某岩溶泥槽边坡稳定性评价及处治方案研究

朱贤钢

(中铁交通投资集团有限公司 南宁 530200)

1 工程地质概况

贵州地区多碳酸盐岩，岩溶地貌十分发育，因此，施工过程对岩溶地质灾害的处治十分具有代表性和实用性。贵阳某市政工程路基边坡开挖后，边坡中部一段发育较深溶槽，长约80 m，内部充填黏土夹碎石。为保证路基边坡坡面整体一致，该段岩溶泥槽边坡由上到下按1∶0.75→1∶0.5→1∶0.5坡率由上到下分3级开挖，坡高约27.75 m。

泥槽周围岩体受构造影响产状局部变化较大，岩体破碎，稳定性较差，易发生滑塌[1]。该边坡覆盖层主要为素填土，局部有红黏土，下伏基岩为三叠系下统安顺组(T1a)泥质白云岩，局部含灰岩，薄至中厚层状结构，层间含黄色、紫红色泥质条带，主要产状为230°∠15°。覆盖层1.1～5.0 m，强风化层厚0.9～4.1 m，岩体节理裂隙发育，岩体破碎，节理面泥质充填发育；中风化层岩体较破碎～较完整。按GB 50330-2013 《建筑边坡工程技术规范》[2]要求，该边坡为永久性支护，安全等级为一级，地区地震基本烈度为VI度，无需考虑地震工况。

2 边坡开挖稳定性模拟分析

假定边坡岩体应力、应变之间的本构关系为弹塑性，岩土体的破坏服从摩尔-库仑准则。即岩(土)体中任意一点在某一平面上的剪应力达到岩(土)体的抗剪强度即发生剪切塑性破坏。采用有限元软件GeoStudio中的岩土应力-应变分析模块(SIGMA/W)模拟该边坡开挖后稳定性和支护方案的效果[3-4]，从而为开挖和支护设计提供参考。该边坡模型共划分了3个面域，包括2 224个节点和2 164个单元。边坡模型下边界固定，不允许模型水平竖向移动；左右边界水平向固定，允许模型竖向移动；坡面为自由边界，允许模型水平竖向移动。岩土物理力学参数见表1。

表1 岩土物理力学参数表

注：黏土夹碎石一栏括号内的值为饱和状态下的物理力学参数。

开挖后边坡位移图见图1，开挖后边坡最小主应力-塑性屈服区图见图2。由图1、图2可见，开挖后边坡坡脚第一级坡位移最大，最大值达到14.8 cm，整体位移较大；最小主应力基本为正值，说明整体呈受压状态，泥槽后缘黏土夹碎石层出现负值，最大值为-52.5 kPa，即出现受拉破坏；泥槽与强风化岩层分界处应力曲线分布密集，出现应力明显集中现象，塑性屈服破坏沿此界限由上向下开展，塑性屈服区(图3中阴影部分，下同)厚度达5～15 m，坡脚也出现局部塑性屈服现象，即出现受剪破坏。该段泥槽边坡整体呈圆弧破坏趋势[5]，潜在滑面为泥槽与强风化岩层分界面，剪出口位于第一级坡脚。按简化Bishop圆弧滑动法计算，边坡开挖后坡饱和工况下稳定系数为1.002，天然工况下稳定系数为1.126，故该边坡开挖后基本稳定，但不满足规范大于1.35的要求。

图1 开挖后边坡位移图(位移单位：m)

图2 开挖后边坡最小主应力-塑性屈服区图(应力单位：kPa)

3 支护方案模拟结果分析

根据GB 50330-2013 《建筑边坡工程技术规范》要求，取安全系数1.35，计算饱和工况及天然工况下剩余下滑力最大值Fmax=379.6 kN/m。考虑到剩余下滑力不大及保证坡面整体一致，在第一、二级坡设计采用6排格构锚索[6]主动加固，抵抗全部剩余下滑力。锚固段长8 m，自由段应至中风化岩层以下1.5 m以上，设计张拉力500 kN。为防止坡顶出现浅层碎落及局部滑移失稳，在第三级坡设置格构锚杆防护坡面，锚杆长9 m，锚至岩层。由于泥槽中黏土夹碎石较为破碎，锚索格构梁空隙较大，松散岩土体可能从格构梁中外落，故开挖后先采用挂网喷射混凝土封闭坡面，再采用格构锚索、锚杆加固。在建立模型中，锚杆采用梁单元来模拟，锚索自由段采用杆单元，锚固段采用梁单元来模拟。

表2 锚索(杆)物理力学参数表

对此加固方案进行分析，支护后边坡开挖位移图见图3，支护后边坡最小主应力-塑性屈服区图见图4。

图3 支护后边坡开挖位移图(位移单位：m)

图4 支护后边坡最小主应力-塑性屈服区图(应力单位：kPa)

由图3、图4可见，边坡位移明显减小，坡脚位移最大值减小为6.2 cm，边坡中部基本小于4 cm，变形得到有效控制；边坡泥槽后缘拉应力区基本消失，边坡整体呈受压状态，受力条件得到显著改善；泥槽与强风化岩层分界处的塑性屈服区基本消失，坡脚处的则明显缩小，边坡整体处在弹性状态下。计算支护后边坡的安全系数为1.713，满足规范安全储备要求。

4 支护完成后边坡监测成果分析

先采用挂网喷射混凝土封闭坡面，再采用格构锚索、锚杆加固，约20 d完成施工，支护完成后边坡现场照片见图5。为验证防护效果，从边坡开始防护到结束较长时间进行了动态监测。监测网络共布设监测点6个，每个监测点每天进行3次监测。选取坡脚第一级、中部第二级、坡顶第三级坡各1处具有代表性监测点的水平位移进行统计分析，支护完成后边坡水平位移监测图见图6。从图6整体来看，边坡变形稳定后，边坡下部第一级坡位移最大，最大值约44 mm，中部第二级坡位移约为16 mm，坡顶第三级坡位移约为19 mm。边坡变形总体与分析结果趋势较为一致，位移总量相近。从第22 d施工完成后来看，第一级坡位移增大约9 mm，第二级坡位移增约4 mm，第三级坡位移增约5 mm。监测结果满足规范的要求，表明该处治方案作用效果良好。采用生态袋植草绿化1年后，植被生长旺盛，绿化景观较好。

图5 支护完成后边坡现场照片

图6 支护完成后边坡水平位移监测图

5 结论

1) 模拟显示开挖后边坡下部第一级坡位移最大，最大值达到14.8 cm；泥槽与强风化岩层分界处应力集中，出现塑性破坏；边坡整体呈受压状态，泥槽后缘黏土夹碎石层出现受拉破坏。泥槽岩体为结构松散，整体呈圆弧破坏趋势，边坡稳定系数最小值为1.126，基本稳定，但安全储备不足。

2) 采用格构锚索处治加固后，模拟显示边坡变形得到了有效控制，边坡泥槽后缘拉应力区基本消失，边坡整体呈受压状态，受力条件得到显著改善，边坡安全系数提高到1.713，满足安全储备要求。

3) 根据支护后边坡监测成果，边坡变形总体与分析结果趋势较为一致，位移总量相近。施工完成后边坡位移增量满足规范要求，表明该支护方案作用效果良好。