炭质页岩边坡合理开挖施工工艺研究

陈向阳， 伍林林， 吕 哲

(长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410114)

随着我国西部大开发，高速公路在西部地区迅速发展，在建设过程中出现的炭质页岩路堑边坡引起学者的广泛关注。炭质页岩主要分布在我国广西、云南等西南部地区，是一种软岩，具有强度低，易风化、易崩解等特点，由于岩体成分中含有大量的分散碳化有机物，遂成灰黑色。炭质页岩是一种沉积岩，环境差异使其物质组成与岩体结构错综复杂，具有“成分不均、分布不均、性质不均”等特点。如何保持边坡在施工开挖过程中处于稳定状态是一直是工程难点之一。炭质页岩边坡受开挖扰动，边坡中的应力分布发生改变，其变形也进一步增大，极有可能在开挖过程中产生破坏，对施工安全构成重大威胁。为保证施工安全，找到一种最安全合理的开挖方式，使边坡在开挖完成后稳定性最好，魏丽梅等[1]以某公路炭质页岩边坡为依托，结合室内试验及FLAC数值模拟计算，得到了炭质页岩路堑边坡开挖前后变形及稳定性。本文在前人[2-7]研究基础上，利用FLAC3D软件对某边坡以不同开挖坡和不同开挖分级深度工况下稳定性情况进行数值模拟，得到不同开挖方式下边坡稳定性的变化，为实际工程提供参考。

1 数值模拟建立及参数选取

选取柳南高速公路改扩建工程K21+450断面处边坡为研究对象。该段炭质页岩路堑边坡高度为50 m，根据工程地质资料，坡顶以下0～30 m为强风化炭质页岩，30 m以下为中风化炭质页岩，边坡典型断面如图1所示。

图1 初始边坡简化断面图

运用ANSYS软件对该进行数值建模，然后导入FLAC3D中，模型尺寸宽130 m，左侧高20 m，右侧高70 m。模型共2 942个单元，6 026个节点，计算模型如图2所示。数值分析参数根据室内土工

图2 FLAC3D建立原始边坡数值模型图

试验，再通过对实验数据整理、分析，确定边坡岩土的各项物理力学参数(见表1)。

表1 边坡岩土体物理力学参数岩土名称密度/(g·cm-3)粘聚力/kPa内摩擦角/(°)强风化炭质页岩2.34934.525.335中风化炭质页岩2.50163.036.220弹性模量/MPa剪切模量/MPa体积模量/MPa泊松比160.3265.3897.520.226280.38119.62142.470.172

图3为初始边坡剪应变增量等值图，图4 为初始边坡塑性区图。从图3、图4可知，初始边坡的安全系数为1.39，说明此边坡开挖之前是安全的，边坡的潜在滑动面发生在塑性区内，且都在上部岩层中。

图3 初始边坡剪应变增量等值图

图4 初始边坡塑性区图

2 计算结果分析

在边坡开挖过程中，边坡开挖坡比是一个重要因素，本研究选取1∶1、1∶0.75、1∶0.5 这3种坡率对边坡进行开挖，并分别采用每级8、10、15 m这3种边坡分级高度，计算边坡在不同开挖坡率、不同边坡分级高度下的稳定性。因篇幅有限，本文只以开挖过程的安全系数和开挖后的剪应变增量图来对比分析，通过剪应变增量图可以直观地判断易失稳位置和不同开挖深度下的变化。

2.1 按坡比为1∶1开挖

将开挖坡比固定为1∶1，对50 m边坡按以下3种分级高度进行开挖： ①按8 m高度分6级，前5级8 m、第6级10 m；②按10 m高度分5级，每级均为10 m；③按15 m高度分3级，前2级15 m、第3级20 m。台阶宽度均为2 m。

