某顺层岩质边坡开挖支护过程及其稳定性响应研究

李险峰

(淮北职业技术学院建筑工程系，安徽 淮北 235000)

随着我国经济的快速发展，水利、铁路、矿业、建设、航运等各行业逐步建立并完善，为我国的全面发展奠定了重要的物质基础。各行业工程的施工离不开对边坡稳定性的研究，边坡稳定性关系到工程的进度、质量、成本。若要保证工程建设安全，就需要对建设工程进行边坡稳定分析，所以边坡稳定分析一直是学界研究的重点，也是国内外许多领域的一个关键研究课题。加之我国是个多山国家，边坡成为修建疏港道路不可逾越的障碍。许多时候，疏港道路的修建需要开挖路堑边坡，使得边坡原本地质应力被改变，然而对于顺层岩质边坡失稳破坏机理，目前存在分化的认识，没有得到全面、统一的认识。因此，为解决开挖路堑边坡而引起的边坡失稳事件，避免对经济生产和人员安全造成损害，需要全面综合地分析开挖顺层岩质边坡的稳定性及相应加固措施，这将引起相关研究人员的重点关注[1-6]。钟卫平[7]依托某高速公路路堑顺层岩质边坡垮塌灾害治理工程，提出了抗滑键施工的边坡治理措施；张玉芳[8]以一铁路红层边坡工点为例，评估该工点的边坡病害，并设计了4种锚杆设置方案；宁帅[9]考虑土体各向异性进行抗滑桩边坡稳定性分析。

依照EN.Bromhead[10]的统计，有接近一半的治理费用是用在治理边坡上。因此，对顺层岩质边坡的稳定性进行正确评价具有重要的意义，值得进行深入的研究。

1 工程概况

连云港某疏港道路中云台山段，由于公路路堑开挖，在K9+460～K10+440段形成左侧顺层边坡。如果从位置上看，边坡处于浅丘坡顶部，这个位置属于粉砂岩盖散布，同时处于其中紫红色泥岩的顶部。具体分布在粉砂岩上部的某个区间范围内，高度数据是12～16 m。从特点上看表现出土黄色，颗粒度较粗，并且含有较多的长石以及岩屑，如图1所示。

图1 桩号K9+460～K10+440段左侧边坡

2 顺层岩质边坡开挖及加固数值模拟

2.1 有限元数值模拟建立

接下来计算分析的是边坡岩土体，主要分析的是这部分的物理学参数。具体情况可以参考表1。在各项参数的基础上建立相应的边坡计算模型，具体模型可以参考图2，在这个模型中包含左右边界，边界主要的作用是对于水平位移进行约束，其中还同时包含有底部约束，其主要的作用是对于两相位移进行约束，但在这个模型中并没有受到任何约束。计算得到的具体数据指标：模型底部长130 m，左侧边界高56 m，右侧边界高32 m；采用6节点三角形单元进行网格划分，得到8 239个单元，16 698个节点。利用有限元强度折减法进行边坡稳定性分析，求得边坡极限状态下的各项指标。

表1 边坡岩土体物理力学参数

图2 天然状态下边坡计算模型

2.2 天然稳定性分析

根据计算，把其中的边坡关键云图进行汇总得到图3。从图中的分析情况可以发现，当其中的边坡处于天然状态时，对应的稳定安全系数数据是3.79，边坡最大位移为0.88 cm，其中左侧边坡坡顶发生的最大位移，在主要的原因在于其受到了重力的作用。在这种情况下，右侧边坡也会跟随其中层面的发展而出现最大位移，在这个过程中右侧边坡将会靠近岩层结构面以及底部边界汇集的位置，这种情况下对应的最大剪力数据是0.03。如果针对其中水平位移数据进行分析可以发现，由于重力的作用，边坡下顺层面发生位移变形，符合实际变形情况。针对其中的屈服区进行分析可以发现，由于制动作用，其中的3个位置大部分都发生了屈服，一个是边坡中部上缘，一个是左侧边坡，还有一个是右侧边坡。基于前述分析可以判断，如果处于天然状态，那么边坡可以保持稳定。

