基于变形监测的公路边坡失稳原因及支护措施研究

陈晋荣

摘要：文章以广西某高速公路深挖路堑边坡开挖支护为研究对象，结合现场调查、变形监测等结果分析了边坡开挖的变形响应特征及失稳原因，同时利用Geo-studio软件进行数值模拟，分析了边坡开挖后失稳及卸载后锚杆加固两种工况下边坡的变形特征及稳定性。结果表明：工程建设过程中结合现场调查和变形监测可实时追踪边坡的变形响应特征，数值计算方法可为变形边坡的动态设计提供可靠的计算结果，实施卸载+锚框架梁后边坡整体稳定性系数满足稳定性要求，可为今后类似工程提供参考。

关键词：公路；边坡；监测；变形响应；数值模拟

中图分类号：U416.1+4 A 34 108 3

0 引言

西南重丘地区地形地质条件复杂多变，线路工程建设过程中由于切坡形成的高边坡稳定性问题往往成为影响工程顺利进行的重要因素之一。近年来，已有众多学者针对高速公路边坡问题，采用试验、变形监测、数值计算及理论分析等众多手段开展了开挖边坡的变形响应研究［1-6］。边坡失稳不仅威胁着人们的生命财产安全，而且严重影响交通的正常运行和经济的稳定发展。

边坡开挖及运营过程中，其变形控制和稳定性是极为重要的研究课题。目前，具有坡表监测、地下监测、数值分析等一系列方法可对边坡进行监测预警以达到安全控制的目的［7-10］。因此，本文结合广西信都至梧州高速公路上洞枢纽互通DK0+580～DK0+900段右侧深挖路堑边坡，进行变形监测、数值计算和稳定性分析，为工程的安全建设提供技术支撑。

1 工程地质条件

研究区属剥蚀丘陵地貌，地形起伏较大，地面高程在88～185 m，相对高差97 m。设计路线大致呈北东-南西向，山体斜坡覆盖第四系残坡积土层，地表植被较发育，主要为桉树及灌木丛。根据野外地质调绘及钻探揭示，地层主要由第四系残坡积层黄色黏土（Qel+dl）及泥盆系中统（D2y）泥质粉砂岩夹薄层状泥岩、页岩组成，节理裂隙较发育，岩芯多呈块状，少量呈短柱状。岩层产状为340°∠23°，另测得两组优势节理分别为J1：15°/SE∠26°（5～6条/m），J2：335°/SW∠20°（4～5条/m）。

研究区地表水主要流经山坡坡脚的水沟，属季节性流水，主要接受大气降水补给，水量受季节影响较大，边坡部位无常年地表水。地下水包含第四系地层孔隙水及岩石中的基岩裂隙水，受地表水和孔隙水补给。

根据地质调查及区域地质资料，研究区北东侧约2.8 km有一逆断层。现场调查并未发现第四系地层错动现象，也未发现其有新近活动迹象，表明自第四纪以来，该断层处于稳定状态。

2 工程概况

公路采用整体式路基，以路堑的方式从山坡中下部穿过，该路段内路基设计高程在104.438～108.976 m，该段左右两侧均属高边坡。挖方长度约为320 m，中线最大挖深为64.40 m。边坡自下而上按照1～2级1∶1坡率放坡，3～4级1∶1.25坡率放坡，5～7级1∶1.5坡率放坡，并在第2级、第4级设10 m宽平台。开挖后边坡坡向为135°，形成的最大坡高约为75 m，构成边坡坡体的岩性自下而上为中风化泥灰岩、中风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩及第四系残坡积黏土。放坡后顶部的黏土厚度约为1.5 m。由于构成坡体的主要成分为黏土、强-中风化泥质粉砂岩及中风化泥灰岩，人工边坡属岩土结合边坡。开挖后边坡右侧约50 m有一小型滑坡，该滑坡宽约20 m，长7～8 m，厚2～3 m，为土质滑坡，土层属残坡积黏土。滑坡发生后，经各方讨论，采用“卸载”方案，即对现滑塌部分采用1∶1.75坡率放坡，确保滑体部分全部清除；对未滑塌部分取消第2级、第4级的10 m宽平台，全坡面按照1∶1.5坡率放坡。同时边坡坡面采用锚杆格梁+挂网喷混凝土的加固措施。

3 边坡变形监测及成因分析

3.1 测点布设及预警策略

边坡监测点的布设对边坡变形监测结果具有较大的影响，为全方位的掌握边坡的变形情况，在边坡开挖后坡表均匀布设点位，采用全站仪进行数据采集。监测频率根据现场情况，按照2次/d进行。

