凝灰岩高边坡二次开挖稳定性分析及防护技术优化

冯忠居，江 冠，王富春，龙厚胜，范 哲，胡铁刚

(1.长安大学 公路学院，西安 710064；2.齐鲁交通发展集团有限公司，济南 250101；3.广东省高速公路有限公司，广州 510199)

1 研究背景

边坡二次开挖引起岩体应力重分布，导致岩体既有应力场改变，岩体裂隙的进一步发育和扩展。凝灰岩未遇水时具有较高强度，但遇水后，其耐崩解能力下降、膨胀显著，强度大幅降低。此外，凝灰岩裂隙发育，其应力状态显著影响渗透性。基于上述原因，在强降雨、二次开挖扰动等因素作用下，凝灰岩高边坡更容易发生错落、坍塌等工程病害，导致重大生命财产损失[1-5]。

凝灰岩作为一种特殊软岩所产生的工程问题很多，学者对其物理力学特性进行了大量研究。刘洪磊等[6]通过三轴试验对凝灰岩在变参数条件的全应力-应变过程渗透性进行了对比试验，研究了凝灰岩变形、破坏过程中渗透性演化规律。蒋志明等[7]通过室内试验研究了澜沧铅矿凝灰岩的崩解性能、崩解率与时间、质量的关系等。关于岩质高边坡开挖失稳机理、稳定性分析学者亦有研究，谭积青[8]利用ANSYS有限元软件与FLAC3D软件，模拟了广西某高速公路改扩建边坡工程中二次开挖对既有边坡的影响，包括安全系数、应力、位移场的变化规律。井俊磊等[9]采用FLAC3D软件研究在不同开挖速率下，岩体卸荷变化条件下开挖边坡的应力-应变特征。徐则民[10]以边坡失稳的普遍机制为基础，研究了边坡岩体的应力环境变迁、表生环境下边坡岩体的演化过程及岩质边坡加固方案优化问题。戚国庆等[11]在极限平衡理论和非饱和土抗剪强度理论基础上，利用有限单元法研究了降雨条件下岩质边坡稳定性，指出岩体边坡的稳定安全系数随着雨水的不断渗入逐渐降低，即降雨入渗对边坡的稳定具有不利影响。

目前国内外关于凝灰岩高边坡失稳机理、防护技术研究较少，且二次开挖扰动下凝灰岩高边坡的稳定性分析更具有特殊性。本文依托惠深(惠州—深圳)高速公路惠州段加宽改扩建项目，选取新圩互通A匝道AK0+000—400(左幅)凝灰岩高边坡作为典型边坡，根据数值模拟方法评价了二次开挖过程中凝灰岩高边坡的稳定性，通过现场位移及支护结构应力联合的监控方法验证了所采取防护技术的合理性，最后提出了“素混凝土护壁+锚杆格梁”加固方案及适用于凝灰岩高边坡二次开挖过程中的工程建议。

2 工程概况

惠深高速公路北起于惠州古塘坳，南止于惠州与深圳的交界处，是连接惠州与深圳的南北快速干线，也是广东省高速路公路网络规划中“纵三线”的重要一环。为提升道路服务质量，满足日益增长的交通增长量需求，进行了惠深高速公路惠州段加宽改扩建。改扩建后道路为双向六车道，设计速度达100 km/h。惠深高速公路地理位置见图1。

图1 惠深高速公路地理位置Fig.1 Geographical location of Huizhou-Shenzhen Expressway

2.1 工程地质概况

2.1.1 地形、地貌、水文

新圩互通A匝道AK0+000—400(左幅)高边坡位于低缓丘陵区，地形起伏较大，坡顶植被发育，主要为灌木及草本植物，未见断裂构造。区内气候温和，降雨量充沛，地下水类型主要为基岩裂隙水；雨季，大气降雨形成的地表径流对边坡冲刷影响较大。

