宽平台对路堑高边坡稳定性的安全调控机制

李 靖

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430071）

0 引 言

山区水利水电、矿山和交通建设常需要大规模挖方，形成不同规模的挖方高边坡，强烈的卸荷作用会极大地改变初始地形，对边坡的稳定状态产生极大的不利影响[1-3]。阻滑段的卸荷使得挖方高边坡整体和局部安全保障面临挑战[4-5]。

根据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330—2013）和《公路路基设计规范》（JTGD30—2015）对于一般边坡的安全控制措施主要依靠坡率法+平台相结合的方法，再增补锚杆索、桩锚、截排水等其他刚柔结合的加固及辅助措施，即坡率+平台措施是基础，坡率是根本，其他措施的有效性建立在坡率法能保证自稳的基础上，否则面临极高的安全风险。

当前国内外对于挖方形成的高边坡的研究主要集中在：①挖方高边坡的静动力稳定性评价[6-9]；②挖方高边坡的变形破坏机理[10-14]；③挖方高边坡的设计方法[15-18]；④挖方高边坡的加固措施及优化[19-22]；⑤挖方高边坡的安全监测[23-26]。因此，挖方高边坡的研究主要集中在由此造成的安全控制方面。

依托已经产生显著变形破坏迹象的高速公路路堑高边坡，采用极限平衡法[27]探讨坡率和平台对于该路堑高边坡稳定性的影响机制，获取最佳的平台宽度和设定位置；利用FLAC3D数值建模探讨平台宽度和不同位置设定宽平台对路堑高边坡的变形破坏特征的影响机制，获取宽平台对路堑高边坡稳定性的调控机制。

1 典型路堑高边坡

1.1 典型路堑边坡

由于开挖形成7级路堑高边坡，7，6，5，4，3，2，1级坡由上至下开挖揭露的地层依次为：①第四系全新残破积粉质黏土，褐红色，硬塑，含少量岩石风化碎屑，6级坡中部-7级坡出露；②二叠系下统沙子坡上段强风化泥岩，灰红色，薄层构造，岩芯多呈碎块状，2级坡顶部-6级坡中部出露；③二叠系下统沙子坡上段中风化泥岩，灰红色，薄层构造，岩芯多呈碎块状，1级坡-2级坡顶部出露（表1，图1）。

表1 路堑高边坡各地层岩土力学参数

图1 深挖形成的路堑高边地质概况Fig.1 High cutting slope derived from deep excavation

造成路堑高边坡变形破坏的根本原因在于阻滑段开挖卸荷部分的抗力大于坡面既有措施的加固力；滑移范围的扩大化说明锚杆索的坡面有限深度加固作用显著，深大滑移面的下滑力大于等于抗力，坡体发生变形破坏，运动特征明显。

1.2 计算方案

利用极限平衡法，1级坡-2级坡，坡率1∶0.50，坡高10 m；3级坡-4级坡，坡率1∶0.75，坡高10 m；5级坡-7级坡，坡率1∶1.00，5，6级坡高10 m，7级坡高度8 m，下陡上缓），宽平台尺寸分别为2，3，5，7，10 m，宽平台分别设置在2级坡、3级坡、4级坡、5级坡、6级坡、7级坡平台位置（图1）。目的是获取最佳平台宽度和位置，同时为FLAC3D计算奠定基础。

利用有限差分法，在FLAC3D平台[28]，设计了3个相同位置不同平台宽度工况，考察平台宽度的影响，工况1各平台宽度均为2 m；工况2：将5 m宽平台设置在4级坡坡脚位置；工况3将10 m宽平台设置在4级坡脚位置。为考察5 m宽平台数量的影响，在6级坡增设1个5 m宽平台工况。

图2 坡顶变形开裂情况Fig.2 Ruptures at the top of high cutting slope

FLAC3D模型计算条件下如下：①边界条件：模型侧边法向约束，底面全约束，表面自由；②本构模型：采用理想弹塑性本构模型；③破坏准则：摩尔-库伦屈服准则；④计算参数：数值模拟参数选用该边坡各地层岩土力学参数（见表1）；⑤初始条件：首先进行初始地应力平衡，后续通过移除单元体实现7级坡的7个开挖步的动态模拟，探讨平台宽度和位置造成的变形运动机制的变化，揭示宽平台的增稳机理和安全调控机制。

