某公路高边坡不同开挖方式稳定性分析

摘要：文章结合某公路边坡实例，通过现场大剪试验获取岩土体力学参数，使用数值模拟方法分析不同开挖方式以及爆破开挖扰动情况下的边坡稳定性情况。结果表明：边坡安全系数随着坡比的减小而增大，随着开挖级数的增多而增大，随着台阶宽度的增大而增大;爆破开挖会造成边坡安全系数在瞬间低于规范要求，但边坡整体稳定性仍较好;在边坡开挖过程中应尽量降低边坡开挖坡度、提高台阶高度并严格控制炸药用量。

关键词：高边坡;开挖方式;爆破;数值模拟

中图分类号：U416.1+4 文献标识码：A

DOI： 10.1 3282/j. cnki. wccst. 201 9. 12. 012

文章编号：1673 - 4874（2019）12 - 0041 - 03

0 引言

随着国家公路建设的快速发展，高陡地形区域修建公路越来越常见。在这些区域进行公路建设时，往往需要对天然斜坡进行开挖，形成人工高边坡。人类工程活动对天然边坡的扰动必然会造成边坡稳定性发生变化，因此，针对这方面的研究是非常必要的。穆成林等[1]考虑岩体结构特征对边坡稳定性的影响，采用未确知测度方法对开挖边坡稳定性进行评价。刘爽等[2]以损伤理论为基础，在分析边坡开挖卸荷的过程中充分考虑了岩体材料的非均匀性。习朝辉等嘲使用物理模型试验，分析顺层边坡开挖变形过程，采用数学拟合方法获取边坡开挖破坏范围与岩体倾角等因素的关系。目前，在高边坡的研究中较为常用的方法包括：数值模拟[4-5]、物理模拟[6-7]、理论分析[8-9]等。本文在前人研究的基础上，对某公路边坡开挖稳定性进行分析。

1 边坡工程地质条件

该边坡位于我国西南山区，岩性主要为白云质灰岩，地质构造活动较为强烈。根据现场调查，边坡内岩体层面产状为25～35°∠30～40°，存在两组主要的结构面，产状为160～175°∠60～70°、270 --295°∠65～75°。区域内白云质灰岩层厚为2.0～3.0m，局部夹有强度较低的泥质夹层，厚度为2～3 cm，是控制边坡稳定性的主要结构面。此次开挖边坡坡高为25 m。

2 现场大剪试验岩体强度参数的确定

通过现场大剪试验获取岩土体强度参数为边坡稳定性计算提供参数依据。现场大剪试验结构破坏面多呈起伏状。根据剪切试验结果，剪切破坏面多发生于泥质夹层中，该层强度较低，由大剪结果可知泥质夹层的粘聚力C值为19.2 kPa，内摩擦角φ值为13.6°，而白云质灰岩的粘聚力C值为92.6 kPa，内摩擦角∞值为32.3。。

3 开挖边坡稳定性分析

3.1 不同开挖方案边坡稳定性分析

3.1.1 开挖坡比对边坡稳定性的影响

坡比是边坡开挖过程中的一个重要参数，对开挖边坡的稳定性具有重要的影响。为了研究开挖坡比的影响，采用一坡到底的开挖方式，建立4组数值模拟模型，坡比分别为1：0.5、1：1.0、1：1.5、1：2.O。各方案边坡数值模拟计算结果见图1。从图1可知，随着坡比的减小，坡体内部剪应力分布也逐渐变化，有效降低了坡脚部位的剪应力集中，这对于控制开挖边坡的稳定性是十分重要的。坡比与安全系数统计结果见表1。从表1可知，随着坡比的减小，开挖边坡的安全系数逐渐降低。

3.1.2 开挖级数对边坡稳定性的影响

为了研究不同开挖级数对高边坡稳定性的影响，建立两组数值模拟模型，开挖坡比均为1：1.5，其中一组采用一坡到底的开挖方式（一级开挖）;另一组采用两级开挖的方式，中间台阶宽度为3.Om。两组试验方案数值模拟结果见图2。从图2可知，两组开挖方式下，边坡发生塑性变形的位置集中于坡顶与二级边坡的台阶处，当采用一坡到底的开挖方式时，整个斜坡均处于较大的变形区域内，而设置台阶后，塑性变形區域面积与一坡到底相比减小了约18. 96 m2。由此可见，采用两级开挖中间设置台阶的方式，有利于开挖坡体内部应力的优化调整，有利于开挖边坡的整体稳定。

同时，边坡岩体结构面较为发育表面存在较大的细小岩体颗粒，采用两级开挖中间设置平台的方式，可以作为缓冲平台降低岩体碎块的冲击力，有效保障下方公路的安全，工程效益较为显著。

