袁海平， 陳水梅， 朱大勇， 盧坤林， 韓治勇， 王 斌

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221000；3.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009）

0 引 言

巖堆是巖質(zhì)山坡在各種風(fēng)化作用下失穩(wěn)，產(chǎn)生塌滑、剝落，形成大小不一的巖塊、巖屑，在自然力作用下搬運(yùn)、堆積形成的松散堆積體，具有空隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)松散、穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，通常處于臨界狀態(tài)，在自然或人為影響下巖堆易產(chǎn)生崩塌滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，屬于典型的不良工程地質(zhì)現(xiàn)象之一［1］。巖堆不僅對(duì)公路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)安全和道路養(yǎng)護(hù)影響較大，而且會(huì)損壞路面、路基、橋梁、隧道，阻斷交通，甚至?xí)仁狗艞壱殉傻缆返氖褂?。因此，研究山區(qū)高速公路巖堆路段穩(wěn)定性，對(duì)于山區(qū)高速公路建設(shè)具有重要意義。

由于特殊的材料特性，巖堆坡體內(nèi)部空隙發(fā)育，碎裂巖塊產(chǎn)狀紊亂，在強(qiáng)降雨條件下，巖堆體的物理力學(xué)性能出現(xiàn)大幅下降［2］，易于在巖土體內(nèi)部形成大量軟弱面。文獻(xiàn)［3－5］研究了巖堆體的抗剪強(qiáng)度及其變形特性；文獻(xiàn)［6］通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)巖堆破壞模式進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［7］在考慮水巖物理化學(xué)作用的情況下，用所求得的參數(shù)建立了水庫(kù)水位上升時(shí)庫(kù)岸堆積體邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的數(shù)值模型；文獻(xiàn)［8］采用坡面角度、坡面形狀和坡體厚度等研究巖堆的外部結(jié)構(gòu)，采用土石混合比和塊石尺度分布研究巖堆的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)巖堆體結(jié)構(gòu)特征的幾何特征描述指標(biāo)方法；文獻(xiàn)［9］對(duì)巖堆路基在自重及汽車荷載作用下的沉降變形進(jìn)行了模擬，研究了不同組成、不同高度的典型巖堆體的沉降變形規(guī)律；文獻(xiàn)［10］對(duì)崩塌堆積體邊坡的漸進(jìn)性破壞過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬分析；文獻(xiàn)［11］基于參數(shù)相對(duì)敏感性分析方法，采用智能響應(yīng)面法分析了邊坡穩(wěn)定性；文獻(xiàn)［12］提出巖堆路基地段工程處理措施應(yīng)根據(jù)巖堆不同特點(diǎn)和路基通過(guò)的不同方式選用；文獻(xiàn)［13］分析了巖堆體的物理力學(xué)性質(zhì)與其穩(wěn)定性的關(guān)系；文獻(xiàn)［14］通過(guò)離心模型試驗(yàn)研究了巖堆路基沉降變化規(guī)律和影響因素，并提出減小巖堆路基沉降的措施；文獻(xiàn)［15］研究了巖堆發(fā)育特征及其對(duì)高速公路工程建設(shè)的影響；文獻(xiàn)［16］建立了巖堆邊坡危險(xiǎn)性模糊綜合評(píng)價(jià)體系，將滑坡危險(xiǎn)性劃分為5個(gè)等級(jí)；文獻(xiàn)［17］采用有限差分程序FLAC2D的拓展（FlAC3D）對(duì)比分析了抗滑樁、錨桿、降雨等對(duì)某水電站專線公路巖堆邊坡穩(wěn)定性的影響。

目前對(duì)于巖堆的力學(xué)特性、變形破壞機(jī)理、危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等方面已開展了相關(guān)研究，并取得了諸多研究成果，但對(duì)于強(qiáng)降雨條件下的松散巖堆邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題的相關(guān)研究并不多。本文依托國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中的南北縱線G85重慶—昆明高速公路工程，運(yùn)用FlAC3D數(shù)值模擬的方法，模擬松散巖堆路塹邊坡在強(qiáng)降雨條件下的穩(wěn)定性，為巖堆路塹邊坡工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 抗剪強(qiáng)度系數(shù)折減基本原理

抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)（shear strength reduction factor，SSRF）是在外荷載保持不變的情況下，邊坡內(nèi)巖土體所發(fā)揮的最大抗剪強(qiáng)度與外荷載在邊坡內(nèi)所產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力之比，與極限平衡分析中所定義的土坡穩(wěn)定安全系數(shù)在本質(zhì)上是一致的。SSRF考慮了巖土體的本構(gòu)關(guān)系及變形對(duì)應(yīng)力的影響，能夠模擬邊坡破壞過(guò)程及其滑移面形狀、巖土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用效應(yīng)等，因而一直以來(lái)受到學(xué)者廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。

抗剪強(qiáng)度折減是將巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ，用折減系數(shù)Fs進(jìn)行折減計(jì)算，然后用折減后的虛擬抗剪強(qiáng)度指標(biāo)cF和φF，取代原來(lái)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和φ，具體公式如下：

