魏云杰 陶連金 王文沛 朱志剛

（1.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124；2.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100038）

近年來(lái)，山區(qū)高等級(jí)公路、村鎮(zhèn)公路建設(shè)的快速發(fā)展，公路建設(shè)中高挖深填現(xiàn)象普遍，形成了人工邊坡。由于巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差，在降雨及工程開(kāi)挖影響下，出現(xiàn)不同規(guī)模的變形破壞現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了公路工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間的安全［1］。順層巖質(zhì)邊坡的變形和破壞，與地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、水文地質(zhì)特征及人類工程活動(dòng)密切相關(guān)［1，2］。黃潤(rùn)秋等［1］通過(guò)對(duì)湯 屯高速公路順層邊坡現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件的系統(tǒng)調(diào)查，研究了邊坡的巖體結(jié)構(gòu)類型及其成因機(jī)制、結(jié)構(gòu)面與坡面組合特征，在此基礎(chǔ)上通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬，結(jié)合工程地質(zhì)條件分析，探討了變形破壞機(jī)制。成永剛等［3］以長(zhǎng)晉高速公路K31＋160～K31＋460段順層滑坡為例，通過(guò)Geoslope軟件數(shù)值模擬了該滑坡在初始設(shè)計(jì)狀況下全斷面開(kāi)挖后無(wú)工程防護(hù)時(shí)的坡體狀態(tài)，以及變更設(shè)計(jì)后工程防護(hù)對(duì)坡體的加固效果；同時(shí)運(yùn)用監(jiān)測(cè)等手段，對(duì)變更設(shè)計(jì)后坡體的適時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，根據(jù)兩者相互綜合的反饋信息，為滑坡的“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，信息化施工”提供依據(jù)。李安洪等［4］在對(duì)大量順層邊坡進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查研究基礎(chǔ)上，總結(jié)提出順層巖質(zhì)路塹邊坡的分類及8種順層邊坡破壞模式，并對(duì)較為常見(jiàn)的滑移－拉裂和滑移－彎曲破壞模式的穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行討論。據(jù)統(tǒng)計(jì)，公路建設(shè)工程中順層型滑坡占滑坡數(shù)量的50.7%［4］。因此，研究復(fù)雜順層邊坡的成因破壞機(jī)制，準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)其變形破壞模式，并通過(guò)變形監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬的相互驗(yàn)證分析，使兩者優(yōu)劣互補(bǔ)，對(duì)治理設(shè)計(jì)具有重要意義［1，3］。

擬建的雙大路位于北京門(mén)頭溝境內(nèi)，是連接雙塘澗與柏峪的主要通道。本文研究的邊坡位于門(mén)頭溝區(qū)清水鎮(zhèn)燕家臺(tái)村西，主要為兩級(jí)臺(tái)階狀挖方路段，目前已按1∶0.75設(shè)計(jì)坡度開(kāi)挖，并形成高15～25m左右的人工邊坡雛形，坡向與公路走向基本直交，坡度15°～25°，局部35°～40°，斜坡兩側(cè)均發(fā)育沖溝，中部?jī)蓷l小沖溝，沿公路走向斜坡地形略有起伏。地面海拔高度810～869 m，為低山侵蝕剝蝕地貌。邊坡巖體破碎，節(jié)理裂隙和劈理構(gòu)造發(fā)育。在邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，坡面產(chǎn)生裂縫，變形范圍東西方向約220m、南北方向約150m，在降雨和工程開(kāi)挖的條件下坡體變形迅速，若不及時(shí)采取有效的治理措施，邊坡有可能發(fā)生整體失穩(wěn)，形成滑坡，造成不可估量的損失。

根據(jù)相關(guān)研究［1－13］，在查明邊坡的巖體結(jié)構(gòu)條件、變形破壞機(jī)制的基礎(chǔ)上，采取坡體深部位移監(jiān)測(cè)、地表位移監(jiān)測(cè)的立體監(jiān)測(cè)方案，并通過(guò)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬的方法綜合進(jìn)行分析，成為指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工的重要依據(jù)。

