黄土高边坡施工过程变形特性分析

温 军

（山西交通科学研究院集团有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

随着我国交通建设的迅猛发展，越来越多的公路和铁路建设在黄土高原地区，而黄土地区特有的塬、梁、峁地形条件，使得黄土高边坡开挖的变形及稳定性问题得到了众多学者的广泛关注。

文献[1]采用FLAC3D对不同开挖级数和开挖深度工况下边坡稳定性和变形进行了数值模拟，但分析工况与黄土边坡每级平台的实际开挖高度相差较大。文献[2]通过有限元强度折减法对边坡施工工序进行数值分析，得出的结论表明：边坡施工开挖一级支护一级对边坡的稳定性最好。文献[3]采用数值和监测相结合的手段，对比了天然、开挖未支护及支护加固3种工况对高边坡稳定性的影响。

边坡在设计阶段主要是以安全系数作为评价边坡稳定性的主要指标。在工程实践中，对高边坡要求进行施工监测来保证施工安全，另一方面反馈并优化设计参数。边坡变形监测是对边坡施工过程的动态稳定性最直观的反映[4-8]。但变形监测是以边坡变形量为指标，以安全系数为指标的稳定性评价体系对边坡监测方案的制定以及监测数据的分析的指导意义存在缺陷。因此，对边坡施工过程的动态变形进行分析和研究，可为边坡实体工程施工过程监测提供指导，对公路边坡的设计、施工和运营维护均具有一定的理论和实践意义。

本文依托高速公路黄土高边坡典型断面为研究对象，采用GEO/SIGMA有限元软件，对黄土高边坡的开挖全过程进行非线性施工阶段分析，探究施工影响下黄土高边坡的位移响应特征。

1 工程概况

研究对象为祁离高速黄土高边坡段落，里程K88+010—K89+800，该段地处黄土中低山区梁茆地貌，地形起伏较大，坡体自然坡角最大约为40°。

根据地质勘察和调绘成果，边坡范围内未发现有影响场地稳定性的不良地质存在，挖方范围内以粉土、粉质黏土为主，为土质高边坡。边坡土体由上至下依此为第四系上更新统粉土、中更新统离石组粉质黏土、粉土。

边坡按8 m分级，坡度分别为：第一级和第二级边坡坡度为1∶0.75，第三级至第六级边坡坡度为1∶1。平台宽窄交替设置，宽平台16 m，窄平台4 m。施工采取逐级开挖、逐级防护方式。

2 模型建立

根据边坡工程的实际状况，采用GEO/STUDIO中对SIGMA模块进行建模分析，边坡的计算模型如图1所示。该段边坡典型断面，坡高约70 m。计算模型长310 m，高120 m。水平为x方向，坡体临空面为x正方向；竖向为y方向，向上为正方向。坡体地层根据地勘资料划分，材料参数根据地勘资料结合相关文献进行选取，模型各项材料参数见表1。

表1 材料参数表

约束条件：模型的表面为自由边界，底部为固定边界条件，两侧为法向位移约束边界条件。

图1所示为边坡的2D模型网格划分，网格横向跨度为310 m，竖向为120 m。右侧为边坡临空面。

图1 模型网格划分

数值分析时，首先进行初始地应力平衡，位移清零。然后开始进行开挖，从坡顶到坡脚逐一进行台阶开挖。共分为6个台阶。计算工况如表2所示。

表2 计算工况表

在每级平台选取一特征点，该特征点位置一般为施工监测时所选取的监测点位置，通过对边坡开挖全过程各监测点位移变化规律的模拟分析，同时还可为高边坡施工过程监测方案的制定和变形监测数据的分析提供理论指导。

3 数值模拟结果分析

通过对黄土高边坡的开挖全过程进行模拟，得到位移场、应力场分布规律。

3.1 开挖过程位移场分布规律

如图2所示为开挖完第6台阶后，坡体竖向位移等值线图。

图2 第6台阶开挖坡体竖向位移等值线图

由图2可知，第6台阶开挖后，应力释放，该平台地表发生了隆起现象，第6级坡面发生向临空面侧向位移，量值很小，约6 mm，该量值影响范围已扩散到第4台阶。垂直深度约24 m。

如图3所示为开挖完第3台阶后，坡体竖向位移等值线图。

图3 第3台阶开挖坡体竖向位移等值线图

由图3可知，随着开挖临空面的增大，平台地表隆起位移极值增加到3 cm，竖向位移量值以第3级平台中心为圆心，呈圆弧状向四周扩散衰减。

如图4所示为开挖完最后一个台阶，坡体竖向位移等值线图。

图4 第1台阶开挖坡体竖向位移等值线图

由图4可知，边坡开挖完成后，除第1平台发生了1.2 cm的地表隆起外；第2级～第3级坡面为水平向临空面位移，约2.7 cm和3.4 cm；第4级～第6级坡面为沿坡面斜向下位移，约2.2 cm。

3.2 开挖过程特征点位移分析

如图5所示为开挖过程中坡体各特征点位移变化曲线。

从图5a可看出，开挖前4个平台，各特征点水平位移变化不大，差异也较小，量值在10 mm以内波动。第5平台开挖完毕后，水平位移增幅较大，增幅最大为平台3，从-7 mm增大到41 mm。增幅最小为坡顶和平台1，分别从-4 mm和3 mm增大到6 mm。第6平台开挖完毕后，除平台1和平台3有减小外，其余均为增大，但增幅有所回落。

从图5b可看出，竖向变形均为先向上隆起而后向下沉降。变形方向转折点基本发生在开挖本级平台。沉降值最大点为坡顶，最大值发生在边坡开挖完成后。隆起值最大点为平台3，发生在开挖第3平台后，第2平台和第1平台特征点极值也发生在该工况。第4和第5平台隆起极值均发生在开挖本级平台。

图5 坡体各特征点位移变化曲线

综述可看出，开挖至第3平台（工况4）时，坡体呈现之前工况不同的变形规律。

3.3 坡体应变分布规律

如图6为各工况最大剪应变等值线图，选取部分代表性工况，其他类似。

图6 各工况坡体最大剪应变等值线图

由图6可看出，各级平台开挖完成后，应变集中在各级平台的坡脚处，且随着开挖向整个坡体坡脚的推进，应变量值增大。

在开挖第3级平台时，除本级平台坡脚范围发生应变集中外，第2级平台顶部未开挖土体也发生了部分应变集中。对比图5中平台3特征点出现的位移突变，分析与该点处应变集中有关，而该点除为两工况分界点外，同时又是两个地层的分界点，可能也与材料属性的突变有关。

4 结论

通过对在建的黄土高边坡施工全过程进行非线性数值分析，得到边坡整体的位移场和应变场响应特征，研究表明：

a）各级平台开挖完成后，应变集中在各级平台的坡脚处，且随着开挖向整个坡体坡脚的推进，应变量值增大。

b）边坡开挖过程中，坡体竖向变形均为先向上隆起而后向下沉降。变形方向转折点基本发生在开挖本级平台。

c）对边坡变形进行分析，除常规整体位移分析外还可结合应变进行局部分析，更有利于找到边坡变形最不利位置。