2.3 开挖边坡稳定性分析

考虑到道路的修建需要经过这个位置，所以必须要分析这个位置的开发稳定性，具体的分析需要参考实际开发情况。通过这项分析可以明确两方面内容：一个是支护加固的情况，还有一个是开挖以后的稳定状态。其中边坡里开挖深度范围在11～17 m，其中开挖坡比是1∶0.75，在开发过程中选择切层开挖工艺，基于前述数据可以分析得到对应的计算模型，具体情况可以参考图4。

(a)边坡最大剪应变分布

(b)边坡总位移分布

(e)边坡Mises应力

(f)边坡屈服区分布图3 天然状态下边坡计算关键云图结果

(a)第二级边坡开挖

(b)第一级边坡开挖图4 开挖后边坡计算模型

分析最大剪应变分布图，具体情况可以参考图5，能够明确其稳定安全系数为1.93，由此可以判断其整体稳定，其中第2级边坡开挖的安全系数是0.96，所以可以判断其稳定，因此需要进行相应的支护加固处理，在这项处理工艺以后才能够进行路面的修建。

分析边坡开挖以后的总位移分布情况，具体可以参考图5(b)，能够发现第1级边坡开挖以后，最大的位移数据是1.9 cm，因为其中左侧边坡坡顶最高处的位置受到重力作用，所以会产生最大位移。右侧边坡最大位移的具体情况要参考边坡全面发展的情况。并且向着岩层结构面以及相应的底部边界交汇位置靠拢。第2级边坡开挖完成以后，发现其最大位移数据是2.64 cm，从这个数据中可以判断出边坡开挖放量偏大，左侧边坡将会沿着结构面发生较大位移，右侧边坡将会因为应力释放而出现位移较小的情况。

由边坡开挖后水平位移分布图5(c)可以看出，第1级边坡开挖后，边坡水平位移主要发生在左侧边坡。当第2级边坡开挖后，出现明显的顺结构面水平位移，联合总位移分布，可知边坡失稳滑面正是两种不同岩层的结构面，且左侧坡顶出现贯通至坡面的现场，可以看出顺层边坡的预加固范围。

分析边坡开挖以后的屈服情况可以得到具体分布图如图5(d)所示。从图中的情况来看，有两个部分边缘位置发生了小部分屈服，一个是右侧边坡，一个是左侧边坡，相较于未开挖的天然状态，边坡开挖范围不大，所以引力在释放的过程中较为集中。

综合前述分析可以发现，第2级边坡在开挖以后稳定性不足，需要对其进行支护加固，以确保修建和运营的安全。

(a)最大剪应变分布

(c)边坡Mises应力云图

(d)边坡塑性区分布云图图5 开挖后边坡关键云图

3 边坡加固数值模拟

边坡开挖后需要采取加固措施，使其稳定性、安全性达到相应标准后方可进行施工。这节中将会介绍使用锚杆框架梁以及对应的抗滑挡土墙进行加固的方法，并且完成相应的数值模拟分析。具体的结构参数可以参考表1。

3.1 抗滑桩加固

对采取抗滑桩加固开挖后的边坡，使用削坡与喷射混凝土技术对其进行相应防护。布置1排抗滑桩，桩长16 m，尺寸1.8 m×2.5 m，加固于第1级边坡顶部，由于边坡左侧后缘过于陡峭，应对其进行小范围削方处理，同时施加10 kPa均布荷载于路面，以模拟相应荷载对边坡的反压影响，最后计算模型如图6所示。

参考相应计算内容，可以把其中边坡的关键云图进行汇总，最终得到图7。分析图7可以发现，在天然状态下边坡的稳定安全系数是1.31，所以可以判断其处于稳定状态；左侧第1级边坡坡顶存在最大位移；左侧边坡坡脚处存在最大剪应变，究其原因在于抗滑桩右侧部分边坡在自重作用下向下剪切土体，但由于路面反压模拟值过小，两者相互作用使得坡脚处出现剪应变集中；通过前述分析可以发现，在边坡中加入抗滑桩以后，整体保持稳定状态，但同样存在较大位移。

