基于开挖扰动效应的路堑边坡失稳演化与加固措施研究

江河滨，邓祥明

(广西南天高速公路有限公司，广西 南宁 530022)

0 引言

路堑边坡滑动破坏因其发生广泛且可造成严重灾害，一直被视为攸关公路、铁路等工程施工和运营安全的经典课题之一[1]。目前普遍采用的研究方法有刚体极限平衡法[2-3]和强度折减法[4]，经验丰富的工程技术人员可通过这两种方法计算得到较为合理的边坡安全系数，从而指导边坡工程的开挖和加固设计。然而，在计算路堑边坡的安全系数时，通常以路堑边坡开挖完成后的最终状态作为边坡安全系数计算的初始条件，而对边坡开挖过程产生的工程扰动及其对边坡稳定性的影响考虑较少。

开挖扰动是路堑边坡滑动破坏的主要诱发因素之一[5-6]。许多学者通过模拟边坡开挖过程，并以位移增量、应力释放量、应变增量、塑性区分布、自定义损伤变量等参量作为边坡开挖扰动的表征量，研究了边坡开挖过程中坡体受到的扰动程度及其分布规律，为边坡的变形和稳定性控制、加固措施的优化等提供了重要参考[7-9]。

为了进一步揭示路堑边坡开挖扰动下的失稳演化过程和优化加固措施，本文以广西某在建高速公路多级路堑边坡为依托，采用有限元方法模拟分析了边坡开挖扰动响应规律，采用强度折减法研究了边坡安全系数随开挖扰动的变化规律，基于开挖扰动响应规律提出了路堑边坡加固措施并通过计算安全系数验证了其有效性。

1 工程概况

广西在建的某高速公路ZK52+800～ZK53+300段左侧深挖路堑边坡，位于河池市南丹县罗富镇罗屯村木桥屯附近东南约500 m。线路顺南北走向的山体东面山腰中部及冲沟地带展布，公路采用整体式路基并以路堑的方式从山坡中部穿过。边坡自然坡面为剥蚀低山地貌，自然坡角约为30°～40°，地表横坡较陡。覆盖层为灰黄色硬塑状残坡积粉质黏土，地表植被茂密且未见不良地质发育，下伏基岩为灰黑色中厚层夹薄层状中风化灰岩，岩体较完整，自然边坡稳定性好。边坡地质剖面及开挖设计如图1所示，坡体岩土力学参数见表1。

图1 边坡剖面及开挖设计图

表1 坡体岩土力学参数表

边坡开挖至四级平台时发生滑塌，滑动面位置见下页图2，边坡滑塌的特征为：滑塌的宽度约70 m，高约45 m，厚约4～5 m，方量约10 000 m3。滑塌裂缝呈圈椅状，后缘裂缝宽10～20 cm，裂缝边界明显，滑动方向基本朝向路基方向，在三级平台处剪出。

图2 边坡滑塌示意图

2 数值模拟条件

根据图1中边坡的地质概况及开挖设计图，在有限元软件Phase2中建立边坡动态开挖模型，见下页图3。坡体的岩土力学参数采用表1中的参数。研究方案为：

图3 边坡开挖模拟模型示意图

(1)根据边坡的开挖-回填施工过程，开展边坡施工动态模拟，并分别以最大剪应变累积量和最大剪应变增量为表征量分析边坡的开挖扰动响应规律。

(2)在边坡开挖施工动态模拟的基础上，采用强度折减法计算边坡开挖至每一个平台处时对应的安全系数，研究边坡开挖过程中安全系数的变化规律。

(3)通过对比边坡开挖扰动响应和开挖过程中安全系数的变化情况，分析开挖扰动对边坡稳定性的影响规律，并基于此提出边坡加固措施。

3 基于最大剪应变的边坡开挖扰动规律分析

边坡开挖扰动的表征方式有很多，常用的有塑性区分布、应变增量、位移增量、应力增量、自定义损伤变量等，这些参量在一定程度上都可以揭示边坡的开挖扰动程度。根据边坡滑塌的地质调查可知，该边坡以剪切滑动为主，因此考虑以最大剪应变作为边坡开挖扰动的表征量来研究该边坡的开挖扰动规律。

图4为边坡开挖过程中坡体最大剪应变累积量的分布情况。边坡刚开挖时，受扰动的区域主要分布在开挖面周围，例如开挖到一级平台和二级平台时，受扰动的区域主要集中在一级平台和二级平台附近，见图4(a)和图4(b)；随着边坡往下开挖，受扰动影响的区域逐渐增大，例如开挖到三级平台时，四级平台处的未开挖坡体已经受到不同程度的扰动，见图4(c)；当开挖至边坡下部时，开挖扰动的影响进一步增大，最终导致边坡开挖区域的上覆土层几乎全部受到不同程度的扰动，见图4(d)和图4(e)。

