坡脚开挖对既有路基边坡稳定性的影响
时间：2023-06-10 19:30:17 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李 冠，卢 浩，钱尼贵
(1.广东广佛肇高速公路有限公司，广东 肇庆 526040；
2. 广东交科检测有限公司，广州 510550；
3. 广东华路交通科技有限公司，广州 510420)
边坡稳定问题在工业和民用建筑、公路、铁路、矿山和水利工程中普遍存在，边坡不稳定引起的滑坡和崩塌往往会造成巨大的生命和财产损失。在众多边坡失稳案例中，其影响因素各有不同，但总体可分为两种，其一为内在因素，其二为外在因素[1-3]。内在因素包括如边坡高度、边坡坡角、岩土体物理力学性能参数等；
外在因素包括人为因素及自然因素等，其中以施工扰动最为常见，也是影响既有边坡稳定的主要因素之一[4-5]。因此，当边坡坡脚位置有建筑物施工时，有必要对其进行稳定性分析，为边坡稳定性的设计和施工提供科学指导。
张华[6]应用现场监测及数值模拟方法，通过对边坡开挖加固过程中的稳定性进行研究，系统地分析了该过程边坡支护结构的受力状态。姚裕春[7]等基于室内离心模型实验及数值分析手段，定量分析了施工工序对边坡稳定性的影响，并指出在超高边坡开挖过程中，应对边坡进行及时支护。但这一领域的研究尚不成熟，关于建筑物施工对于既有路基边坡稳定性的研究成果报道也甚少，现有研究成果[8-10]也未给出一致的结论。
本文在已有研究的基础上，以广佛肇高速公路K91+580～K92+400路段边坡为对象，基于现场监测及数值模拟手段，分析了该路段建筑物基坑施工对既有路基边坡稳定性的影响，并根据分析结果为边坡监测及加固提出相关建议。
1.1 路基边坡
广佛肇高速公路K91+580～K92+400路段位于场区剥蚀丘陵坡地及谷地区，地形右高左低，地面高程为29.7～65.4 m，相对高差约34.7m，自然斜坡上陡下缓，最大坡高约为4.2m，坡率为1∶1.25，路线右侧路堤边坡坡脚紧挨松田学院肇庆校区。受校区建筑物施工影响，路面出现了3段裂缝(广州方向K92+085～K92+172纵向裂缝、广州方向K92+287～K92+380斜向裂缝、广州方向K91+905～K91+958纵向裂缝)，严重威胁公路路基的使用安全。路基边坡全貌及路面裂缝现场如图1和图2所示。
图1 路基边坡现状全貌
图2 各断面裂缝
表1 路面病害
1.2 工程地质条件
根据钻探揭露和现场工程地质调查，场区内地层主要包括四层土层：第一层为人工填筑土，第二层为第四系坡残积层，第三层为强风化粉砂岩，第四层为中风化灰岩。各地层的厚度如图3所示。
图3 工程地质条件
边坡稳定性分析是边坡计算的主要任务，评价边坡稳定性条件和可能的发展趋势，是边坡设计的依据之一。在路基边坡稳定性分析中，常用方法有极限平衡理论法与强度折减有限元法。
2.1 极限平衡理论法
极限平衡理论是经典的定量分析方法，该方法是基于摩尔-库伦强度准则发展而来，通过对边坡作出一系列简化假设，将土体中的超静定问题转化为静定问题，并采用包括但不限于瑞典圆弧法、毕肖普法、Morgenstern-Price法等对边坡进行简化计算。具体过程：首先对边坡坡体进行滑坡趋势判断，并沿滑坡趋势将边坡岩体进行条分，再对条分块体进行平衡方程求解，并以此作为边坡稳定性分析的基础，最后应用边坡分析软件进行分析，得出边坡的稳定性状态。但采用极限平衡理论分析计算式，需要对模型进行滑移面假设，工程实践中，这种方法局限性较大，且只适用于二维模型分析。
2.2 强度折减有限元法
