挡墙施工次序对边坡稳定性影响分析

■顾中华

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

福建素有“八山一水一分田”之称。 在福建省南平、三明、龙岩等地区广泛发育砂岩、粉砂岩、泥岩等沉积岩。 砂岩、粉砂岩、泥岩属易滑岩组，在上述地区山区高速公路建设过程中， 边坡灾害问题突出[1-3]，造成大量的经济损失。 在边（滑）坡治理过程中，常采用上部锚固工程结合下部挡墙支挡工程来稳固边坡。在挡墙施工过程中，经常出现未严格控制挡墙的开挖和砌筑次序，采用“大拉槽”的施工方式削弱坡脚支撑，导致边坡失稳的情况。 因此，本文以福建某高速互通边坡治理为工程实例， 分析边坡变形原因，建立三维有限元计算模型，对挡墙的开挖次序和支护时步的不同工况进行数值模拟， 数值计算结果可以为边（滑）坡挡墙的施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

1.1 工程简介

该高速互通边坡长约130 m， 最大高度约30 m，原边坡开挖坡率1∶0.75～1∶1.25，阶高8 m，坡面采用护面墙和植草防护。2015 年1 月边坡开挖至路基标高时发生坡体开裂变形，处治方式为先坡脚反压抑制变形发展，后采用预应力锚索框架结合挡墙加固。 2015 年5、6 月份，上部锚固工程预张拉完成，坡体较为稳定。 为实施一阶挡墙，“大拉槽”卸除反压土后，在连续降雨的条件下，边坡开始缓慢变形，并在2015 年6 月26 日急剧变形滑动，向道路横向方向产生滑移，在第一阶高约3～5 m 处见剪出口（其裂隙产状与坡体岩层产状基本一致），坡体后缘下错约3～6 m，坡体变形开裂或拱出；坡体二、三阶已实施的锚索框架下错、局部框架梁断裂，预应力锚索被切断，诱发滑坡产生。 滑坡变形及病害情况如图1 所示。

图1 边坡远景

1.2 地形地貌

本滑坡场区位属闽西北，属剥蚀丘陵、残丘及冲洪积沟谷地貌，沟谷地势相对较平坦。 滑坡区域由北向南，坡度由陡变缓，为上陡下缓地形，呈多阶台地状，自然山坡坡度约15°～35°。

1.3 工程及水文地质条件

根据工程地质勘察报告[4]，场区坡残积层覆盖厚度约7.0～11.5 m， 下伏基岩为中薄层状奥陶系浅变质砂岩，其风化层较厚，约7.0～24.5 m，层理面产状为220°∠25°，倾向路基方向，对边坡稳定不利。坡脚部位岩体极破碎，可见多处不利结构面，其中较为重要的有3 组，其特征分别为：（1）90°∠70°，约8～10 条/m，裂面呈褐灰色，平直光滑，无填充；（2）走向200°近直立，约8～10 条/m，裂面呈褐灰色，平直光滑，无填充；（3）走向245°近直立，约5～8 条/m，裂面呈褐灰色，平直光滑，无填充。 综合分析这3 组裂隙面组合，易形成不稳定契形体，对开挖边坡稳定较为不利。

本场区位于丘陵山地，场区内地表水系不发育，主要为降雨沿两侧山体汇入沟谷。 地下水主要为基岩风化孔隙裂隙水， 赋存于基岩风化层的节理裂隙中，场区内发育有砂岩，属于奥陶系浅变质砂岩，层理发育，蚀变矿物较多，质软，风化层厚，多呈泥质充填于裂隙中，透水性较差，富水程度相对较好。 场区主要接受大气降水补给，水量受降雨影响大，山坡、山脚及盆地内为迳流区， 多沿断裂带及深切沟谷排泄，一般为无压潜水，局部见微承压，此类水降雨后地下水垂直径流速度较大，对边坡稳定性影响大。

2 边坡再次失稳原因分析

边坡再次失稳原因分析如下：（1）边坡坡体风化层及残坡积层较为深厚，变质砂岩风化层中蚀变矿物多，多呈泥质充填于裂隙中，在富水的情况下在坡体中形成软弱带，且岩层产状顺倾，为边坡开挖后坡体变形和滑坡的形成提供物质基础。 （2）在连续暴雨的条件下，地下水位进一步抬升，润滑软弱带，土体抗剪强度急剧降低，是边坡再次失稳的诱因之一。 （3）由于对坡脚反压体进行“大拉槽”式开挖的挡墙施工，极大地削弱了坡脚支撑，坡脚因土体应力集中首先发生变形，引起上部坡体沿软弱夹层下错，剪切上部已实施的预应力锚索，同时导致局部锚索框架梁梁体开裂和下错。 在坡体坡脚失去支撑和上部部分锚固工程失效的不利情况下，边坡稳定性不断降低，触发滑坡形成。 可以认为，不当的挡墙施工次序是边坡再次失稳的主要原因。