其中，cF為折減后土體虛擬的黏聚力；φF為折減后土體虛擬的內(nèi)摩擦角；τF為折減后的抗剪強(qiáng)度。

2 計(jì)算模型與方案設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

G85重慶—昆明高速公路工程ZK29＋420—ZK29＋520邊坡位于云南省昭通市境內(nèi)，該處巖堆分布范圍廣、厚度大、穩(wěn)定性差。根據(jù)設(shè)計(jì)提供的1∶2 000地形圖、路線縱斷面圖及地質(zhì)勘察資料，該處路線右線為橋梁方案，左線為挖方路基，總長(zhǎng)約80m，巖堆厚度為20～60m。路線從巖堆下部通過(guò)，中線最大挖方深度約4m，位于ZK29＋460處。該路線的橫坡較陡，如果直接采用放坡開挖，左側(cè)將形成約55m高且更陡的邊坡，可能觸發(fā)原有巖堆邊坡失穩(wěn)。

為對(duì)該區(qū)域巖堆邊坡及開挖后的路塹邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，初步設(shè)計(jì)將巖堆路塹邊坡分5級(jí)開挖。在第1級(jí)開挖前，預(yù)先在邊坡頂部施工抗滑樁并加設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索，錨索長(zhǎng)為30m；各級(jí)巖堆開挖后立即施工3根加固錨索，其中前4級(jí)邊坡錨索長(zhǎng)為25m，最后一級(jí)邊坡錨索長(zhǎng)為20m，傾角均為25°，用于邊坡鎖腳。

2.2 模型的建立

根據(jù)計(jì)算精度、計(jì)算機(jī)計(jì)算能力及工程實(shí)際等方面的要求，將ZK29＋460段巖堆路塹邊坡計(jì)算模型范圍確定為x軸取垂直線路走向；考慮到計(jì)算截面在公路走向上變化幅度不大，因此數(shù)值計(jì)算按平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行，y軸取單位厚度；z軸取豎直向上，取路面以下30m位置作為計(jì)算模型z＝0面，地表由路塹邊坡橫斷面圖確定。因此，考慮邊界效應(yīng)后的計(jì)算模型尺寸為169m×1m×148m，ZK29＋460段巖堆路塹邊坡計(jì)算模型如圖1所示，離散后的計(jì)算模型四面體單元數(shù)為14 225個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為4 775個(gè)。計(jì)算模型的邊界效應(yīng)已考慮，故模型兩側(cè)及底部均采用位移約束，地表為自由面；應(yīng)力場(chǎng)由巖體自重引起。

圖1 ZK29＋460段巖堆路塹邊坡計(jì)算模型

2.3 計(jì)算方案的設(shè)計(jì)

ZK29＋460段巖堆路塹邊坡穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算采用FLAC3D分析軟件，該軟件能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形。

為模擬邊坡開挖過(guò)程及工后地震狀態(tài)下的巖堆路塹邊坡穩(wěn)定性情況，根據(jù)各開挖步擬按自然狀態(tài)（8個(gè)工況）、暴雨?duì)顟B(tài)（8個(gè)工況）和地震狀態(tài)（1個(gè)工況）3種情況下分步開挖及工后地震共17種工況進(jìn)行模擬分析，其中路塹開挖按工程設(shè)計(jì)分6步實(shí)施并及時(shí)加固。工后地震按地震與暴雨共同作用的最不利狀態(tài)下模擬，加載地震動(dòng)峰值加速度大致相當(dāng)于地震烈度為7度（峰值加速度0.15g）時(shí)的特定地震波。

2.4 計(jì)算參數(shù)選取

巖堆路塹邊坡暴雨工況下巖體基本力學(xué)參數(shù)見表1所列。根據(jù)文獻(xiàn)［18］和其他邊坡、滑坡規(guī)范，并結(jié)合定性分析和現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)巖堆邊坡進(jìn)行了強(qiáng)度參數(shù)反算，認(rèn)為表1參數(shù)組合是恰當(dāng)?shù)?。巖堆強(qiáng)度參數(shù)反算基于以下4項(xiàng)原則：① 對(duì)于基本穩(wěn)定邊坡，安全系數(shù)應(yīng)取高于1.05～1.10；② 對(duì)于臨滑狀態(tài)的邊坡，取安全系數(shù)為0.95～1.05；③ 對(duì)于欠穩(wěn)定的邊坡，取安全系數(shù)為0.90～0.95；④ 對(duì)于不穩(wěn)定的邊坡，取安全系數(shù)低于0.90。

表1 巖堆路塹邊坡暴雨工況巖體基本力學(xué)參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算方案，對(duì)ZK29＋460段巖堆路塹邊坡在天然狀態(tài)、暴雨?duì)顟B(tài)及地震狀態(tài)下的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。根據(jù)不同工況計(jì)算結(jié)果，分析巖堆體在天然狀態(tài)、暴雨?duì)顟B(tài)、地震狀態(tài)下位移、安全系數(shù)等主要參量變化規(guī)律，為巖堆體路塹邊坡公路開挖巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)與施工、降低生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