为使监测数据能够达到及时有效的预警，综合边坡地质条件、监测数据采集频率、施工条件等因素，采用四级预警等级，选取位移、速率为预警指标，具体预警策略如表1所示。

3.2 监测结果及成因分析

据边坡右侧（滑坡）现场监测点数据如图1、图2所示。由图1可知，监测点L5-8从2021-07-15开始，变形逐渐增大，边坡开始进入加速变形阶段，到7月17日，水平位移达到135.6 mm，边坡发出蓝色预警，现场施工警戒提高。而在7月18日，边坡位移速率突然快速增大到286.4 mm/d，邊坡变形达到红色预警，现场施工立即停止并疏散施工人员，同时与边坡开挖设计方讨论变更处置方案。虽然7月18日过后的边坡变形速率有所降低，但边坡累计位移已＞600 mm，因此边坡一直处于橙色预警状态。一直到7月29日，边坡变形速率再次突增到268.3 mm/d，同时累计水平位移＞800 mm，边坡再次发出红色预警，最终最大水平位移达到2 065.4 mm，最大沉降变形达到-1 644.5 mm。如图2所示，L5-9监测点也有类似变形特征，在2021-07-15至2021-08-17，边坡右侧产生了明显的大变形，由于开挖边坡应力释放，该段时间内的坡体变形速率明显增加，位移激增，大部分观测点的变形速率已＞40 mm/d，现场发生小规模坍塌，根据监测数据及现场调查情况得知，边坡右侧已进入加速变形-破坏阶段。滑坡发生后，对滑塌部分进行卸载并放缓边坡整体坡率，边坡基本处于稳定状态，变形未再增加。

自边坡开挖施工以来，边坡右侧产生了较大的变形，加之坡表岩体力学性质不佳，坡面出现多条裂缝。根据现场开挖揭露，该边坡为顺向坡，为泥盆系郁江阶地层，属于易滑易塌地层，且地下水埋深较浅，沿粉砂岩与炭质泥岩界面渗出，当边坡开挖至第2级10 m宽平台处时，坡体自右侧坡顶产生拉裂缝，拉裂缝逐渐贯通，并相继于两侧缘产生羽状剪切裂缝，在地下水等作用下岩层层面局部整体滑动，剪出口位于第2级10 m宽平台处（即粉砂岩与炭质泥岩交界面）。

由于构成该侧边坡主要为强风化泥质粉砂岩及强风化泥岩、页岩，岩层产状倾向与人工边坡同向，为切向坡，上部坡体主要为强风化泥质粉砂岩夹强风化页岩、泥岩，倾角小于坡角，且泥质粉砂岩与泥岩、页岩的接触面多风化为土状，力学性质较差，结构面多有泥质充填，边坡易沿岩层面滑动，边坡整体稳定性较差。

加之强风化岩层风化强烈，且风化不均匀，裂隙较发育，构成坡体的大部分岩体结构已破坏，抗风化和抗冲刷能力均较差，强降雨时，边坡易产生掉块、坍塌、崩塌等变形破坏。边坡开挖后，最可能出现的破坏模式为于岩土界面、岩层面或沿各类结构面形成的滑动破坏。

4 支护处治数值计算

根据上述滑塌原因，采用“卸载”方案，即对现滑塌部分根据现场实测坡顶裂缝分布位置，采用1∶1.75坡率放坡，确保滑体部分全部清除；对未滑塌部分，取消第2级、第4级的10 m宽平台，全坡面按照1∶1.5坡率放坡，同时采用“锚杆框架梁”进行支护。本文采用Geo-studio软件进行数值模拟计算，选取边坡DK0+728剖面建模，见图3。

模型计算中，考虑了初始边坡、边坡卸载及锚杆支护等因素，确立了以下计算工况：边坡卸载工况以及卸载支护加固工况。计算模型如图4、图5所示。

计算所需参数如表2所示。

边坡卸载开挖后位移如图6所示。由图6可知，在开挖后边坡的位移最大分布区间在4～6级平台之间，开挖区附近岩体位移显著增加，最大合位移为0.082 m。卸载后边坡稳定性计算结果如表3所示，由表3可知，虽然边坡卸载后3种计算方法的稳定性系数均＞1，但都不满足工程安全储备。结合变形计算值可知，仅进行卸载处理不能将边坡变形控制在安全范围内。

边坡卸载开挖支护后位移云图如图7所示。由图7可知，在边坡表层进行加固后边坡变形量明显减小，最大合位移为0.055 m，且变形范围仅在坡表0.2～1 m深处。而支护加固后边坡稳定性计算结果如表4所示，由表4可知，边坡卸载加固后稳定性系数均＞1.15，满足安全储备，边坡处于基本稳定状态。

这是因为边坡卸载降低了岩土体沿软弱易滑层滑动的下滑力，同时，坡表锚杆框架梁加固支护后，使得坡表松散岩土体的力学性能得到提高。从而解决了边坡在初始开挖后产生滑坡的问题，因此采用卸载+锚杆框架梁支护的处治措施是有效的。

5 结语

本文主要以广西信都至梧州高速公路上洞枢纽互通DK0+580～DK0+900段右侧深挖路堑边坡开挖支护为研究对象，采用现场调查、变形监测等手段分析了边坡开挖的变形响应特征，同时利用Geo-studio建模，重点分析了开挖卸载后及加固后两种工况下边坡的变形及稳定性，得到以下结论：

根据现场调查和全站仪监测，抓住了边坡初始开挖后的变形响应特征及其引发的边坡右侧滑坡不良地质现象，并分析了滑坡产生的成因。

边坡初始开挖产生滑坡后，根据滑塌原因，采用“卸载+锚杆框架梁支护”方案，即对滑塌部分根据现场实测坡顶裂缝分布位置，采用1∶1.75坡率放坡，确保滑体部分全部清除；对未滑塌部分，取消第2级、第4级的10 m宽平台，全坡面按照1∶1.5坡率放坡；对边坡卸载和卸载加固后的变形特征及稳定性进行了模拟，结果显示加固后的整体稳定性系数＞1.15，该工程采用的支护加固措施满足要求，可为类似边坡问题的处理提供借鉴。

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收稿日期：2023-02-13