图3 计算模型Fig.3 Numerical model for basic computing scheme

2 基于极限平衡法的平台最优参数

2.1 平台宽度对稳定性的影响

采用简化Bishop方法，坡顶最后一道裂缝位置-距离坡顶约25 m位置剪入，坡脚剪出口控制在一级坡坡脚位置，自动搜索潜在滑面并计算稳定性系数（图4）。

图4 平台宽度-稳定性系数演化曲线Fig.4 Curve of safety factor and platform width

从图4可以看出，下边坡稳定性系数0.93，随着宽平台位置的确定后，稳定性系数随着宽度的增加逐步增加，3～5 m增幅最显著；4级坡位置设置宽平台的稳定性系数演化曲线处于最顶端，增幅也是最大，5 m宽度的增幅脉冲最显著，之后稳定性系数曲线有个变缓段，增幅曲线有个低估，之后再增加，这里存在一个改善效率的问题，即平台越宽上部卸荷方量越大，征地范围增加，基于费效比原则，5 m宽度平台在经济性和安全性综合考察下最优。

2.2 宽平台位置对稳定性的影响

平台宽度确定后，稳定性系数随着平台高度的降低先增后减，宽平台位置-稳定性系数曲线10 m宽度曲线最高>7 m>5 m>3 m>2 m宽度曲线，稳定性系数最高点在4级坡位置；增幅最大的是5 m宽平台>10 m>7 m>3 m>2 m宽平台曲线，最高点在4级坡位置。因此，5 m宽度平台在4级坡位置经济性和安全性综合考察下最优。宽平台的机理在于通过宽平台之上的卸荷使得其下边坡受力改善，影响边坡稳定的高度要素降低，这是宽平台的增稳机制。之所以是5 m最优，而不是其他宽度，这与上部坡体的材料属性密切相关，也与坡体开挖造成的扰动范围和应力应变场的改变有关，5 m之后增幅有个收窄的变化，综合考虑费效比平衡，确定5 m平台宽度最优，后续分析在此基础上进行（图5）。

图5 宽平台位置-稳定性系数演化曲线Fig.5 Curves of safety factor and wide platform location

3 宽平台对路堑高边坡调控机制

3.1 路堑边坡变形特征

随着边坡开挖至5级坡、4级坡和3级坡，在5级坡的坡脚位置的剪应变逐步往坡顶发展，尚未贯通；开挖至2级坡，则5级坡、4级坡、3级坡坡脚的剪应变云图分别发展贯通，3个潜在滑动面；开挖至1级坡，则5级坡、4级坡、3级坡、2级坡分别发展贯通，4个潜在滑动面。开挖至3级坡坡体尚能保持整体稳定，开挖至2级坡或再往下开挖会造成路堑高边坡多级滑动整体失稳（图6）。

路堑高边坡的破坏主要是下部2级坡和1级坡的开挖造成的，之前虽有变形和运动但边坡尚能保持整体稳定，之后不能保持整体稳定呈现多级滑移。

3.2 宽平台对路堑高边坡调控机制

边坡安全特性的表征包括强度和变形两方面，稳定性系数描述了边坡的整体和局部稳定性，变形指标描述了坡面和坡体深部的运动特征和稳定状态，两类指标是互补关系，目前尚没有与安全系数标准严格对应的变形标准，对于变形描述的稳定状态更多的是观察变形趋势或者增速（图7）。

图6 路堑边坡变形破坏特征云图Fig.6 Contour of high cutting slope’s deformation features

由图7（a）～（c）塑性区可知，随着4级坡平台宽度的增加，原设计下2级坡到顶部贯通整体滑动的破坏特征得到有效控制，5 m平台上下部分的塑性区贯通的趋势得到控制，下部边坡塑性区连续性降低，上部塑性区的连通性相对下部要高，但是总体上还是没有贯通，证明5 m宽平台的设置对于路堑高边坡的整体稳定性调控显著；4级坡平台宽度增加到10 m，下部1～4级坡的塑性区范围控制比5 m平台的情况要显著，但上部4～7级坡塑性区的范围控制情况比5 m平台的差。这说明平台宽度的安全调控效果以5 m为宜，不是越宽越好。

由图7（d）～（f）剪应变云区可知，原设计下2级坡、3级坡、4级坡、5级坡坡脚发育多级滑面，以2级坡坡脚的滑面运动特征最显著，为优势滑面；4级坡设定5 m宽平台下，仅5级坡位置存在未贯通潜在滑面；4级坡设定10 m宽平台下，5级坡和7级坡发育多级滑面，运动特征显著，说明4级坡设定5 m宽平台对于路堑高边坡的安全调控效果最佳，剪应变云图的变化与塑性区揭示的结论类似。