2.1.2 地层岩性

该边坡主要由坡积粉质黏土、侏罗纪系凝灰岩(见图2)及其风化层组成，边坡地质剖面图见图3。

图2 现场钻孔岩芯Fig.2 Drill core on site

图3 高边坡设计变更及地质剖面示意图Fig.3 Geological profile of high slope

具体岩性如下：

(1)坡积土(Qdl)。粉质黏土：褐黄色-棕黄色，稍湿，可塑，以粉粒、黏粒为主，多含细砂、粗砂。

(2)全风化凝灰岩(J2)。褐黄色、灰紫色，呈坚硬土状，由黏粒、粉粒组成，局部夹强风化碎块，浸水易软化。

(3)强风化凝灰岩(J2)。褐黄色、褐紫色、灰黄色等，母岩组织结构基本破坏，岩芯呈半岩半土状，次为岩块状，岩质软，手折可断，浸水易软化、崩解。

(4)中风化凝灰岩(J2)。褐黄色、灰白色等，凝灰质结构、块状结构，岩质坚硬，敲击声脆，裂隙较发育，裂隙面呈铁锈色，岩芯多呈块状，次为短柱状，节长5～15 cm。

(5)微风化凝灰岩(J2)。灰色，凝灰质结构，块状构造，岩质较坚硬，敲击声脆，岩芯破碎，呈块状，少量呈短柱状，节长5～50 cm。

2.2 边坡设计方案

新圩互通A匝道AK0+000—400(左幅)高边坡于2014年11月7日开始施工，12月28日完成三级边坡开挖，边坡坡面发生裂隙。2015年1月受强降雨的影响，高边坡三级边坡中部初次发生溜坍病害(见图4(a))，并牵引四、五级坡表土体，于2015年5月形成跨越三、四、五级边坡的溜坍带如图4(b)所示。根据病害发展状况提出了变更方案，放缓边坡坡率，将二级平台由10 m加宽为15 m，并在三级边坡采取支护方式，高边坡初始设计方案及变更方案见表1。变更施工后，受强降雨影响，2016年1月三级边坡中部再次发生溜坍病害，施工期间病害见图4(c)。

图4 边坡病害现场Fig.4 Slope cracks and slippery collapse

表1 高边坡原始设计方案及变更方案Table 1 Original scheme and changed design scheme of high slope

针对现场病害情况，支护方式由“锚杆格梁+绿化”改为“锚杆格梁+素混凝土护壁”，同时修筑急流槽、排水沟等防水设施，变更防护措施现场示意图见图5。

图5 三级边坡变更防护措施(2016年7月)Fig.5 Changed protection measures for grade-3 slope (July 2016)

3 凝灰岩高边坡失稳机理反演

利用有限元软件对初始设计开挖、二次变更开挖、变更加固完成3种阶段进行数值模拟，确定不同状态下凝灰岩高边坡的安全系数及最危险滑动面，评价加固前后凝灰岩高边坡的稳定性。

3.1 模型建立及参数选取

3.1.1 模型建立

结合地勘资料及现场实际情况，应考虑暴雨或连续降雨状态，不考虑地震荷载的影响，分别建立处于不同施工阶段下凝灰岩高边坡的二维有限元模型，并考虑天然工况及暴雨工况下凝灰岩高边坡的稳定性差异。依据《公路路基设计规范》[12]，按照高速公路等级选取安全系数为1.20，评价标准为：安全系数<1.0为不稳定状态，在1.0～1.15之间为欠稳定状态，在1.15～1.20之间为基本稳定状态，>1.20为稳定状态。

3.1.2 边界条件设置

静力边坡边界条件设置如下：边坡模型侧边固定，边坡坡面方向自由，模型施加的荷载为自重力。

渗流边界条件设置如下：降雨边界为各自不同施工阶段开挖边坡后的坡面，降雨采用节点流量设置，降雨强度依据惠深地区气象资料拟定300 mm/d。

3.1.3 土-水特征曲线设置

依据地勘资料中岩土体参数，结合与本工程岩性相近的边坡工程选其土-水特征曲线[13-14]。

3.1.4 参数选取

锚杆采用HRB335的Φ28 mm钢筋，弹性模量取200 GPa，重度为76 kN/m3；锚杆长12 m，倾角为20°；锚杆格构梁间距为4排×3 m，采用C25混凝土。岩土体物理力学参数取值见表2。

