■丘有貴

（長(zhǎng)汀縣交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督站，龍巖 366300）

福建省以山地、丘陵地形為主，素有“八山一水一分田”之稱，其中，龍巖市山地丘陵占全市總面積高達(dá)94.83%，平均海拔460 m。由于道路展線要求，在山區(qū)多采用開挖山體的方式以保證公路工程的順利進(jìn)行，這就對(duì)山體的平衡狀態(tài)造成了一定的破壞，在施工中以及施工后都會(huì)形成容易失穩(wěn)的深挖路塹邊坡[1-2]。 交通運(yùn)輸部數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)約50%的深挖路塹邊坡存在嚴(yán)重的安全隱患，特別是開挖過(guò)程中未及時(shí)采取支護(hù)加固措施的深挖路塹邊坡，更易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象[3]。 設(shè)計(jì)與施工的脫節(jié)，以及施工工序不盡合理等也經(jīng)常導(dǎo)致開挖邊坡的失穩(wěn)[4]。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖對(duì)深挖路塹邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析方法等做了大量研究[5-9]，并取得了很大進(jìn)展，但對(duì)不同施工工序下施工全過(guò)程的穩(wěn)定性分析較少。本文依托實(shí)際工程，運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)不同施工工序下深挖路塹邊坡施工過(guò)程中穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，研究結(jié)果可為同類工程提供參考。

1 工程概況及地質(zhì)條件

依托國(guó)道319 線長(zhǎng)汀河田至城關(guān)段公路改建工程一期項(xiàng)目， 項(xiàng)目路線位于龍巖市長(zhǎng)汀縣境內(nèi)，地處武夷山脈南段， 屬低山丘陵夾山間盆地地貌，全線無(wú)填土高度大于20 m 的高填路堤， 以深挖路塹居多。其中，K349+870～K350+280 區(qū)間最長(zhǎng)，且最大邊坡高度達(dá)55.1 m（如圖1 所示），取該段典型邊坡為例進(jìn)行計(jì)算分析。 邊坡開挖后形成7 級(jí)邊坡，邊坡坡率依次為：1∶0.75、1∶0.75、1∶1、1∶1、1∶1、1∶1、1∶1.25，邊坡分級(jí)高度為8 m，邊坡平臺(tái)2 m、4 m、2 m、4 m、2 m、2 m。

圖1 原始邊坡及邊坡開挖加固方案圖

場(chǎng)址區(qū)屬剝蝕丘陵區(qū)地貌，為北西質(zhì)南東向山嶺西側(cè)山坡，山坡自然坡度約40°～45°，山頂最大標(biāo)高412.30 m，植被發(fā)育，山坡頂部較平緩，中、下部較陡。據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，主要巖土參數(shù)如表1 所示。

表1 邊坡巖土參數(shù)

2 邊坡防護(hù)加固措施

各級(jí)邊坡防護(hù)加固措施如表2 所示。 其中，第2、3、4 級(jí)邊坡設(shè)置錨索格梁，采用拉力型預(yù)應(yīng)力錨索， 錨索為6 束1×7-A15.24 mm 的無(wú)粘結(jié)鋼絞線，抗拉強(qiáng)度1860 MPa，錨固段長(zhǎng)度12 m，設(shè)計(jì)張拉力600 kN。錨固鉆孔直徑為130 mm，錨桿傾角25°，錨索水平間距3 m，垂直間距3 m，框架梁采用C25 混凝土現(xiàn)澆，縱、橫梁截面尺寸為0.4 m×0.6 m。

表2 各級(jí)邊坡防護(hù)加固措施

3 施工過(guò)程穩(wěn)定性分析

3.1 有限元模型的建立

依據(jù)實(shí)際工程建立三維有限元模型， 如圖2 所示，模型整體尺寸為180 m×50 m×110 m。為降低模型復(fù)雜程度，采用板單元來(lái)簡(jiǎn)化模擬人字形骨架，采用梁?jiǎn)卧M框架梁，并以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿模擬預(yù)應(yīng)力錨索的自由段，以Embedded 樁模擬錨索的錨固段[10]。其它各圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬（噴播植草除外，模型中未予考慮）。 各支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3 所示。

圖2 有限元模型

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

3.2 施工工序

高邊坡工程開挖通常采用機(jī)械配合人工開挖，要求嚴(yán)格按照從上至下逐級(jí)開挖，逐級(jí)加固，并且應(yīng)待上級(jí)邊坡加固完成并產(chǎn)生加固作用再進(jìn)行后續(xù)施工，直至全部工程施工完畢。 但設(shè)計(jì)與施工的脫節(jié)，以及施工工序不盡合理等經(jīng)常導(dǎo)致開挖邊坡的失穩(wěn)。 假設(shè)按以下3 種施工工序進(jìn)行開挖，對(duì)深挖路塹邊坡施工全過(guò)程穩(wěn)定性進(jìn)行分析，探究不同開挖工序下施工過(guò)程中路塹邊坡穩(wěn)定性：（1）直接進(jìn)行開挖，全部開挖完成后再進(jìn)行一次性加固；（2）每開挖一級(jí)按照相應(yīng)防護(hù)措施對(duì)已開挖部分進(jìn)行防護(hù)；（3）開挖與支護(hù)同時(shí)進(jìn)行，主要針對(duì)第2、3、4級(jí)邊坡，每開挖3 m 進(jìn)相應(yīng)部位的錨索支護(hù)。

3.3 結(jié)果分析

邊坡工程穩(wěn)定性分析通常側(cè)重于給出潛在滑動(dòng)面和安全系數(shù)，并不關(guān)注位移矢量，且由于采用有限元強(qiáng)度折減法，其基本原理是構(gòu)建理想的彈塑性模型， 逐漸對(duì)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減并計(jì)算，直至到邊坡達(dá)到破壞臨界狀態(tài)，因此，最終得到的位移量并無(wú)實(shí)際意義。 盡管如此，仍能用來(lái)近似判斷邊坡潛在失穩(wěn)區(qū)域。