3.1.3 不同台阶宽度对边坡稳定性的影响

根据工程经验，在边坡开挖过程中台阶宽度一般在2～5 m之间。根据本工程的边坡特点，设置4组数值模拟模型，台阶宽度分别为2.Om、3.5 m、5.Om和7.0 m，坡比依然为1：1. 50。不同台阶宽度所需要的开挖工程量和安全系数计算结果见表2。从表2可知，随着台阶宽度的增大，边坡安全系数越高，最大位移越小，但同时边坡的开挖方量也越大，将会导致工程总投资明显提升。台阶宽度与最大位移和安全系数关系曲线见图3，当台阶宽度<5.Om时，随着台阶宽度的增加，安全系数增大速率和最大位移减小速率较大;当宽度>5.0 m时，安全系数增大速率和最大位移减小速率均有所降低。

3.2 爆破开挖作用下边坡响应研究

岩质边坡强度较高，仅仅依靠人力或者机械难以直接对其进行开挖，因此，需要借助炸药破碎岩体，从而降低岩质边坡的开挖难度。

3.2.1 爆破荷载分析

使用加速度表示开挖施工过程中的炸药爆破荷载，设加速度时间为1.6s，最大加速度为9.67 m/s，计算模拟第1级边坡开挖施工。在数值模拟过程中，爆破荷载加载时间为2 ms，衰弱时间为4 ms，荷载作用曲线见图4。

3.2.2 爆破荷载作用下开挖边坡安全系数

设计开挖断面采用两级开挖，台阶宽度为3.Om，爆破位置位于第一级边坡处，数值模拟计算得到的安全系数与时间关系曲线见图5。从图5可知，在全过程中，边坡的平均安全系数Fs取值为1.254，大于规范规定的1. 20的要求，但安全系数在随时间的变化过程中变化幅度较大，其中最大安全系数为2. 85，最小安全系数仅为0. 53，这表明在爆破开挖过程中，斜坡并非一直处于安全系数较高的状态。

边坡安全系数随着开挖扰动处于一个动态变化的过程中，在一段时间内安全系数>1. 20，这时边坡处于稳定性较好的状态;另一部分时间边坡安全系数<1. 20，此时边坡稳定性状态较差，极有可能发生破坏，从而对施工人员的安全以及工程进度造成影响。安全系数在瞬时小于规范要求时，边坡一般情况下并不会发生大规模的破坏，通常仅出现小规模的破坏。

通过分析爆破开挖扰动形成的塑性区范围可知，爆破扰动范围较小，均位于爆破发生的一级边坡内，并不影响边坡的整体稳定性。因此，在爆破开挖过程中严格控制炸药用量是十分重要的。

4 结语

（1）影响边坡开挖稳定性的因素众多。本文结合某公路边坡实例，建立不同开挖数值模拟模型，边坡安全系数随着坡比的减小、台阶宽度的增大和开挖级数的增多而增大。

（2）爆破开挖会造成边坡整体安全系数在瞬间低于规范要求，但边坡整体稳定性较好，爆破影响范围较小。

（3）针对岩质边坡开挖时，应尽量选择小坡比、大台阶宽度以及多级数的开挖方式，同时应严格控制爆破开挖时的炸药用量。

参考文献

[1]穆成林，裴向军，裴钻，等.基于岩体结构特征和未确知测度评价模型的岩质开挖边坡稳定性研究[J].水文地质工程地质，2019，46（4）：150 - 158.

[2]刘爽，束加庆，周晨露，等.基于损伤理论的岩体边坡开挖卸荷松弛数值模拟研究[J].武汉大学学报（工学版），2018，5I（SI）：273- 278.

[3]习朝辉，裴向军，穆成林，等.顺层岩质边坡开挖变形特征模型试验研究[J].铁道建筑，2018，58（12）：100 -103.

[4]唐雪峰.三明市水舞半山郡开挖边坡现场直剪试验和边坡治理效果模拟分析[D].北京：中国地质大学，2018.

[5]王海涛，张小浩，宋词，等.预应力锚杆加固高陡边坡的数值模拟[J].大连交通大学学报，201 7，38（6）：98 -102.

[6]陈正东.含软弱夹层顺层岩质边坡破坏机制及支护优化研究[D].重庆：重庆交通大学，201 7.

[7]袁广.开挖黄土边坡失稳机理与预警判据研究[D].成都：成都理工大学，201 7.

[8]殷博.缓倾顺向软弱夹层岩体边坡稳定性研究[D].贵阳：贵州大学，2019.

[9]李国锋，李宁，刘乃飞，等.多年冻土区露天矿边坡开挖的关键参数研究[J].水利水电技术，2018，49（9）：8-17.

作者简介：马家明（1967-），工程师，从事公路与桥梁工程建設工作。