坡比为1∶1，不同分级高度下边坡开挖后的剪应变增量如图5所示。从图5可以看出边坡在30 m深度位置剪应变最大，该处为2种炭质页岩层间位置，说明该位置较其他位置更易失稳。图5b剪应变增量较图5a变化不大，而图5c中边坡的剪应变增大较多，即剪应变增量在分级开挖深度为15 m的情况下最大。边坡在不同分级高度下，开挖过程的安全系数如表2。

a) 分级高度8 m

b) 分级高度10 m

c) 分级高度15 m

表2 按坡比1∶1开挖时不同分级高度在开挖过程中安全系数表开挖过程安全系数Fs分级高度8 m分级高度10 m分级高度15 m初始1.391.391.39第1级1.371.351.29第2级1.331.301.18第3级1.271.271.09第4级1.241.26—第5级1.211.24—第6级1.20——

从表2可知，无论分级高度多少，边坡安全系数都随着开挖深度增加而逐渐变小。分级开挖8 m时，安全系数由初始的1.39降低为1.20；分级开挖10 m时，安全系数由初始的1.39降低为1.24；分级开挖15 m时，安全系数由初始的1.39降低为1.09。由此可见分级开挖深度15 m时，安全系数降低最多，处于基本稳定状态。分级开挖10 m的时安全系数接近于规范值，只需对边坡简单防护。

2.2 按坡比为1∶0.75开挖

将开挖坡比固定为1∶0.75，对50 m边坡按前述3种分级高度进行开挖。

坡比为1∶0.75，不同分级高度下边坡开挖后的剪应变增量如图6所示。从图6仍然可以看出边坡在30 m深度位置剪应变最大，该处为2种炭质页岩层间位置，说明该位置较其他位置更易失稳。剪应变增量情况与坡比为1∶1时类似。边坡在不同分级高度下，开挖过程安全系数如表3。

从表3可知，边坡安全系数随着开挖深度增加而逐渐变小。同样也是在开挖分级高度为10 m时，开挖后的安全系数最接近规范值，为1.14。但是与坡比1∶1时相比，在开挖过程中边坡安全系数降低很快。开挖后边坡处于基本稳定状态，需要对边坡进行加固支护。

a) 分级高度8 m

b) 分级高度10 m

c) 分级高度15 m

表3 按坡比1∶0.75开挖时不同分级高度在开挖过程的安全系数开挖过程安全系数Fs分级高度8 m分级高度10 m分级高度15 m初始1.391.391.39第1级1.361.341.26第2级1.321.261.13第3级1.261.211.01第4级1.221.17—第5级1.151.14—第6级1.13——

2.3 按坡比为1∶0.5开挖

将开挖坡比固定为1∶0.5，对50 m边坡按前述3种分级高度进行开挖。

坡比为1∶0.5，不同分级高度下边坡开挖后的剪应变增量如图7所示。从图7中仍然可以看出边坡在30 m深度位置剪应变最大，该处为2种炭质页岩层间位置，说明该位置较其他位置更易失稳。剪应变增量情况类似以上两种情况，但在同级开挖深度下，剪应变增量变大了。边坡在不同分级高度下，开挖过程安全系数如表4。

a)分级高度8 m

b) 分级高度10 m

c) 分级高度15 m

从表4可知，边坡安全系数随开挖深度增大而逐渐变小。同样，在开挖分级高度为10 m情况下，开挖后安全系数最大,为0.99。相比于坡比1∶1和坡比1∶0.75时，安全系数降低最为明显，且开挖后处于不稳定状态，在施工过程中必须边开挖边加固支护。

表4 按坡比1∶0.5开挖时不同分级高度在开挖过程的安全系数开挖过程安全系数Fs分级高度8 m分级高度10 m分级高度15 m初始1.391.391.39第1级1.321.281.19第2级1.231.211.03第3级1.151.160.88第4级1.061.08—第5级0.980.99—第6级0.94——

3 结论

1)不管采用哪种开挖方式，随着边坡开挖施工，边坡安全系数越来越小,边坡稳定性降低。所以在施工中，要选用合理的开挖方式，降低对边坡的扰动。

2)边坡开挖分级高度为10 m时，边坡安全系数最大。若分级开挖深度过小，施工工序多且时间长，不利于边坡稳定；若分级开挖深度过大，则单次作业对边坡扰动大，同时对边坡的稳定性产生较大影响。