1 順層邊坡概況

1.1 工程地質(zhì)環(huán)境概況

工程邊坡坡體地層主要為中寒武統(tǒng)毛山、饅頭組巖層（C－2m）鈣質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖、泥巖及泥質(zhì)白云巖，局部發(fā)育砂巖透鏡體，12.7～29.0m以下發(fā)育泥質(zhì)白云巖，上部覆蓋第四系。場(chǎng)區(qū)內(nèi)邊坡范圍的頁(yè)巖和泥巖為極軟巖，全－強(qiáng)風(fēng)化，碎裂、散體狀結(jié)構(gòu)，工程等級(jí)為Ⅴ級(jí)。下部的泥質(zhì)白云巖，一般為強(qiáng)－弱風(fēng)化，巖體結(jié)構(gòu)主要為破碎－較破碎，碎裂塊狀－層狀結(jié)構(gòu)，工程等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查表明，邊坡北側(cè)不遠(yuǎn)處為沿河城斷裂帶的分支構(gòu)造，產(chǎn)狀為150°∠60°～70°，場(chǎng)區(qū)西側(cè)有北西向次級(jí)斷裂構(gòu)造通過(guò)并與沿河城斷裂帶斜交。

調(diào)查表明，雨季因降雨入滲可能形成局部基巖裂隙水，主要分布在山體內(nèi)破碎巖體的裂隙或破碎帶中，順坡向下迅速排泄，水量小。

1.2 施工方案簡(jiǎn)介

1.2.1 支護(hù)方案

K13＋380～K13＋440路段：按分級(jí)削坡，坡比1∶1.5，臺(tái)階寬度3.0m，坡面不防護(hù)，坡腳處設(shè)置5m高重力式擋墻。

K13＋300～K13＋380路段：分2級(jí)削坡，坡比1∶1.5，臺(tái)階寬度3.0m，鋼筋混凝土格構(gòu)＋預(yù)應(yīng)力錨索護(hù)坡，漿砌塊石護(hù)面，坡腳處設(shè)置5m高重力式擋墻。

K13＋260～K13＋300路段：分級(jí)削坡，坡比1∶1.5，臺(tái)階寬度3.0m，坡面不防護(hù)。坡腳處設(shè)置5m高重力式擋墻。

1.2.2 邊坡后緣裂縫處理

對(duì)坡面出現(xiàn)裂縫處采用水泥漿進(jìn)行灌注封堵。

1.2.3 邊坡后緣截水溝

滑坡體外圍設(shè)置漿砌塊石和截水溝，內(nèi)寬500mm×500mm。

1.2.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

K13＋380～K13＋440路段進(jìn)行深部位移監(jiān)測(cè)，以判斷其滑移破壞的深度、邊界，確定其破壞的程度和模式，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

2 坡體變形破壞特征及機(jī)制分析

2.1 坡體變形特征

圖1 邊坡工程地質(zhì)剖面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Geological profile of a slope engineering and the arrangements of monitoring points

圖2 測(cè)斜管1深度－位移曲線Fig.2 Depth－displacement curve for Test tube 1

圖3 測(cè)斜管3深度－位移曲線Fig.3 Depth－displacement curve for Test tube 3

根據(jù)上述布置，邊坡各點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線見(jiàn)圖2、圖3，圖中曲線為2008年4月份至10月份測(cè)斜管深度－位移曲線。從圖中可以得出：邊坡的變形主要發(fā)生在0～25m的范圍內(nèi)，這個(gè)深度相當(dāng)于開(kāi)挖邊坡引起的“強(qiáng)卸荷區(qū)”。邊坡變形表現(xiàn)出上部變形量比下部變形量大，在某一深度以上坡體的變形基本相同。圖2中14.0～16.0m和圖3中23.0～25.0m之間的位移有突變，在此深度以上的范圍內(nèi)變形具有很好的同步性和一致性，表明在這個(gè)深度上存在特定的軟弱結(jié)構(gòu)面并且傾向坡外，控制了結(jié)構(gòu)面以上坡體在開(kāi)挖卸荷過(guò)程中的整體回彈變形，并且對(duì)邊坡的整體變形起到主要控制作用，若不及時(shí)支護(hù)，最終將產(chǎn)生滑坡。

