不同开挖坡率下鄂西某公路岩质高陡边坡稳定性研究

张骞棋，陈渤，郑斌，张文居

(四川藏区高速公路有限责任公司，成都 610041)

我国西南山区新构造运动活动强烈，大面积隆起成山，局部断陷，河流发育，地表深切，山体多陡峻，境内公路多以半填半挖、深挖路堑的方式通过，从而形成了大量的岩质高陡边坡。随着社会经济发展，部分低等级公路亟待改扩建，以提高交通运输功能。高陡边坡开挖稳定性对工程工期、安全具有较大影响，众多学者对此进行了研究。闫强认为研究开挖过程中的边坡变形规律及其稳定性,寻求合理的开挖支护方法及边坡加固措施,对于确保改扩建边坡工程的安全稳定有着重要意义[1]；赵欣桐认为边坡的稳定性对开挖坡比较敏感[2]；文军强认为高速公路改扩建工程中既有高边坡二次开挖受开挖方式影响,其稳定性及变形控制是极为特殊、复杂的岩土工程问题[3]；冯云鹤在分析二次开挖特殊性的基础上,提出了适用于既有高边坡二次开挖施工的原则与工艺[4]。针对层状岩质边坡开挖稳定性，国内外学者也进行了大量研究[8-9]。但是，我国西部地区地质条件复杂，生态环境脆弱，公路工程建设对生态环境以及土地资源产生的影响十分严重，公路改扩建除了要考虑边坡稳定性以外，更需要考虑环境保护与节约耕地的问题。姚裕春研究认为我国西部山地环境灾害是地球内外动力耦合作用的产物,边坡开挖对山地环境影响表现为影响了山地动力系统及山地动力系统作用的环境,从而加速山区环境演变和引发山地边坡灾害[5]；曹兴松利用楔体理论分析了开挖边坡坡体内的应力与变形规律,提出了由此确定开挖影响范围和潜在滑面的方法,并且作了具体工程实例的分析[6]。因此，研究如何通过控制边坡开挖坡率降低工程对环境的影响以及节约耕地具有重要意义。

本文以鄂西某改扩建公路的一段高陡边坡为例，在查明基本地质条件基础上，通过数值模拟，按照不同坡比进行开挖，对边坡稳定性进行分析，旨在保证边坡开挖后稳定的前提下，就其开挖坡率选择提出了建议意见，供类似工程参考。

1 工程概况

1.1 地形地貌

利用轻小型无人机摄影+Smart3D建模技术获得研究区的三维模型，如图1。

图1 研究区三维模型图

选取改扩建公路开挖范围内高度最大的K2+200～400段边坡为研究对象，坡高70～95 m，坡面倾向为75°，边坡陡峻，倾角78°～83°。区内未见地下水发育，无构造活动迹象。

1.2 工程地质条件

研究区边坡岩性以中-厚层灰岩为主，上部为二叠系下统栖霞组(P1q)灰黑色厚层状灰岩，底部发育一组薄层炭质灰岩夹层，下部为石炭系黄龙组(C2h)灰白色中厚层至块状灰岩。层厚0.3～0.6m，层面产状330°∠10°，层状反向结构，岩体质量类别以Ⅲ、Ⅳ类为主；发育两组Ⅳ级结构面，分别是：①15°∠78°、②145°∠81°(图2)。受薄层含炭质灰岩夹层与两组共轭节理切割，局部块体易发生楔形体破坏，无贯通性结构面。区内无地下水出露，不发育断层、褶皱等构造。

图2 工程区岩体结构赤平投影图

2 计算工况及参数取值

根据设计文件，该段边坡拟按照每10 m一级的方式分级开挖，并设置2 m宽平台。根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)，边坡坡高8 m≤H<15 m时，坡率允许值为1∶0.5～1∶1.00[7].按该坡率开挖时，切坡范围较大，将侵占坡顶耕地，增加工程造价。因此，本文拟突破规范，采用较大坡率进行模拟开挖，分析开挖后边坡稳定性。

选取坡高最大的K2+240剖面作为计算剖面，采用FLAC3D软件建立反映边坡结构的地质模型(图3)。按照1∶0.2(1#方案)与1∶0.3(2#方案)两种不同坡率进行开挖，并监测开挖后的应力及位移。

图3 典型工程地质剖面图

2.1 地质模型建立及参数选取

为了使计算能够反映边坡岩体性质在高程上分布的差异性，又能使计算较快进行，根据岩体质量分类对地质模型进行了概化处理，见表1。通过室内试验及工程地质类比法得到本次数值计算的岩体物理力学参数取值，见表2。

表1 边坡工程地质岩组划分

表2 数值模拟计算岩体物理力学参数

3 模拟计算

3.1 边坡开挖后应力场特征

按1#方案模拟开挖，计算得到的边坡应力场如图4～7所示。

图4 1#方案下最大主应力云图

图5 1#方案下最小主应力云图

图6 1#方案下水平应力云图

图7 1#方案下竖向应力云图

按2#方案模拟开挖后计算得到的边坡应力场如图8～11所示。

图8 2#方案下最大主应力

图9 2#方案下最小主应力

图10 2#方案下水平应力

图11 2#方案下竖向应力

3.2 边坡开挖后应变场特征

按1#方案模拟开挖后计算，得到的边坡应力场如图12～13所示。

图12 1#方案下水平位移云图

图13 1#方案下竖向位移云图

按2#方案模拟开挖后计算，得到的边坡应力场如图14～15所示。

图14 2#方案下水平位移云图

图15 2#方案下竖向位移云图

3.3 计算结果分析

根据计算结果，对两种开挖方案模拟计算得到的应力最大值与位移最大值进行对比分析，见图16～17。

由应力及位移云图可知，两种不同的方案开挖后，边坡出现最大变形及应力集中的部位基本一致；由图16可知，边坡按2#方案开挖后产生的应力较1#方案有所降低，但降低幅度不是很大；由图17可知，边坡按2#方案开挖后产生的最大竖向位移较1#方案有所增加，且增幅较大，最大水平位移基本无变化。

图16 不同开挖方案下应力值

图17 不同开挖方案下产生位移值

4 结语

通过对研究区边坡进行了详细的地质勘查，采用FLAC3D数值模拟计算了边坡不同坡率开挖后的应力应变场特征，得出以下结论：

(1) 研究区边坡岩性以以中-厚层灰岩为主，中部发育一组薄层炭质灰岩夹层。坡面陡立，岩层产状反向倾内，无贯通性构造结构面，有利于边坡在自然状况下保持整体稳定。

(2) 数值模拟计算可知，分台阶开挖后，在边坡坡脚及边坡下部第一、二级开挖平台内侧发生应力集中现象；两种开挖方案比较，采用较小坡率开挖时，虽然应力有所降低，但幅度不大，反而产生较大位移，对边坡稳定性产生较大影响。

(3) 对于岩体质量较好的岩质高陡边坡，在保证质量安全的前提下，可充分利用其自重带来的高自稳性，采用较大坡率分台阶开挖，减少切坡范围；重点做好坡脚及下部开挖台阶的防护及支挡设计，避免全坡面防护，可在保护环境的同时节约耕地，降低工程造价。