路堑边坡开挖过程中状态演化数值分析

由于地形起伏多变，公路、铁路建设时需要开展大量填挖施工。这些填挖施工不仅会形成大量的边坡，而且会极大地改变边坡原有的应力状态，可能引发边坡失稳滑塌事故。充分保证边坡的稳定性是工程设计与施工时的基本要求。为此，许多学者和工程技术人员都投入了大量精力开展了相关研究，也提出了很多方法分析、控制边坡的稳定性，但这些方法很少考虑边坡施工过程的影响。现有研究表明，边坡开挖过程中，由于岩体卸荷会使边坡变形出现回弹，回弹量与开挖量成正相关，会在坡顶和靠近开挖区处出现拉应力，层状岩体的软弱夹层处还会出现较大的剪应力，表明在施工过程中边坡应力应变状态会有明显变化。同样支护的类型和施加时间也会对边坡的稳定性产生影响。为进一步了解路堑边坡在施工过程中的稳定性演变规律，以FLAC3D为研究平台建立数值模型，对边坡在施工过程中的稳定性发展规律进行探讨，以期对边坡的施工方案设计提供指导。1 工程背景某高速公路的K 2 459+894~K 2 460+141路段穿山脊而过，表部分布残坡积含砾粉质粘土，紫红色，可塑，土质不均，厚度0.5~1 m，其下为紫红色强风化中厚层状凝灰质粉砂岩夹砂岩，岩体破碎，风化强烈，厚度约2~4 m；下为中风化紫红色中厚层状凝灰质粉砂岩夹砂岩，岩体较完整，局部较破碎，局部节理较发育，裂隙面见方解石细脉。路堑区水文地质条件简单，以基岩裂隙水为主，水量贫乏。边坡设计方案如图1所示。图1 边坡设计方案示意边坡最大开挖高度为42.8 m，分为5级进行开挖与防护，其中第1~4级的坡高为8 m，第5级坡高2.8 m，第1级的设计坡率为1∶0.75，第2~4级边坡的设计坡率1∶1.0，第5级的设计坡率1∶1.25，每级边坡之间设宽2 m的平台。根据地形和地质条件，边坡采用高次团粒防护。2 路堑边坡开挖过程中的稳定性变化规律2.1 模型建立及参数选取根据边坡地质条件和设计方案，采用FLAC3D建立了分析模型。建模时边坡几何形态及内部岩层分布特性等均严格按照地质勘测相关图集资料确定。计算模型的边坡条件为：限制模型底面x、y、z这3个方向的位移，前后左右4个侧面限制其沿法线方向的位移，模型顶面为自由面。岩土层均采用摩尔–库伦模型，力学参数见表1。表1 边坡岩土层的力学参数2.2 原始边坡稳定性分析数值计算时，先对边坡进行自重应力下边坡的初始应力应变场计算，获得其初始状态，再按施工开挖步骤对边坡进行开挖模拟。分析自重应力下边坡的应力应变分布云图可知，在岩土体自重作用下，边坡的竖向应力和水平应力均随深度的增加而增大，且均为压应力，最大值出现在模型的右下方，最大竖向应力和水平应力分别为1.82 MPa和0.74 MPa。自重应力作用下，边坡的竖向最大位移发生在边坡表面及坡顶，水平最大位移主要发生在边坡表面。另外，还可以看到坡体内部存在有较大的水平位移区间，区间范围主要集中在坡脚下方。采用强度折减法对边坡的初始安全系数进行计算，可得边坡的安全系数为8.53。可见边坡开挖前具有很好的稳定性。2.3 边坡开挖过程中的应力应变根据边坡设计方案，边坡的开挖施工可分为以下5个阶段。第1阶段：按开挖设计范围，将模型顶部向下开挖，保证右侧边坡（第五级）坡率1∶1.25，台阶面到坡顶垂直距离为2.8 m。第2阶段：在第5级边坡的基础上，留出宽2 m的平台后，沿设计轮廓线继续向下开挖出第4级边坡，保证右侧边坡坡率为1∶1，向下开挖深度为8 m。第3阶段：按第2阶段相同方法，向下开挖出第3级边坡，控制右侧边坡坡率为1∶1，开挖深度为8 m。第4阶段：在第3阶段开挖基础上，左右边坡各按坡率1∶1向下开挖8 m。第5阶段：在第4阶段开挖基础上，左右边坡各按坡率1∶0.75向下开挖8 m，并按设计要求完成路面构造及边坡全部开挖工作。由边坡开挖过程中的竖向位移云图（图2）可知，当第1阶段（第5级边坡）开挖完成后，边坡的竖向位移较开挖前有所减小，这是由于开挖施工移除了部分岩土体，自重应力出现减小，使边坡产生了少量的回弹变形。随着开挖施工的不断推进，开挖移除的岩土体越来越多，卸荷载作用也越明显，回弹变形量增加，边坡总变形量不断减小，但同时右侧边坡的高度也逐渐增加，变形量逐渐集中在右侧边坡。（a）（b）（c）（d）（e）图2 施工过程中边坡的竖向位移云图（a）第5级边坡开挖；（b）第4级边坡开挖；（c）第3级边坡开挖；（d）第2级边坡开挖；（e）第1级边坡开挖由施工过程中的边坡水平位移云图，对比不同开挖阶段的云图分布可知，当结构性较差的坡体表面碎石土层逐渐被清除后，与开挖过程中边坡竖向位移云图的变化趋势相比，坡面处的水平位移增大趋势更明显，坡体内部岩体的水平位移变化量较小，并且水平位移增加区域主要集中在右边边坡（开挖深度较大一侧）坡脚下方。通过开挖施工过程中边坡的竖向和水平应力分布云图可知，随着岩土体被挖除搬走，卸荷效果不断明显，坡体内部最大竖向应力和水平应力均逐渐减小，由于在开挖过程中坡体的整体稳定性逐渐降低，坡脚下方区域最大水平应力稍有增大。2.4 边坡开挖过程中的安全系数利用强度折强法计算不同开挖阶段时边坡的安全系数，计算结果见表2。表2 边坡开挖过程中的安全系数由表2可以看出，由于原边坡坡度不大，边坡的稳定性良好，第5级边坡开挖后，清除了原边坡中坡度较大的岩层，使边坡的整体坡度降低，边坡的稳定性有所增加，稳定性系数达到10.06。在随后的开挖过程中，边坡的稳定性系数逐渐下降，开挖完成后，边坡的稳定性系数约为2.73。可看到随着边坡施工过程的推进，边坡稳定性按先增加后减小的趋势变化，全部开挖结束后边坡的稳定性最小。但该边坡全部开挖后仍具有较好的稳定性，可不进行支护，仅需要对坡面进行必要的生态防护。3 结束语在路堑施工过程中，边坡的应力应变状态会随开挖深度的增