高速公路高挖方边坡失稳机理分析

韩立明 谢作勤

摘要：文章以河池至百色高速公路纳贡屯滑坡为例，通过对滑坡变形特征的调查分析，运用FLAC3D模拟软件进行计算，对比斜坡体开挖前后位移场变化特征，揭示高速公路边坡开挖后边坡失稳机理。研究结果表明：边坡开挖使斜坡体失去原有支撑，加之持续强降雨，坡体上部全风化粉砂岩层自重增加，强度降低，最终导致了高挖方边坡的失稳。

关键词：高速公路;挖方边坡;FLAC3D;变形机理

With the Nagongtun landslide of HechiBaise Expressway as the example，through the investigation and analysis of landslide deformation characteristics，and by using the FLAC3D simulation software for calculation，this article compares the displacement field change characteristics before and after slope excavation，and reveals the slope instability mechanism after excavation of expressway slope.The research results show that the slope body loses the original support during slope excavation，then the continuous heavy rainfall increases the selfweight of fully weathered siltstone layer at the upper part of the slope，reducing the strength，which eventually leads to the instability of high excavation slope.

Expressway;Excavation slope;FLAC3D;Deformation mechanism

0 引言

对于地形起伏的丘陵区高速公路，为满足路面技术指标，通常设计较多的高挖边坡。由于公路路线较长，无法像水电、矿山一样做细致勘察，因此无法完全掌握挖方边坡的工程地质条件。随着高速公路基础建设的加快，近年来挖方边坡失稳发生频率呈现增长的趋势[1]。边坡失稳将产生高额的治理费用，同时还威胁着人民生命财产安全[2]。针对这类问题，大量学者从多个方向进行分析研究，其中坡脚的开挖深度、降雨量的动态变化、地下水位的升降、挖方的坡率、地层岩性、动力荷载均对挖方边坡的稳定性造成影响[3-6]。目前对挖方边坡稳定性分析的方法有传统的极限平衡法、极限分析法以及逐步得到认可和推崇的数值模拟法[7-8]。

本文拟采用FLAC3D有限元模拟软件，对河池至百色高速公路纳贡屯边坡建立计算模型，对比边坡开挖前后的分析结果，探究纳贡屯滑坡的成因机理，对高速公路高挖方边坡的设计和治理提供科学参考依据。

1 研究区地质条件及滑坡基本特征

1.1 区域地质构造

研究区位于东兰县东北部隘洞镇纳贡屯，红水河向斜北东翼，区域岩层产状倾向南西，倾角15°～50°，场区岩层产状为260°∠15°。本区域发育有同乐断层，大致沿隘洞河床发育，距离高速公路约100 m，切割C、P、T等地层，北西盘地层向北东错动，南东盘地层向南西错动。据《中国地震动参数区划圖》（GB18306-2015）可知，工程区地震动峰值加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，相应的地震基本烈度为Ⅵ度，区域地壳稳定，因此本次研究不考虑地震作用的影响。

1.2 基本地质条件

研究区属构造剥蚀-侵蚀低山丘陵地貌区，原丘顶标高382.40 m，隘洞河从滑坡区北侧经过，距离滑坡区最近处约80 m，高差约40 m，河谷标高300～303 m。高速公路位于丘坡上，自然坡度25°～35°，山坡植被发育，坡顶现状为耕作用地。现状地形坡度15°～75°，人工边坡高度约30 m，路基设计标高约340 m。滑坡区上方零星分布有少量民居。研究区工程地质平面图如图1所示，工程地质剖面图如图2所示。

据钻探揭露，滑坡区主要由三叠系中统兰木组（T2l）粉砂岩组成，上部为全风化粉砂岩，滑动面位于该层底部;中部为强风化粉砂岩，节理裂隙发育，揭露厚度7.80～20.20 m;最下部为中风化粉砂岩，中厚层状构造，泥质胶结，产状260°∠15°。

滑坡区地势较高，北侧隘洞河河床及河面标高均较低，地下水不受隘洞河影响。地下水主要为基岩裂隙水类型，水量较为贫乏，主要补给来源于大气降雨和临近岩体裂隙水。

1.3 滑坡体基本特征

滑坡体位于河池至百色高速公路K49+540～K49+760路段左侧，属施工工程中开挖边坡失稳。边坡设计开挖高度最高约37 m，坡面采用拱形骨架护坡，其中强风化粉砂岩采用1∶1.00的坡率;全风化粉砂岩采用1∶1.25的坡率。

2016年6月，边坡在开挖完成后发现一些细小裂缝;经2016-07-04大雨后裂缝有所发展;2016-07-07边坡发生变形破坏，已施工的拱形骨架护坡立柱被拉断，坡顶水稻田沿田埂开裂;2016-07-08暴雨后，裂缝贯通呈圈椅状滑坡。滑坡体周界清晰，沿周界可见明显的裂缝及变形。滑坡前缘已鼓出约2.5 m，剪出口位于一级边坡全风化与强风化层界面处;滑坡后缘缝宽约0.5～1.5 m，地面下沉约0.5～0.8 m。滑坡体水平位移最大处约3.5 m，垂直位移最大处约2.0 m。