图6 边坡抗滑桩加固计算模型示意图

(a)最大剪应变分布

(b)边坡总位移分布

(d)边坡塑性区分布云图图7 边坡抗滑桩加固后边坡关键云图

3.2 锚杆框架梁加固

锚杆框架梁是边坡开挖面常用的一种加固支护措施。本文使用的加固方式是锚杆框架梁，并且还会对其进行相应的防护，使用的是喷射混凝土技术，其中第2级边坡布置4排锚杆，间距5 m，长度从长到短依次为25 m，21 m，17 m，12 m；第1级边坡布置3排锚杆，间距5 m，长度均为17 m；锚索与水平面成30°打入边坡体，直径150 mm；最后计算模型如图8所示。

通过计算可以得到边坡关键云图，具体信息将会汇总于图9。参考图9中信息，明确边坡没有采用加固方式时稳定安全系数为1.32，这项数据表明其整体稳定；从数据上看，可以发现其中右侧边坡存在最大位移是6.78 cm，左侧边坡位移支护较为均匀，展现出锚杆对边坡位移支护的良好性能；左侧边坡坡脚处存在最大剪应变，第1级边坡锚杆下部土体在自重作用下与路面反压，两者相互作用，使得坡脚处出现剪应变集中。综合前述分析可以看出，边坡在锚杆加固作用下处于稳定状态，且位移能够得到良好的控制。

图8 锚杆框架梁加固边坡计算模型示意图

3.3 抗滑挡土墙加固

本文采取抗滑挡土墙加固开挖后的边坡，同时使用削坡与喷射混凝土技术对坡面进行相应防护。对边坡左侧后缘使用削方处理，主要是因为其过于陡峭，并且会在路面上施加一定载荷，要求载荷分布均匀，载荷大小是10 kPa，最终得到的计算模型可以参考图10。

参考计算结果可以把边坡关键云图汇总于图11。边坡稳定性安全系数为1.13，在左侧的最高处位置发现其最大位移是7 cm，与开挖以后的边坡位移数据进行对比，发现其发展趋势差距不大，有效地提升了安全系数，起到了挡土墙的加固效果，通过这种方式实现约束，约束是利用自身重力实现的，同样在左侧边坡坡脚处存在最大剪应变。综合前述分析可以看出，边坡在挡土墙加固作用下处于基本稳定状态，但未能满足规范要求的安全系数1.15。

(a)最大剪应变分布

(b)边坡总位移分布

(c)边坡Mises应力云图

(d)边坡塑性区分布云图图9 锚杆框架梁加固后边坡关键云图

图10 抗滑挡土墙加固开挖边坡计算模型

通过3种加工方式的计算分析可以发现，边坡在加入抗滑桩以后，起到了一定的加固作用，使整体处于稳定状态。安全数据是1.32，在加固以后可以保持稳定，安全系数是1.31，并且可以有效地控制其中的位移。利用挡土墙进行加固可以使边坡处于稳定状态，从测量数据来看其安全系数是1.15，从实际情况来看位移约束效果还需要进一步加强。考虑到施工难度较高，所以排除这种方案，可采用抗滑桩及锚杆框架梁加固方案，但须进一步进行优化分析，进而确定最优的加固方案。

(a)最大剪应变分布

(b)边坡总位移分布

(c)边坡Mises应力云图

(d)边坡塑性区分布云图图11 抗滑挡土墙加固后边坡关键云图

4 结语

通过有限元分析计算某顺层岩质边坡在天然状态和路堑边坡开挖条件下的稳定性系数，发现边坡在天然状态下具有较好的自稳性，但在路堑开挖后边坡处于失稳状态，需要对相应工点进行加固治理。通过对3种常见的边坡支护加固措施进行对比分析，发现边坡在抗滑桩加固作用下安全系数最高，锚杆加固次之，挡土墙加固安全系数最小，但均处于稳定状态。加入抗滑桩，边坡第1级边坡坡面存在较大位移；边坡在锚杆加固作用下位移能够得到良好的控制；边坡在挡土墙加固作用下处于基本稳定状态，但未能满足规范要求的安全系数1.15。因此，可采用抗滑桩及锚杆框架梁加固方案，保证疏港道路建设及今后运营的安全性。