开挖至6级坡以后，水平位移曲线有一小幅增加趋势，其中10 m宽平台位移增幅最大，表现为急剧抬升和脉冲增幅，说明上部边坡已经发生较大运动变形，10 m宽平台下的上部边坡的变形稳定状态较差，最大位移由0.9 mm增加到12.6 mm，随后小幅增加趋于平稳。2 m平台，开挖至3级坡以后，水平位移曲线急剧抬升，增幅急剧增大，4.5 mm到15.9 mm再到36.5 mm，增幅11.4 mm和20.7 mm，说明边坡变形失稳。5 m宽平台，水平位移随着开挖一直小幅增加，5级坡、4级坡开挖增幅相对较大，随后趋稳。开挖完成后的最大水平位移5 m宽平台6.0 mm<10 m宽平台20.9 mm<2 m宽平台36.5 mm。不同开挖步下水平位移最大值揭示的5 m宽平台安全调控效果最佳（图8）。

图7 平台宽度对路堑高边坡破坏特征的改变Fig.7 Deformation and failure features of high cutting slope changed by wide platform

图8 不同平台宽度下开挖位移曲线Fig.8 Curve of horizontal displacement and excavation platform under different platform width conditions

5 m宽平台数量的增加，对上部边坡的塑性区控制和剪应变云图揭示的潜在滑移控制效果显著，证明有限宽度宽平台对路堑高边坡整体和局部稳定状态的安全调控效果显著，推荐最佳宽度5 m（图9）。

这部分塑性和变形分析的结论是对极限平衡法分析结论的验证和精细化修正，边坡上部一般为下滑段，下部为阻滑段，平台宽度越大，边坡整体综合坡率越低，卸荷造成下滑力减小，下部阻力不变，则边坡越趋稳定。随之带来的开挖方量增加，开挖扰动加剧，用地增加，若平台宽度持续增加，高边坡将演化为相对独立的几个有限高度边坡，每部分的稳定性增强，整体稳定程度提高。综合考虑高边坡稳定性和宽平台的费效比，边坡平台并非越宽越多越好，探究合理宽度和设置宽平台的数量有利于边坡的优化。

4 宽平台对路堑高边坡的增稳机理

4.1 宽平台对高边坡的增稳机理

阻断机制，高边坡的整体性和高度造成的规模效应被有效阻断，将高边坡分割为几个有限高度的边坡，各部分的稳定性由于高度的降低得到极大改善；消能机制，宽平台的消能机制有助于控制局部崩塌、坍滑造成的势能转化动能产生的威胁范围扩大化问题，在露天矿领域边帮安全控制上得到极好的应用和体现；增稳机理，宽平台的设置造成上部卸荷，下滑力减小，下部的抗滑力由于减重会有削弱，但总上有利于抗滑性能的提升和改善，在变形破坏特征和位移响应得到验证。

4.2 宽平台高边坡加固

宽平台的设置使得路堑高边坡在不考虑加固措施下从原来的的失稳（Fs<1.0）到基本可以维持自稳（Fs>1.0）。

4级+6级坡设置5 m宽平台加固效果最佳，即土石方量增加有限，但稳定性系数在不考虑加固措施下可保证坡体自稳（表2）。

图9 5 m宽平台数量造成的路堑高边坡变形特征变化Fig.9 Deformation characteristics of high cutting slope changed by number of wide platforms with 5 m width

表2 不同宽平台下路堑边坡稳定性计算结果及挖方量

5 结 论

1）稳定性系数随着平台宽度单调递增，宽平台的稳定贡献随着平台高度逐步递减，宽平台位置-稳定性系数曲线最外侧高点曲线为4级坡位置5 m宽平台曲线；平台宽度-稳定性系数增幅曲线增幅脉冲最大的是5 m宽平台，路堑高边坡稳定性揭示的最优宽平台为5 m宽设定在4级坡平台位置。

2）路堑高边坡在开挖到2级坡形成5级坡、4级坡、3级坡坡脚到顶部贯通的3个潜在滑动面；开挖至1级坡，形成5级坡、4级坡、3级坡、2级坡坡脚到顶部贯通的4个潜在滑动面，即开挖至3级坡坡体尚能保持整体稳定，开挖至2级坡或再往下开挖会造成路堑高边坡多级滑动整体失稳。

3）相对于原设计开挖下5级坡、4级坡、3级坡、2级坡发育4级滑动和4级坡设定10 m宽平台下5级坡、7级坡发育2级滑面，4级坡设定5 m宽平台下，仅5级坡位置存在未贯通潜在滑面，宽平台的阻断机制显著；开挖完成后的最大水平位移5 m宽平台6.0 mm<10 m宽平台20.9 mm<2 m宽平台36.5 mm，说明4级坡设定5 m宽平台对于路堑高边坡的安全调控效果最佳。

4）宽平台对于路堑高边坡的安全调控机制在于阻断机制、消能机制和减滑增阻的增稳机制。平台宽度不是越大越好，以5 m为宜；加固效果排序为2个5 m宽平台>1个5 m宽平台>1个10 m宽平台>2 m宽平台，可以考虑间隔设置5 m宽平台。