滑坡体前缘位于路堑边坡坡面，高程约345 m，后缘位于半山腰，高程为379 m，前后缘高差约34 m。左侧以K49+540为界，右侧以K49+760为界。前缘范围约220 m，主力轴长约90 m，面积约1.1×104 m2，滑坡体厚度3～15 m，体积约8×104 m3。滑坡体变形特征如图3所示。

2 边坡稳定性数值模拟

2.1 模型建立

运用FLAC3D有限元分析软件对纳贡屯边坡开挖前后进行数值模拟计算，建立计算模型，X轴为滑坡滑向、Y轴指向坡体内侧、Z轴垂直向上，模型上部自由边界、侧边界及底边采用单向约束[9]，模型如图4所示。

随着深度变化，边坡岩性风化程度随之改变。根据钻孔数据将边坡模型分为三层，分别为全风化粉砂岩、强风化粉砂岩以及中风化粉砂岩。计算采用弹塑性模型及摩尔库伦准则，岩土力学参数经实验取得，如表1所示。

2.2 模拟计算

边坡未开挖前，模型在自重应力下达到平衡，将初始位移、速度置零，然后输入表1中的物理力学参数，计算出边坡位移云图。根据图5可知，边坡仅在坡脚处有小部分水平向的位移，模型中未出现塑性破坏区，无明显应力集中现象，斜坡体呈稳定状态。

边坡开挖后，在降雨工况下，模拟边坡中位移及矢量增加变化（考虑降雨作用雨水下渗有限，仅局限于全风化粉砂岩层，因此最上层取饱和态物理力学参数）。计算结果如图6所示。

斜坡体在边坡开挖后，坡体内部呈现出较规律性的变形特征。由图6（a）可知，在X方向即水平向上，最大位移出现于全风化粉砂岩层，较下部强风化粉砂岩层，其位移量达3～4倍，同时对比滑坡体前缘与后缘水平向的位移可知，坡体前缘的位移量也要远高于后缘。斜坡体失稳破坏的具体特征表现为滑坡体前缘呈“凸”起状鼓胀，部分已施工完成的骨架错位或被折断。

由图6（b）可知，在Z方向即竖直向，全风化粉砂岩层产生了明显的位移量，在滑坡体的后缘附近位移量达到了最大，滑动面上部的位移量较未滑动位置位移量高10倍左右，滑坡体前缘竖向位移量也远高于后缘。斜坡体失稳的具体特征表现为滑坡体后缘出现台阶状错动，地面下沉约0.5～0.8 m。

根据模型中各网格之间位移变化及与邻近网格之间的联系，绘制出边坡开挖后斜坡体变形矢量图，如图7所示。

图7中箭头方向表示节点变化方向，长短表示节点变形的大小。由斜坡体矢量变形特征可知，挖方边坡在全风化粉砂岩层的变形特征较强风化粉砂岩层有明显的突变，能够从图中直观地反映出滑动面的大致位置。滑坡体前缘以水平向的变形为主，方向朝向临空面;滑坡体后缘为竖直向变形特征，滑体中的大部分节点的变形方向与滑体滑向一致。

2.3 结果分析

纳贡屯滑坡是多种因素共同作用下产生的。斜坡体未开挖前处于天然平衡状态，按设计标高进行开挖后，斜坡体失去了原有支撑，临空面为山体向外变形破坏提供了空间;同时由于山体的开挖，山体内部原有应力状态发生了改变，平衡状态遭到破坏，在斜坡坡脚和全风化与强风化接触面附近产生了塑性区，坡脚卸荷，边坡岩体应力释放和大变形;加之持续强降雨，斜坡体上部全风化层处于饱水状态，容重增加，风化层接触面在水浸润作用下，抗剪强度减小，岩土体沿全～强风化接触面呈折线型下滑，在自重作用下，坡体前緣滑动后，牵引坡体后缘岩土体，产生牵引下滑，向前推动已失稳的下滑坡体不断向两侧发展，最终造成了纳贡屯滑坡的发生。

3 结语

（1）高速公路高边坡的开挖改变了斜坡体原有的平衡状态，原有支撑被开挖，形成较好的临空面，为斜坡体的变形破坏提供了空间，边坡岩体应力释放。

（2）持续强降雨下，斜坡体上部全风化岩层自重急剧加强和自稳能力下降，岩土体沿全～强风化接触面呈折线型下滑。

（3）在自重作用下，坡体前缘滑动后，牵引坡体后缘岩土体，产生牵引下滑，向前推动已失稳的下滑坡体不断向两侧发展，影响场地安全。

参考文献：

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