2.2 坡體變形機(jī)制分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和監(jiān)測(cè)資料分析，該滑坡體實(shí)際上是一順層蠕滑體，沿弱面蠕滑的發(fā)生是以其前緣的小背斜被溝谷切穿和公路施工挖除為前提的。在此之前，由于前緣的背斜呈高聳狀，坡體不具備蠕滑條件（圖4－A，B），隨著河谷下切，阻擋蠕滑發(fā)生的背斜部分逐漸侵蝕，局部在公路施工過(guò)程中被開(kāi)挖，發(fā)生蠕滑的層間擠壓帶開(kāi)始出露于地表（圖4－C），此時(shí)，坡體在中、后部順層段推力作用下開(kāi)始蠕滑。

圖4 邊坡變形演化過(guò)程示意圖Fig.4 Evolution of slope deformation

由此可知，目前該邊坡處于滑移彎曲變形最后階段，邊坡順層巖體沿層面發(fā)生滑移拉裂變形。變形的前兩個(gè)階段，上部邊坡附近碎裂巖體在層狀巖體彎曲產(chǎn)生的推力作用下產(chǎn)生較大變形，嚴(yán)重?cái)D壓褶皺，彎曲部位巖體逐漸破壞并形成貫通的剪切滑動(dòng)面，彎曲上部巖體被剝蝕或開(kāi)挖，坡腳阻力減小，彎曲部位巖體中滑移切出面與碎裂巖體內(nèi)剪切滑動(dòng)面貫通，導(dǎo)致坡體整體失穩(wěn)。

2.3 坡體變形機(jī)制的數(shù)值模擬

圖5 邊坡UDEC模型Fig.5 UDEC simulation of slope

圖6 坡體變形的離散元模擬Fig.6 Discrete element simulation of slope deformation

在上述分析的基礎(chǔ)上，建立了邊坡離散元（UDEC）計(jì)算模型來(lái)分析邊坡變形破壞產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)制（圖5），邊坡開(kāi)挖后應(yīng)力及變形特征及演化過(guò)程見(jiàn)圖6。模擬結(jié)果表明，上部坡體的變形表現(xiàn)為沿著坡底主滑動(dòng)面和坡體內(nèi)部多個(gè)層面的剪切滑動(dòng)，且沿著主滑動(dòng)面的蠕滑變形量要遠(yuǎn)大于沿坡體內(nèi)部的層面滑蠕量，是坡體變形的控制性蠕滑面。隨著坡體變形的加劇，下部坡體開(kāi)始產(chǎn)生復(fù)雜的變形破裂：首先，是近坡體表面的巖塊產(chǎn)生松動(dòng)，小規(guī)模掉塊，內(nèi)部局部架空；然后，在底滑面上，由于上部坡體的擠推作用，開(kāi)始產(chǎn)生層間擴(kuò)容，并頂托上覆巖體產(chǎn)生彎曲變形。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，這種擴(kuò)容與彎曲現(xiàn)象愈加劇烈，擴(kuò)容區(qū)開(kāi)始累進(jìn)性向坡體下部延伸，至35時(shí)間單位，這一擴(kuò)容區(qū)累進(jìn)性貫穿坡面，坡體開(kāi)始大規(guī)?；?。伴隨坡體下部滑動(dòng)面的累進(jìn)性貫穿過(guò)程，上部坡體的變形也表現(xiàn)出局部沿陡傾角結(jié)構(gòu)面的拉開(kāi)，形成張裂帶以及坡體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈松動(dòng)，表層塊體下滑等變形破壞現(xiàn)象。模擬結(jié)果清晰地顯示了坡體下部滑動(dòng)面的累進(jìn)性貫穿過(guò)程，以及擴(kuò)展的位置和路徑。

可以根據(jù)模擬結(jié)果，將坡體變形破壞過(guò)程與變形歷時(shí)大致對(duì)應(yīng)劃分如下：

a.輕微變形階段 0～17時(shí)間單位

b.滑動(dòng)面貫穿階段 17～35時(shí)間單位

c.坡體滑出階段 ＞35時(shí)間單位

3 按設(shè)計(jì)方案施工后數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立及物理力學(xué)參數(shù)選取