3 数值模拟分析

为进一步研究挡墙施工次序对边坡稳定性的影响，基于该工程案例，运用岩土工程领域广泛采用的数值模拟软件FLAC3D 对边坡挡墙施工不同的开挖、加固次序进行数值计算，探求定性规律。

3.1 计算模型及参数

不考虑上部预应力锚索的影响，建立简化计算模型如下：边坡长度45 m，高24 m，坡度为30°，为三阶边坡，坡脚设挡墙加固。 每阶高为8 m，设2 m宽平台，土体归一为风化层和软弱夹层，软弱夹层层面倾角为25°。模型四周边界采用法向约束，模型下部边界采用全约束。 边坡模型尺寸和数值模型如图2 所示，材料参数如表1 所示。

图2 计算模型断面

表1 土体物理力学参数

3.2 工况模拟分析

为模拟实际工程案例中对于坡脚反压体一次性“大拉槽”开挖，同时分析边坡坡脚土体开挖对边坡稳定性影响的渐进变化，建立开挖步长为5 m，开挖过程不实施挡墙，开挖5、10、45 m 的3 种工况模式（图3）。

图3 全长开挖施工工况模式

按5 m 步长开挖边坡安全系数和边坡剪切应变云图如图4、5 所示。 随着边坡开挖进程，坡脚未及时支挡加固，边坡安全系数呈近直线下降，安全系数由初始1.25 下降至1.027， 边坡处于临界稳定状态。 图5 所示的剪切应变云图显示部分滑带土体进入塑性应变状态， 坡脚应力集中明显。 计算结果表明，挡墙“大拉槽”施工方案对边坡稳定安全系数影响较大。若不及时进行坡脚支挡加固，遇到连续降雨条件，边坡将失稳破坏。该计算结果进一步佐证了本文案例不当的开挖方式使边坡失稳的原因。

图4 全长开挖边坡安全系数

图5 剪切应变云图

为寻求合理的挡墙施工步骤，明确适当地开挖坡脚土体、实施挡墙步长，文后简称为开挖、加固步长。 为比较在不同开挖、加固步长情况下边坡施工过程中的稳定安全系数，分别建立开挖、加固步长为5、10、15 m 的数值模拟计算工况。 本文仅列出开挖、加固步长为5 m 的施工流程工况示意图（图6），为避免重复性，其他工况不再赘列。

图6 开挖、加固步长为5 m 施工流程

开挖、加固步长分别为5、10、15 m 的计算结果如图7、8 所示。 计算结果表明，除初次开挖边坡稳定安全系数有所降低外，其余时步由于挡墙加固的作用，安全系数平稳提高。 但由图8 看出，开挖步长15 m 时初次开挖边坡稳定安全系数降低幅度较大，考虑极端降雨对边坡稳定性的影响，在实际施工过程中挡墙一次开挖长度建议不超过10 m。

图7 开挖、加固步长5 m 的安全系数

图8 开挖、加固步长10、15 m 的安全系数

参考数值模拟分析结果，该失稳边坡的整治措施为立即重新实施反压，对上部局部失效的锚固工程进行补强，使边坡变形不再发展，达到暂时稳定状态。 采用开挖加固为步长5 m 的次序进行挡墙施工，施工过程中边坡一直处于稳定状态，整个治理工程达到满意效果。

4 挡墙施工次序对边坡稳定影响分析

根据实际施工状况和数值分析结果，挡墙的施工次序对边坡的稳定性影响较大。 对于顺层并有软弱层的沉积岩边坡，若采用“大拉槽”的施工方式，将导致整个边坡的坡脚应力集中，边坡沿软弱面滑动，引发边坡失稳。 采用小步长的开挖、加固施工次序，虽然首次开挖边坡的稳定性有所下降，但随着挡墙的实施，坡体的整体稳定性逐渐提高，边坡在施工过程中处于稳定状态。 随着开挖、加固步长的加大， 首次开挖的边坡稳定性相较于小步长的施工次序有所下降。 若步长过大，首次开挖边坡稳定性急剧下降，在极端气候条件下，有可能导致边坡失稳。

5 结论

综上所述，研究结果显示：（1）对于存在软弱结构面的顺层边坡， 采用坡脚挡墙支挡时，“大拉槽”开挖方式易诱发坡体变形， 应严格控制挡墙开挖、加固施工次序，确保施工过程中坡体稳定。 （2）数值计算结果表明，随着边坡开挖进程，坡脚未及时支挡加固，边坡安全系数呈直线下降，部分滑带土体进入塑性应变状态。 （3）根据不同开挖、加固步长数值计算结果， 考虑极端降雨对边坡稳定性的影响，建议挡墙开挖、加固步长控制在10 m 以内。