3.1 巖堆體變形破壞特征

計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集，位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示，圖2中，工況21～工況26分別表示開挖步exc1到開挖步exc5，及抗滑樁開挖施工與拉錨加固工況。不同安全系數(shù)下各開挖步位移等值云圖如圖3所示。

由圖2、圖3可知，自然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)下各工況巖堆體最危險(xiǎn)位置監(jiān)控點(diǎn)位移與速率具有如下變化特征：

（1）隨著巖堆體各開挖工況的進(jìn)行，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移不斷增大，自然狀態(tài)下最大位移點(diǎn)均發(fā)生在工況15（即exc5）坡頂位置（節(jié)點(diǎn)號(hào)為560，坐標(biāo)x＝139.6，z＝37.73），位移值為1.555mm，此時(shí)安全系數(shù)Fs＝1.519；抗滑樁施工及拉錨加固工況11完成后，安全系數(shù)Fs＝1.275；在隨后的巖堆體開挖時(shí)，安全系數(shù)逐步增大；至工況14（即exc4）時(shí)，F(xiàn)s＝1.566，達(dá)到最高值，此時(shí)最大位移為343節(jié)點(diǎn)的1.35mm，暴雨?duì)顟B(tài)下的Fs＝1.508。自然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)下工后安全系數(shù)分別為1.413和1.361，均在規(guī)范要求的1.25以上，說(shuō)明當(dāng)前設(shè)計(jì)方案能滿足安全要求。

圖2 各工況關(guān)鍵監(jiān)控點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

（2）開挖對(duì)巖堆體變形有較大影響，施工時(shí)應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，實(shí)行分步開挖，每步開挖后應(yīng)盡量做到及時(shí)支護(hù)、加固等處理，最大限度地降低工程對(duì)原有巖堆體的擾動(dòng)。由各開挖步在不同安全系數(shù)下位移特征圖可知，抗滑樁施工至exc2臺(tái)階完成的3個(gè)工況，極限滑動(dòng)面均在開挖坡體以下；從第3臺(tái)階至第5臺(tái)階開挖工況，極限滑動(dòng)面均在抗滑樁以上坡體中。由此可知，巖堆體自然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)下，在無(wú)任何加固措施時(shí)，整體穩(wěn)定性相對(duì)較低（通過(guò)計(jì)算分別為1.230和1.158），抗滑樁和錨索加固作用顯著。

（3）從圖2b可看出，工后7度地震烈度地震7s后，暴雨?duì)顟B(tài)下坡體最大產(chǎn)生了10.954cm的永久位移；不同強(qiáng)度折減系數(shù)下的坡體最大位移變化也較明顯，折減系數(shù)越大，最大位移增量越高，尤其是大于無(wú)地震作用下的安全系數(shù)后，位移變化更為顯著。

圖3 不同折減系數(shù)下各工況位移等值云圖

3.2 錨索力分析

為進(jìn)一步研究錨索加固效果，對(duì)各工況錨索軸力進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖4所示。由ZK29＋460段巖堆路塹邊坡各工況錨索平均軸力計(jì)算結(jié)果可知，工后自然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)錨索分別提供了10 079.02kN和10 079.01kN的錨固力，極大地提高了巖堆坡體的穩(wěn)定性。

各錨索沿深度方向自由端軸力分布均勻，錨固端離坡面越近，錨固力越大，反之則越小。錨索力主要集中在4～10號(hào)錨索上，即第1～第3步坡體開挖對(duì)巖堆體附近邊坡變形影響較大，導(dǎo)致錨索拉力增大，其余錨索相對(duì)作用不明顯，該變化特征與巖堆體分析結(jié)果一致。無(wú)預(yù)應(yīng)力錨索自然與暴雨?duì)顟B(tài)下各開挖步錨索力如圖5所示，由圖5可知，暴雨?duì)顟B(tài)下加劇了坡體的變形，錨索力提升明顯。

圖4 自然狀態(tài)下工后各錨索力沿深度方向分布

圖5 無(wú)預(yù)應(yīng)力錨索不同狀態(tài)下各開挖步錨索力

4 結(jié)束語(yǔ)

在巖堆體上設(shè)置抗滑樁，對(duì)于穩(wěn)定堆積體效果非常明顯，但在挖樁時(shí)非常容易產(chǎn)生塌孔，要設(shè)置足夠厚度的護(hù)壁，還要進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并盡量避免雨季施工，施工前要設(shè)置相應(yīng)的截、排水設(shè)施。

開挖對(duì)巖堆體變形有較大影響，施工時(shí)應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況實(shí)行分步開挖，每步開挖后應(yīng)盡量做到及時(shí)支護(hù)、加固等處理，最大限度地降低工程對(duì)原有巖堆體的擾動(dòng)。巖堆體自然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)下，在無(wú)任何加固措施時(shí)，整體穩(wěn)定性比較低，抗滑樁和錨索加固作用顯著。地震對(duì)巖堆路塹邊坡工程體穩(wěn)定性有較大影響，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐卣饸v史情況考慮地震因素，工程施工過(guò)程中更應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，確保工程在極端環(huán)境下的整體穩(wěn)定性。

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