(a)开挖至一级平台

图5为边坡开挖过程中坡体最大剪应变增量的分布情况。此处的最大剪应变增量表示的是开挖至第i+1级平台处的最大剪应变累积量与开挖至第i级平台处的最大剪应变累积量的差值。通过分析最大剪应变增量可以得到每一级平台的开挖对坡体的扰动范围和扰动程度。由图5可知：边坡上部一级平台和二级平台开挖完成后，坡体受扰动的范围仅集中分布在一级平台和二级平台之间的上覆土层区域，见图5(a)和图5(b)；边坡开挖中部三级平台和底部时，坡体受扰动的区域遍布二级平台至四级平台之间的所有上覆土层，见图5(c)～(e)。

(a)开挖至一级平台

4 边坡开挖扰动失稳演化

图6展示了边坡开挖至不同阶段时采用极限平衡法计算得到的安全系数。由图6可知：边坡开挖至上部一级平台和二级平台时，安全系数由1.12降低至1.11，只降低了0.01，说明边坡上部一、二级平台的开挖对边坡稳定性的影响较小。随着边坡下挖，边坡的安全系数分别降低至1.07、1.01和0.96，即从二级平台开挖至三级平台时安全系数降低了0.04，从三级平台开挖至四级平台时安全系数降低了0.06，从四级平台开挖至路基时安全系数降低了0.06。对比边坡上部一、二级平台开挖后安全系数的变化情况，边坡中部和底部开挖后安全系数的减小幅度较大，由此说明边坡中部和底部的开挖对边坡稳定性的影响较大。边坡开挖至路基时，安全系数已降低至1.0以下，说明边坡此时极容易发生滑塌，这一计算结果与工程实际中边坡开挖至坡角发生滑塌的情况基本一致。

(a)开挖至一级平台

此外，结合对图4和图5的分析，可以进一步得出边坡安全系数随开挖扰动的变化规律：边坡上部土体的开挖对坡体产生的扰动影响范围较小，边坡的安全系数变化较小，此时边坡的稳定性与自然坡面的稳定性较为接近，边坡发生滑动的可能性较小；而边坡中部和底部土体的开挖对坡体产生的扰动影响范围较大，边坡中部和底部每一级台阶的开挖都会使边坡安全系数发生较大幅度的降低，最终可能会诱发边坡滑塌。

5 基于开挖扰动效应的边坡加固措施研究

从边坡开挖扰动响应的分析中可以看出，边坡上部开挖时，坡体受到的扰动影响较小，边坡较为稳定；而当开挖至边坡中部和底部时，坡体受开挖扰动影响的区域急剧增大，边坡安全系数降低幅度较大。基于这一认识，考虑从降低边坡开挖扰动的角度设计加固措施，即在边坡开挖扰动最大的区域加强支护，从而达到减小开挖扰动影响、提高边坡稳定性的目的。

为此，基于上述开挖扰动分析，对该路堑边坡作出如下加固设计：全坡面采用锚杆(索)格梁+挂网喷播防护形式，采用Ⅱ型锚索，锚索长25 m，锚固段长12 m，设计锚固力为500 kN，入射角为20°；在边坡滑塌剪出处增设10 m抗滑桩，10 m抗滑桩以冠梁连接，在冠梁处设一道Ⅱ型锚索，桩后回填碎石至原开挖线，与桩顶齐平；在各级平台及桩顶回填碎石面，滑塌体坡面要求进行硬化封闭，并对坡面及滑塌后缘的裂缝采用砂浆封填，同时设置平台排水沟。

为了验证上述加固方案的有效性，对按照上述加固方案对加固后的边坡稳定性进行了验算，见图7。由图7可知：加固后的边坡安全系数提高至1.36，大于规范要求的1.20，因此加固后的边坡稳定性超过了规范要求，加固方案有效。

(a)边坡加固计算模型

6 结语

本文以广西某高速公路多级路堑边坡为依托，分析了边坡开挖扰动响应及失稳演化规律，基于开挖扰动规律提出了支护措施并验证了其有效性，得到如下结论：

(1)路堑边坡上部台阶的开挖对坡体扰动较小，边坡稳定性变化较小；而中部和底部台阶的开挖对坡体扰动较大，此时边坡稳定性降低幅度较大，并可能造成边坡失稳。

(2)合理的加固措施可以减小边坡开挖扰动对稳定性的不利影响，在坡体受开挖扰动影响较大的部位增设抗滑桩、锚索等支护措施可以高效地提高边坡的稳定性。