表2 岩土体物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of rock and soil

3.2 数值模拟成果及分析

土体采用摩尔-库伦本构模型，几何尺寸如图3所示，划分网格后的二维有限元模型见图6。处于天然工况及暴雨工况下各施工阶段下高边坡的安全系数见图7。

图6 变更加固完成阶段模型Fig.6 Slope model of reinforcement completion stage

图7 不同工况下高边坡安全系数对比Fig.7 Safety factor under different conditions

由图7可知，天然工况下，3种施工阶段的安全系数分别为1.20、1.25、1.35，高边坡均处于稳定状态；暴雨工况下，高边坡安全系数下降明显，分别为1.05、1.07、1.23，前2种施工阶段下高边坡均处于欠稳定状态。暴雨工况下，各施工阶段下的位移云图见图8。

由图8可以看出，初始设计开挖状态下，最危动面位置位于三级边坡中部及四级边坡下部；二次变更开挖状态下，最危险滑动面位置位于三级边坡中下部，应力集中较明显，需采取加固措施。

图8 各施工阶段下的位移云图Fig.8 Contours of displacement in different construction phases

变更加固完成状态，暴雨工况下，高边坡安全系数达到1.23，高边坡处于稳定状态。最危险滑动面位置位于四级边坡、五级边坡处。三级边坡采取“素混凝土护壁+锚杆格梁”的加固措施，开挖完成后，三级坡平台位移仅由12 mm增加到13 mm，加固效果较为显著。

天然工况与暴雨工况下，高边坡各施工阶段的安全系数差异分别为0.15、0.18、0.12，可见遇水前后凝灰岩高边坡稳定性变化幅度较大。

4 现场监控成果分析

4.1 现场测试方案

新圩互通A匝AK0+000—400(左幅)高边坡监测包含坡面水平位移监测、锚杆荷载监测。因位移观测周期较长(2014-12-27—2017-03-18)，以及施工过程中对监测点位的扰动、破坏，对该高边坡坡面的位移监测分为5个监测阶段，各监测阶段监测点布设如图9所示。2016年3月10日开始锚杆荷载监测。该高边坡共布设22根监测锚杆，其中四级边坡设有8根，三级边坡设有10根，二级边坡布设4根，每根锚杆安设2个钢筋应力计，锚杆设计抗拔力90 kN，预警阈值72 kN，布设方案如图10所示。

图9 不同监测阶段的监测点布设Fig.9 Layout of monitoring points at each monitoring stage

图10 边坡支护锚杆监测点布设立面示意图Fig.10 Elevation view of anchor monitoring points

4.2 边坡位移监测成果分析

本文选取了5个监测阶段布设于三—五级边坡溜坍区及附近的水平位移监测点，监测曲线如图11所示，结合监测数据，对监测期间溜坍区病害的发展状况进行了分析。

由图11(a)可知，第1阶段监测期间(2014-12-27—2015-03-25)，各监测点的周期内水平位移为2～4 mm，增长速率为0.2 mm/d，均小于规范周期内最大值2 mm/d。但2015年1月后，各典型监测点的位移量增长较大，增速较快。这主要是因为三级坡岩性为强风化凝灰岩，岩体裂隙发育，三级边坡开挖后，卸荷岩体裂隙发育进一步扩展，四级边坡未能及时加固致裂缝逐渐发展所致。

由图11(b)可知，第2阶段监测期间(2015-04-05—2015-09-27)，三级边坡中部(AZK0-9、AZK0-10测点)位移涨幅较大。2015年5月13日，该两点由于三级边坡坡体溜坍遭到破坏，坡顶(AZK-02)及四级平台中部(AZK-06)位移增长幅度较大，增长速率快。这是由于在三级坡体溜坍的牵引作用下，四级、五级边坡中部也产生了溜坍病害，形成了贯穿三—五级边坡的浅层溜坍区。

图11 不同监测阶段的监测点水平位移-时间曲线Fig.11 Time-history curves of horizontal displacement at different monitoring phases

