定性，对于山区高速公路建设具有重要意义。

由于特殊的材料特性，岩堆坡体内部空隙发育，碎裂岩块产状紊乱，在强降雨条件下，岩堆体的物理力学性能出现大幅下降［2］，易于在岩土体内部形成大量软弱面。文献［3－5］研究了岩堆体的抗剪强度及其变形特性；文献［6］通过数值模拟的方法对岩堆破坏模式进行了研究；文献［7］在考虑水岩物理化学作用的情况下，用所求得的参数建立了水库水位上升时库岸堆积体边坡稳定性计算的数值模型；文献［8］采用坡面角度、坡面形状和坡体厚度等研究岩堆的外部结构，采用土石混合比和块石尺度分布研究岩堆的内部结构，从而实现岩堆体结构特征的几何特征描述指标方法；文献［9］对岩堆路基在自重及汽车荷载作用下的沉降变形进行了模拟，研究了不同组成、不同高度的典型岩堆体的沉降变形规律；文献［10］对崩塌堆积体边坡的渐进性破坏过程进行了仿真模拟分析；文献［11］基于参数相对敏感性分析方法，采用智能响应面法分析了边坡稳定性；文献［12］提出岩堆路基地段工程处理措施应根据岩堆不同特点和路基通过的不同方式选用；文献［13］分析了岩堆体的物理力学性质与其稳定性的关系；文献［14］通过离心模型试验研究了岩堆路基沉降变化规律和影响因素，并提出减小岩堆路基沉降的措施；文献［15］研究了岩堆发育特征及其对高速公路工程建设的影响；文献［16］建立了岩堆边坡危险性模糊综合评价体系，将滑坡危险性划分为5个等级；文献［17］采用有限差分程序FLAC2D的拓展（FlAC3D）对比分析了抗滑桩、锚杆、降雨等对某水电站专线公路岩堆边坡稳定性的影响。

目前对于岩堆的力学特性、变形破坏机理、危险性评价等方面已开展了相关研究，并取得了诸多研究成果，但对于强降雨条件下的松散岩堆边坡稳定性问题的相关研究并不多。本文依托国家高速公路网规划中的南北纵线G85重庆—昆明高速公路工程，运用FlAC3D数值模拟的方法，模拟松散岩堆路堑边坡在强降雨条件下的稳定性，为岩堆路堑边坡工程设计提供参考。

1 抗剪强度系数折减基本原理

抗剪强度折减系数（shear strength reduction factor，SSRF）是在外荷载保持不变的情况下，边坡内岩土体所发挥的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比，与极限平衡分析中所定义的土坡稳定安全系数在本质上是一致的。SSRF考虑了岩土体的本构关系及变形对应力的影响，能够模拟边坡破坏过程及其滑移面形状、岩土体与支护结构共同作用效应等，因而一直以来受到学者广泛认可和应用。

抗剪强度折减是将岩土体的抗剪强度指标c和φ，用折减系数Fs进行折减计算，然后用折减后的虚拟抗剪强度指标cF和φF，取代原来的抗剪强度指标c和φ，具体公式如下：

其中，cF为折减后土体虚拟的黏聚力；φF为折减后土体虚拟的内摩擦角；τF为折减后的抗剪强度。

2 计算模型与方案设计

2.1 工程概况

G85重庆—昆明高速公路工程ZK29＋420—ZK29＋520边坡位于云南省昭通市境内，该处岩堆分布范围广、厚度大、稳定性差。根据设计提供的1∶2 000地形图、路线纵断面图及地质勘察资料，该处路线右线为桥梁方案，左线为挖方路基，总长约80m，岩堆厚度为20～60m。路线从岩堆下部通过，中线最大挖方深度约4m，位于ZK29＋460处。该路线的横坡较陡，如果直接采用放坡开挖，左侧将形成约55m高且更陡的边坡，可能触发原有岩堆边坡失稳。

为对该区域岩堆边坡及开挖后的路堑边坡的稳定性进行评价，初步设计将岩堆路堑边坡分5级开挖。在第1级开挖前，预先在边坡顶部施工抗滑桩并加设预应力锚索，锚索长为30m；各级岩堆开挖后立即施工3根加固锚索，其中前4级边坡锚索长为25m，最后一级边坡锚索长为20m，倾角均为25°，用于边坡锁脚。

2.2 模型的建立

根据计算精度、计算机计算能力及工程实际等方面的要求，将ZK29＋460段岩堆路堑边坡计算模型范围确定为x轴取垂直线路走向；考虑到计算截面在公路走向上变化幅度不大，因此数值计算按平面应变问题进行，y轴取单位厚度；z轴取竖直向上，取路面以下30m位置作为计算模型z＝0面，地表由路堑边坡横断面图确定。因此，考虑边界效应后的计算模型尺寸为169m×1m×148m，ZK29＋460段岩堆路堑边坡计算模型如图1所示，离散后的计算模型四面体单元数为14 225个，节点数为4 775个。计算模型的边界效应已考虑，故模型两侧及底部均采用位移约束，地表为自由面；应力场由岩体自重引起。

图1 ZK29＋460段岩堆路堑边坡计算模型

2.3 计算方案的设计

ZK29＋460段岩堆路堑边坡稳定性数值计算采用FLAC3D分析软件，该软件能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形。