传统的边坡稳定性分析方法为了便于分析计算，做了大量的近似假设，而没有考虑土层内部的应变关系以及挡土结构的作用。因此，传统分析方法不能得到滑动体的应力分布、变形等情况，也不能得到岩土体本身的变形和挡土结构对边坡变形和稳定性的影响。上述缺陷使得传统边坡稳定性分析方法的工程应用范围受限，特别是在大型重要的边坡工程中，传统方法只能作为初步计算和估计依据。采用有限元法克服了传统的分析方法，不仅满足了力的平衡条件，而且还能满足土壤的应力、变形和挡土结构。
本文在坡脚建筑物施工的边坡稳定性分析过程中，采用强度折减有限元法进行分析计算。该方法既能满足工程的实际需求，也可满足静力许可、应变相容条件，且在计算过程中无需假定滑动面，不需进行条分，模型能够自动输出潜在的滑动面，不仅能模拟复杂的地质地层，还不受边坡形状即材料材质的限制，适宜三维边坡稳定性分析。具体的计算过程：
(1)本构模型的选择。边坡稳定性分析中，采用强度折减有限元法计算时，本构模型的选择十分重要。常见的本构模型有：摩尔-库伦模型，剑桥模型以及D-P本构模型等。无论何种本构模型，其适用条件均有所不同，分析计算结果也有所差异。本文在进行边坡稳定性分析时，选择应用最为广泛的修正摩尔-库伦本构模型。
(2)边界条件的计算和确定。采用强度折减有限元法计算时，由于该方法对于岩土边界考虑更多，因此其考虑边界范围大小对结果的影响较极限平衡理论法更敏感。本文根据边坡的实际情况，将模型边界条件设为左右两侧水平约束，下部设为固定。
(3)计算参数的选择。根据平面应变有限元模型，计算单元采用8节点平面单元，需要输入土体岩石内摩擦角、粘聚力、重度、弹性模量、泊松比等5个参数。
(4)模型计算。完成上述步骤后，便可直接进行模型计算。
3.1 数值模型的建立
3.1.1 计算模型
为了解坡脚建筑物开挖施工对既有路基边坡稳定性的影响，以K92+303区段边坡为研究对象，采用有限元分析软件MIDAS GTS NX，通过建立模型，对边坡坡脚建筑物施工开挖进行模拟分析。分析时边坡模型按实际比例进行设置，其中一级边坡坡高8.0 m，二级边坡坡高3.8 m，坡率均为1∶1.25，数值模型最佳尺寸如图4所示。一、二级边坡坡脚至一侧距离约为1.25h，上下边界总高度大于 2h，其中h为坡高，此时计算精度较为理想。根据工程勘察资料及专项补充勘察资料，并参考其他工程经验，模型有限元力学计算参数见表2。
图4 有限元网格单元划分
表2 有限元力学计算参数
3.1.2 计算工况
坡脚建筑物场地开挖施工时，影响路基边坡稳定性的因素主要包含坡脚场地基坑开挖深度和坡脚支护方式等。因此，本文分析时主要考虑了不同开挖深度下及不同基坑支护工况下，坡脚基坑开挖对路基边坡稳定性的影响。结合现场实测数据及坡脚建筑物的实际情况，按表3所示工况进行计算分析。
表3 数值模型计算工况
3.2 模型计算结果分析
3.2.1 不同开挖深度对边坡稳定性的影响
图5(a)～(c)分别为自然状态下、围护桩支护条件下开挖深度为6m、围护桩支护条件下开挖深度为10m的边坡位移云图。由图5可见，随着基坑开挖深度的增加，边坡应力、位移方向逐渐发生改变，坡脚应力及位移也逐渐增大，各工况下求得的安全系数也逐渐发生变化，其中自然状态下边坡安全系数为1.42，最大塑性应变区位于坡脚，未产生危险滑动面。但随着基坑开挖深度的增大，边坡稳定性安全系数逐渐降低，开挖至6m时，边坡稳定性安全系数降低至1.27；
当基坑开挖深度增加至10m时，边坡稳定性安全系数降低至1.09，严重威胁到边坡的安全使用，这与现场病害调查发现在坡脚及坡顶处出现大量裂缝的情况较一致(现场坡脚开挖深度约10m)。