由图11(c)可知，第3阶段监测期间(2015-12-07—2015-12-26)，2015年12月10日后，各监测点的位移量及位移速率明显大于第1、第2监测阶段。其中，四级平台(AZK-07、AZK-08)水平位移速率达0.82 mm/d。这是因为高边坡正在进行变更施工扰动，四级、五级边坡的应力重分布尚未完成，处于变形协调阶段。此外，三级边坡的变更开挖施工扰动对四级边坡稳定性的影响较为显著。

由图11(d)可知，第4阶段监测期间(2015-12-27—2016-04-28)，2016年1月，降雨频繁，由于未及时进行支护，三级边坡中部发生二次溜坍病害，三级平台遭到局部破坏。四级平台(AZK-08)最大位移速率达0.2 mm/d，坡顶位移速率达0.31 mm/d，表明三级坡体的局部溜坍病害对刚刚完成变更开挖的四级、五级边坡具有明显的牵引作用。如不及时处治，溜坍病害很可能再度发展为贯通区浅层滑坡。结合数值模拟结果，二次变更开挖后边坡安全系数有小幅提升，与监测数据反映的边坡变形趋势一致，说明变更施工产生了一定的效果。然而，暴雨工况下边坡安全系数<1.2，仍处于欠稳定状态，三级边坡坡顶及四级边坡坡体仍存在一定的安全隐患。

由图11(e)可知，第5阶段监测期间(2016-05-12—2017-03-18)，该阶段各典型监测点累计位移小于第3、第4监测阶段，四级平台(AZK-04)累计水平位移为8.5 mm，三级平台(AZK-011)累计水平位移为2.0 mm。且监测期间，高边坡虽经历数次强降雨，各典型监测点均未出现明显的位移，一个监测周期最大水平速率为0.28 mm/d，整个监测期间的水平位移平均速率仅为0.02 mm/d，可见高边坡变形协调状态逐步趋于稳定。主要是由于2016年7月完成三级边坡“素混凝土护壁+锚杆格梁”变更加固施工，同时修筑了急流槽、排水沟等排水设施。结合数值模拟结果，变更加固完成后，边坡暴雨工况下安全系数超过1.2，边坡已处于稳定状态。三级边坡稳定性明显提升，此时边坡最危险滑动面移动至坡率较缓的四级边坡及五级边坡，可见边坡再次发生溜坍病害的可能性很小，这与监测数据反映的边坡变形趋势一致。

4.3 锚杆荷载监测成果分析

2016年3月，四级边坡变更加固完成，布设于四级边坡的监测锚杆共有8根，编号为M-1—M-8。2016年7月，三级边坡完成变更加固施工。素混凝土护壁加固区布设4根监测锚杆，编号为M-15—M-18。每根监测锚杆安设2个应力计。以M-1锚杆为例，M-1A应力计位于近坡面处，M-1B应力计位于坡体内部。选取典型四级坡监测锚杆(M-3、M-4、M-5、M-6)及素混凝土护壁加固区锚杆(M-15、M-16、M-17、M-18)，分析应力变化规律，判断坡体表面及内部变形趋势，典型监测锚杆轴力变化曲线见图12。

图12 三级、四级边坡典型监测锚杆轴力变化曲线Fig.12 Variation curves of anchor stress of grade-3 and grade-4 slopes

由图12(a)可知：四级边坡(溜坍区上部区域)的监测锚杆荷载值均未达到预警阈值(72 kN)，可见四级边坡经变更加固后，边坡处于稳定状态。

由图12(b)可知：三级坡加固后，布设于三级边坡素砼护壁区域的上排、下排锚杆应力值差距较大。其中，下排锚杆M-16A和M-18A应力计荷载值一直增长，最大荷载值分别达到69.1、66.6 kN。可见，该高边坡采取：“素混凝土护壁+锚杆格梁”支护措施后，高边坡临坡面处仍存在较大下滑力，且应力集中区域在三级边坡坡脚处；应力集中区域荷载值均未达到预警阀值，且期间历经多次强降雨均无大幅变化，表明三级边坡采取的加固措施效果较显著，该边坡变形协调趋于完成。