为模拟边坡开挖过程及工后地震状态下的岩堆路堑边坡稳定性情况，根据各开挖步拟按自然状态（8个工况）、暴雨状态（8个工况）和地震状态（1个工况）3种情况下分步开挖及工后地震共17种工况进行模拟分析，其中路堑开挖按工程设计分6步实施并及时加固。工后地震按地震与暴雨共同作用的最不利状态下模拟，加载地震动峰值加速度大致相当于地震烈度为7度（峰值加速度0.15g）时的特定地震波。

2.4 计算参数选取

岩堆路堑边坡暴雨工况下岩体基本力学参数见表1所列。根据文献［18］和其他边坡、滑坡规范，并结合定性分析和现场情况，对岩堆边坡进行了强度参数反算，认为表1参数组合是恰当的。岩堆强度参数反算基于以下4项原则：① 对于基本稳定边坡，安全系数应取高于1.05～1.10；② 对于临滑状态的边坡，取安全系数为0.95～1.05；③ 对于欠稳定的边坡，取安全系数为0.90～0.95；④ 对于不稳定的边坡，取安全系数低于0.90。

表1 岩堆路堑边坡暴雨工况岩体基本力学参数

3 模拟结果分析

根据设计计算方案，对ZK29＋460段岩堆路堑边坡在天然状态、暴雨状态及地震状态下的稳定性进行了数值模拟计算。根据不同工况计算结果，分析岩堆体在天然状态、暴雨状态、地震状态下位移、安全系数等主要参量变化规律，为岩堆体路堑边坡公路开挖岩体稳定性评价、指导工程设计与施工、降低生产安全风险提供参考。

3.1 岩堆体变形破坏特征

计算过程中，根据设计监测点位置，对关键点进行了监测数据的计算机自动采集，位移监测结果如图2所示，图2中，工况21～工况26分别表示开挖步exc1到开挖步exc5，及抗滑桩开挖施工与拉锚加固工况。不同安全系数下各开挖步位移等值云图如图3所示。

由图2、图3可知，自然状态和暴雨状态下各工况岩堆体最危险位置监控点位移与速率具有如下变化特征：

（1）随着岩堆体各开挖工况的进行，监测点位移不断增大，自然状态下最大位移点均发生在工况15（即exc5）坡顶位置（节点号为560，坐标x＝139.6，z＝37.73），位移值为1.555mm，此时安全系数Fs＝1.519；抗滑桩施工及拉锚加固工况11完成后，安全系数Fs＝1.275；在随后的岩堆体开挖时，安全系数逐步增大；至工况14（即exc4）时，Fs＝1.566，达到最高值，此时最大位移为343节点的1.35mm，暴雨状态下的Fs＝1.508。自然状态和暴雨状态下工后安全系数分别为1.413和1.361，均在规范要求的1.25以上，说明当前设计方案能满足安全要求。

图2 各工况关键监控点位移监测结果

（2）开挖对岩堆体变形有较大影响，施工时应根据工程实际情况，实行分步开挖，每步开挖后应尽量做到及时支护、加固等处理，最大限度地降低工程对原有岩堆体的扰动。由各开挖步在不同安全系数下位移特征图可知，抗滑桩施工至exc2台阶完成的3个工况，极限滑动面均在开挖坡体以下；从第3台阶至第5台阶开挖工况，极限滑动面均在抗滑桩以上坡体中。由此可知，岩堆体自然状态和暴雨状态下，在无任何加固措施时，整体稳定性相对较低（通过计算分别为1.230和1.158），抗滑桩和锚索加固作用显著。

（3）从图2b可看出，工后7度地震烈度地震7s后，暴雨状态下坡体最大产生了10.954cm的永久位移；不同强度折减系数下的坡体最大位移变化也较明显，折减系数越大，最大位移增量越高，尤其是大于无地震作用下的安全系数后，位移变化更为显著。

图3 不同折减系数下各工况位移等值云图

3.2 锚索力分析

为进一步研究锚索加固效果，对各工况锚索轴力进行了分析，结果如图4所示。由ZK29＋460段岩堆路堑边坡各工况锚索平均轴力计算结果可知，工后自然状态和暴雨状态锚索分别提供了10 079.02kN和10 079.01kN的锚固力，极大地提高了岩堆坡体的稳定性。

各锚索沿深度方向自由端轴力分布均匀，锚固端离坡面越近，锚固力越大，反之则越小。锚索力主要集中在4～10号锚索上，即第1～第3步坡体开挖对岩堆体附近边坡变形影响较大，导致锚索拉力增大，其余锚索相对作用不明显，该变化特征与岩堆体分析结果一致。无预应力锚索自然与暴雨状态下各开挖步锚索力如图5所示，由图5可知，暴雨状态下加剧了坡体的变形，锚索力提升明显。

图4 自然状态下工后各锚索力沿深度方向分布

图5 无预应力锚索不同状态下各开挖步锚索力

4 结束语

在岩堆体上设置抗滑桩，对于稳定堆积体效果非常明显，但在挖桩时非常容易产生塌孔，要设置足够厚度的护壁，还要进行监测，并尽量避免雨季施工，施工前要设置相应的截、排水设施。

开挖对岩堆体变形有较大影响，施工时应根据工程实际情况实行分步开挖，每步开挖后应尽量做到及时支护、加固等处理，最大限度地降低工程对原有岩堆体的扰动。岩堆体自然状态和暴雨状态下，在无任何加固措施时，整体稳定性比较低，抗滑桩和锚索加固作用显著。地震对岩堆路堑边坡工程体稳定性有较大影响，工程设计中应根据当地地震历史情况考虑地震因素，工程施工过程中更应严格控制施工质量，确保工程在极端环境下的整体稳定性。

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