數(shù)值模擬是獲得邊坡演化、開(kāi)挖及支護(hù)防護(hù)后直觀整體應(yīng)力、應(yīng)變的依據(jù)，有助于邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定性的判斷［3，4］。本次計(jì)算選用代表性地質(zhì)剖面，綜合考慮邊坡巖性組合及巖體結(jié)構(gòu)特征等因素，對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行概化，建立的模型見(jiàn)圖7。由于坡體的變形和破壞主要發(fā)生在淺部，構(gòu)造應(yīng)力在長(zhǎng)期的地質(zhì)過(guò)程中已基本釋放完畢，因此模型邊界未考慮水平應(yīng)力作用，僅考慮自重應(yīng)力的作用。模型兩側(cè)邊界作x方向約束，底部邊界作y方向約束，開(kāi)挖面為自由面，塊體采用 mohrcoulomb本構(gòu)模型，接觸面采用庫(kù)侖滑動(dòng)模型，考慮一組節(jié)理，一組與X軸正方向呈60°角，間距3 m。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，邊坡計(jì)算選取的各巖土力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖7 支護(hù)后邊坡計(jì)算模型Fig.7 Calculation model after the slope is supported

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of calculation model

3.2 設(shè)計(jì)支護(hù)后的數(shù)值模擬分析

設(shè)計(jì)支護(hù)后邊坡位移見(jiàn)圖8。由圖8可看出，邊坡整體位移較小，最大值為1.72cm，集中在坡腳。邊坡開(kāi)挖完成后坡面水平位移為2～8 mm，坡腳水平位移為1.6cm，坡面垂直位移為1.0mm，坡腳垂直位移為3.0mm。支護(hù)后邊坡變形得到了較好的控制，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 支護(hù)后邊坡位移云圖Fig.8 Displacement after the slope is supported

4 施工時(shí)的監(jiān)測(cè)信息反饋

圖9 測(cè)斜管1深度點(diǎn)位移－時(shí)程圖Fig.9 Displacement－time graph for test tube one

圖9為測(cè)斜管1深度點(diǎn)位移－時(shí)程曲線，根據(jù)深部位移監(jiān)測(cè)及地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋，位移－時(shí)程曲線劃分為5個(gè)階段：第一階段，邊坡開(kāi)挖后78d內(nèi)呈等速蠕變，變形緩慢平緩；第二階段，78～84 d呈加速蠕變，這是因?yàn)橛昙窘涤耆霛B形成基巖裂隙水，加速了巖體的變形；第三階段，84～99d內(nèi)，通過(guò)削去第一臺(tái)階變形體后變形減小；第四階段，99～183d內(nèi)，由于第二臺(tái)階的開(kāi)挖邊坡又呈等速蠕變；第五階段，183d以后，通過(guò)再削去第二臺(tái)階，并用擋土墻、錨索支護(hù)后，位移開(kāi)始逐漸收斂并趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論

a.邊坡為順層極軟巖邊坡，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)受構(gòu)造作用控制，空間上差異較大，為邊坡的失穩(wěn)提供了邊界條件。

b.邊坡處于滑移彎曲變形最后階段，邊坡順層巖體沿層面發(fā)生滑移拉裂變形。變形的前2個(gè)階段，邊坡在層狀巖體彎曲產(chǎn)生的推力作用下產(chǎn)生較大變形，嚴(yán)重?cái)D壓褶皺，彎曲部位巖體逐漸破壞并形成貫通的剪切滑動(dòng)面，彎曲部位巖體被剝蝕或開(kāi)挖，坡腳阻力減小，彎曲部位巖體中滑移切出面與碎裂巖體內(nèi)剪切滑動(dòng)面貫通，坡體整體失穩(wěn)。

c.對(duì)同類邊坡的設(shè)計(jì)施工過(guò)程中，邊坡監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，信息化施工”方式，有利于確保邊坡的穩(wěn)定。

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