综合分析位移监测数据及支护结构轴力监测数据可知：由于连续强降雨、支护不及时，该高边坡稳定性差，三级边坡(全风化、强风化凝灰岩区域)发生多次溜坍病害，并牵引四级、五级边坡引发浅层滑坡；采取“素混凝土护壁+锚杆格梁”的防护措施，并加强排水设施建设后，该高边坡三级边坡逐步趋于稳定，变形协调趋于完成。

5 防护技术优化结果分析

为评价在三级坡进行“素混凝土+锚杆”加固后边坡稳定性，为后期凝灰岩边坡施工支护技术提供优化。各施工阶段下四级坡坡顶水平位移在数值模拟与现场监测成果对比如图13所示。

图13 四级坡坡顶水平位移数值模拟与现场测试成果对比曲线Fig.13 Comparison of horizontal displacement at the crest of grade-4 slope between numerical simulation and site test

由图13可知，四级坡在进行加固完成后，边坡的变形基本趋于稳定，表明加固效果良好，数值模拟结果趋势与现场实测基本保持一致。在变更开挖阶段中，降雨工况的水平位移值最显著。

综上，开挖卸荷扰动、降雨等因素决定了凝灰岩高边坡的破坏特征，其开挖扰动带、支护结构选择关系岩质高边坡的边坡稳定性，采取合理的防护技术可显著改善边坡塑性区分布特性[15-18]。结合新圩互通A匝道AK0+000—400(左幅)高边坡工程实际，对凝灰岩高边坡施工提出优化建议：

(1)施工中，应优化施工工序，“开挖一级，支护一级”，最大限度地防止由于凝灰岩强度降低而引发的工程病害。若坡面再次出现局部溜坍病害，应迅速清理溜滑物并采取浆砌块石支护；若边坡施工中出现大范围的坡体开裂或变形过大时，及时放坡，必要时采用锚杆格构梁进行加固。

(2)由于凝灰岩遇水会软化、崩解，因而在降雨频繁，雨量充沛的地区，防水工作就成为了凝灰岩高边坡施工中的重中之重。如果排水系统不完善，边坡积水因无法排出而渗入岩体，坡体由于强度不足易产生病害。二次变更开挖状态，新开挖的三级边坡尚未加固便经历强降雨，由于缺少急流槽等设施，排水不及时，三级坡体再次产生局部溜坍病害。针对此情况，可在坡面铺设防雨布作为临时防水措施，并根据现场实际情况进行动态设计，及时修筑截、排水沟等排水设施以防止坡面坡体积水。且广东地区夏季日照强烈，可在边坡表面种植品种优良的植被，其既能有效抵御暴晒，又能起到固土的效果[19-20]，削弱雨水对边坡的冲刷侵蚀效果。

6 结 论

(1)凝灰岩高边坡2次产生溜坍病害的成因为：三级边坡至五级边坡的初次浅层溜坍区，由于边坡开挖卸荷，坡顶产生裂缝未加固处理，降雨入渗至裂隙，致使裂缝逐渐贯通形成浅层溜坍带；受强降雨、未及时支护等因素影响，边坡发生二次溜塌。凝灰岩边坡开挖卸荷产生的裂缝是发生溜塌病害的基础，降雨为诱因。

(2)凝灰岩遇水前后的岩体强度差异较大，在强降雨后凝灰岩边坡的安全系数会降低。采取“素混凝土护壁+锚杆格梁”方式完成三级边坡的加固防护后，数值分析正常工况下安全系数达到1.32，暴雨工况下安全系数为1.25。

(3)现场四级坡坡顶水平测点位移经历加速变形、协调变形，最后趋于变形稳定，且加固完成后锚杆应力在预警阈值内无明显波动，边坡加固效果显著。

(4)凝灰岩高边坡施工优化建议为：边坡开挖过程中做到随挖随支，并针对边坡的实际情况进行动态设计，加强现场观测及时反馈信息，坡体出现裂缝应采取相应的工程治理措施，并注重防排水设施建设，防止水与凝灰岩岩体长时间接触。