3.3.1 潛在滑動(dòng)面

圖3、4 分別為路塹山坡開挖過(guò)程中加固及不加固情況下的潛在滑移范圍。 由于第7 級(jí)、第6 級(jí)邊坡開挖后加固處理方式為噴播植草，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響相對(duì)較小，模擬中未予考慮，故從第5 級(jí)邊坡開挖開始分析。 由圖3 可知，邊坡開挖過(guò)程中未作任何加固處理的情況下，在第4 級(jí)邊坡開挖之前，潛在滑動(dòng)面均發(fā)生在原邊坡表層。 隨著邊坡開挖高度的增加，第4 級(jí)邊坡開挖之后，潛在滑動(dòng)面轉(zhuǎn)移至開挖之后形成的邊坡；并且，隨著邊坡的開挖潛在滑動(dòng)面逐漸擴(kuò)大。 將圖4 與圖3 對(duì)比分析可知，每級(jí)邊坡開挖完成后立即做相應(yīng)邊坡加固處理，可顯著降低邊坡位移量，減小潛在滑動(dòng)面。 尤其采用錨索格梁加固后，路塹邊坡的整體失穩(wěn)得到了有效控制，潛在滑動(dòng)面幾乎消失。

圖3 路塹邊坡開挖過(guò)程（未加固）潛在滑移范圍

圖4 路塹邊坡開挖過(guò)程（加固）潛在滑移范圍

3.3.2 安全系數(shù)

圖5 為路塹邊坡按不同施工工序開挖過(guò)程中邊坡安全系數(shù)變化圖。由圖可知，在第7 級(jí)和第6 級(jí)邊坡開挖過(guò)程中，邊坡安全系數(shù)變化不大；第5 級(jí)邊坡開挖之后， 隨著路塹邊坡高度的持續(xù)增加，不同施工工序下邊坡安全系數(shù)整體均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但在施工過(guò)程中每一次的加固措施會(huì)使安全系數(shù)呈現(xiàn)局部增加的現(xiàn)象。

圖5 不同施工工序下路塹邊坡開挖過(guò)程中安全系數(shù)變化

在第（1）種施工工序下，隨著路塹邊坡的開挖，開挖至第1 級(jí)邊坡時(shí)，邊坡安全系數(shù)降低至最小值0.897，表明邊坡可能已經(jīng)處于失穩(wěn)狀態(tài)。 之后一次性進(jìn)行整體邊坡加固，安全系數(shù)增加至1.263。

在第（2）種施工工序下，由于邊坡每開挖一級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的邊坡支護(hù)，邊坡開挖過(guò)程中安全系數(shù)變化曲線呈現(xiàn)局部波動(dòng)整體下降的趨勢(shì)，開挖至第一級(jí)邊坡時(shí)，安全系數(shù)降至最小值1.176，隨著最后一級(jí)邊坡支護(hù)施工，安全系數(shù)增加至1.324，分別較第（1）種施工工序下增加31.10%和4.83%。

在第（3）種施工工序下，邊坡開挖至具備邊坡支護(hù)條件時(shí)即進(jìn)行相應(yīng)支護(hù)，與第（2）種工況類似，邊坡開挖過(guò)程中安全系數(shù)變化曲線呈現(xiàn)局部波動(dòng)整體下降的趨勢(shì)，但波動(dòng)頻率略有增加，波動(dòng)幅度略有減小。 同樣開挖至第1 級(jí)邊坡時(shí)安全系數(shù)降至最小值1.207，隨著最后一級(jí)邊坡支護(hù)施工，安全系數(shù)后增加至1.364，分別較第（1）種施工工序下增加34.56%和8.00%。

綜合分析可知，雖然邊坡加固方案不變，但不同施工順序?qū)吰路€(wěn)定性存在較大影響。 在深挖路塹工程中， 除了應(yīng)進(jìn)行合理的邊坡加固方案設(shè)計(jì)外，施工過(guò)程中及時(shí)進(jìn)行邊坡加固也是防止工程事故發(fā)生的重要手段。

4 總結(jié)

本文以實(shí)際工程為例， 運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減法，研究了深挖路塹邊坡在不同施工工序下施工全過(guò)程穩(wěn)定性，主要得出以下結(jié)論：（1）深挖路塹邊坡開挖與加固施工交替過(guò)程中， 邊坡安全系數(shù)呈波動(dòng)狀態(tài)，期間隨著邊坡局部的加固安全系數(shù)會(huì)有所增加，但整個(gè)邊坡開挖過(guò)程中安全系數(shù)整體呈降低趨勢(shì)；（2）在邊坡加固方案相同的情況下，邊坡加固時(shí)機(jī)不同，對(duì)邊坡穩(wěn)定性有較大影響。 深挖路塹邊坡開挖過(guò)程中，逐級(jí)開挖逐級(jí)加固和每具備加固方案實(shí)施條件時(shí)及時(shí)進(jìn)行邊坡加固處理，比全部開挖完成后再進(jìn)行加固處理，安全系數(shù)最小值有顯著提高；（3）實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照從上至下逐級(jí)開挖，逐級(jí)加固，并且應(yīng)待上級(jí)邊坡加固完成并產(chǎn)生加固作用再進(jìn)行后續(xù)施工。 為進(jìn)一步提高深挖路塹邊坡施工全過(guò)程邊坡穩(wěn)定性，建議開挖過(guò)程中每具備加固方案實(shí)施條件時(shí)及時(shí)進(jìn)行邊坡加固處理。