图5 不同开挖深度时边坡应力应变云图
3.2.2 有无锚索加固对边坡稳定性的影响
图6为采用锚索+围护桩加固后开挖深度6m、10m的边坡位移云图。对比分析无锚索加固的工况可以发现，随着基坑开挖深度的增加，锚索+围护桩加固条件下不同开挖深度的边坡应力、位移整体变化趋势一致，各工况下求得的安全系数变化也相近。但不同于只有围护桩支护的工况，当采用锚索+围护桩对基坑进行加固之后，其边坡应力应变发生显著变化，其中采用锚索+围护桩加固的基坑开挖深度为6m状态下边坡安全系数提升至1.45，出现少量塑性区，但未产生危险的滑动面。采用锚索+围护桩加固的基坑开挖深度为10m状态下边坡安全系数提升至1.28，出现部分塑性区。
图6 采用锚索及围护桩加固后边坡应力应变云图
3.2.3 水平位移
为掌握路基边坡的变形情况，路段管养单位在路基边坡的平台位置及路肩位置进行了沉降、表面位移和深层水平位移监测，监测点布设情况如图7所示。
图7 边坡监测布点
以断面K92+303为例，经监测得到的一级平台水平位移曲线如图8所示。从图8可见，在坡脚建筑物场地基坑开挖施工的作用下，路基边坡一级平台发生明显的水平位移，且该位移与深度有关。在一定的深度范围内，当埋深小于7m位置时，深层水平位移较小，随着埋深的加大，土体的深层水平位移随之增大，在埋深为10 m位置处最大位移可达2mm，随后随着埋深的增大位移又逐渐减小直至减小为0。此外，随着时间的增长，一级平台下边坡不同深层水平位移逐渐增长，并在10m深度处可见明显的位移拐点，即此位置附近发生剪切变形。
图8 K92+303一级平台测斜孔水平位移曲线
左路肩深层水平位移曲线如图9所示。从图9可见，左侧路肩深层水平位移变化曲线趋势与一级平台类似，不同的是，左侧路肩最大水平位移发生在埋深为16 m的位置处，此位置附近发生剪切变形。
图9 K92+303路肩测斜孔水平位移曲线
图10为路基边坡坡脚只有围护桩支护工况下基坑开挖深度为10m时的一级平台及左侧路肩的水平位移曲线。由图10可见，数值模型计算水平位移曲线整体趋势与现场实测接近(现场坡脚基坑开挖深度约10m)。但在数值模型计算中，无论是一级平台还是左侧路肩，水平位移均为正值，且最大位移均大于实测水平位移，但整体偏差均在5%以内。由此可见，数值分析计算能够较好地模拟路基边坡坡脚现场开挖施工影响的实际情况。
图10 数值计算水平位移曲线
本文依托广佛肇高速公路路基边坡工程，结合有限元软件MIDAS GTS NX，利用强度折减法及现场监测手段，分析了路基边坡坡脚建筑物不同开挖深度及不同支护工况下边坡的应力场和位移场的变化规律。主要结论：
(1)建筑物场地开挖对毗邻的路基边坡稳定性有显著影响，随着建筑物基坑开挖深度的增加，边坡稳定性逐渐下降，当基坑开挖深度增加至10m时，边坡稳定性下降超过23.24%，可能引发边坡滑塌。
(2)采用锚索+围护桩对坡脚基坑进行组合加固时，能够显著提高边坡的稳定性，降低边坡滑塌的风险概率。
(3)数值计算所得到的只有围护桩支护工况下基坑开挖深度为10m时边坡的深层水平位移变化趋势与现场监测结果基本一致，较好地反映了现场实际工况下边坡的变形发展状况。
(4)边坡坡脚的建筑物场地基坑开挖前，应尽量控制建筑物基坑的开挖深度。对于开挖深度较大的情况下，需要提高基坑开挖支护强度，并进行必要的边坡稳定性验算，保证足够的坡脚基坑支护强度，避免因坡脚开挖引发路基边坡失稳破坏。
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