顺层岩质边坡变形破坏机制及防护方案有限元分析

杨瑞娟，苏晓亮

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081）

随着国家“一带一路”和西部大开发战略的进一步实施，高速公路通车里程不断增多，但不可避免的会遇到大量因工程开挖而形成的高陡深路垫边坡。同时受自然环境和工程要求开挖山体往往无法通过直接放坡来减缓边坡高度和坡体的顺层临空，而是以较高陡的形式进行开挖。针对顺层边坡的破坏特征，运用弹塑性理论和有限元法，建立了顺层岩质路堑边坡稳定性的模拟分析模型[1]，依据强度折减法的思想，将地震荷载特征以及离散元法及顺层岩质边坡的特点结合，提出了一种求解地震荷载作用下顺层岩质边坡安全系数的方法[2]，通过从岩体的力学角度,阐述了岩体结构面的强度特性及其力学效应及影响岩质边坡稳定分析的不平衡推理传递。发现该类边坡的变形破坏模式主要有溃屈破坏[3]、滑移- 拉裂[4]、滑移- 弯曲[5]、剪切滑移[6]。根据顺层边坡的变形破坏特征，以贵州某高速特大桥拱座基坑边坡为例，通过现场调查及室内试验，分析其变形破坏机制，并用有限元对加固防护后的边坡稳定性和防护机理进行全面、科学的评价，可为工程建设的顺利进行和降雨工况下可能的局部加固处理提供合理的依据，同时，也可为同类顺层岩质高边坡加固方案设计提供参考。

1 工程概况

贵州某高速特大桥采用410 m 钢管混凝土拱桥+预应力砼T 梁，横跨V 型观音寺河河谷，遵义岸拱座开挖山体腰部坡体。边坡在开挖临空过程中，发生了沿岩层面蠕滑，山体顶部开裂等情况，为了确保边坡稳定和遵义岸拱座以及23#和24#墩的安全，进行防护工程方案研究。

2 地质概况

2.1 地形、地貌

该特大桥遵义岸坡体北东向为观音寺河，该河谷为典型的“V”形谷，底宽约40～70 m。岸坡整体较陡，自然坡度角在40～50°。桥区大部基岩裸露，植被发育，主要为树林及灌木丛，整个坡体轴线地面高程在953.4～649.6 m 之间，相对高差303.8 m。

2.2 地层岩性

该特大桥拱座区域覆盖层为粘土（Qel+dl），呈黄褐色，可塑状，局部含少量灰岩碎石，厚0～2 m，场区零星分布。基岩为三叠系下统茅草铺组（T1m），薄～中厚层状灰岩夹薄层泥膜、泥质白云岩夹层。根据孔内电视成像资料，灰岩层间泥质薄膜，发育间距为10～50 cm，层厚为0.5～8 mm，吸水后易软化，浅部结合程度差，深部呈闭合状，见图1。

2.3 地质构造与地震

研究区位于扬子准台地黔北台隆遵义断拱毕节北东向构造变形区。基坑第三级台阶位置存在泥质白云岩软弱夹层，岩层强风化层厚度约2～5 m，岩层产状265～267°∠45～48°。发育一组平行于临空面的节理J1，产状为193°∠76°，性质为强风化卸荷裂隙。

2.4 水文地质

研究区属长江流域赤水河水系及其支流。桥梁在里程桩号ZK21+482～K21+522 与观音寺河相交，河宽约20～60 m，深度约0.5～2.0 m，常年径流，测时流量约20～40 L/s，调访最高洪水位653.20 m。

研究区地下水类型为第四系松散土层孔隙裂隙水、基岩裂隙水、碳酸盐岩岩溶水，地下水对混凝土结构具有微腐蚀性。

3 拱座边坡变形破坏特征及破坏机制

根据现场开挖揭露情况，施工便道开挖已形成高约6 m 的薄～中厚层状灰岩顺层边坡，顺层边坡沿岩层面产生蠕滑变形，山体顶部出现裂缝。边坡岩体岩质坚硬，岩层间分布多层泥质薄膜，结合程度差，深部呈闭合状，发育间距为10～50 cm，层厚为0.5～8 mm，吸水后易软化。调查期间，岩层层间一直存在地下水渗出，工程地质条件较差，见图2。

该边坡岩体结构为硬质岩夹多层泥质薄膜和软质岩的陡倾角顺层边坡，工程地质条件较差。边坡在开挖过程中，降雨沿节理裂隙等结构面下渗，不断软化软弱夹层，致使夹层及层间胶结物强度急剧降低。同时，基坑开挖后，导致边坡岩层产生顺层临空，在重力作用下沿软弱层面产生顺层蠕滑变形，坡顶产生拉张裂缝。

综上，边坡工程地质条件差为基础条件，降雨和工程活动是边坡顺层滑移的诱发因素，该边坡变形坏模式为蠕滑- 拉裂型。进一步施工开挖，边坡可能发生大规模沿层面顺层滑移失稳破坏。

4 边坡防护方案的有限元分析

4.1 设计方案

设计方案一为抗滑桩+减载+坡面竖梁锚索、独立锚索防护+左幅24#、右幅23#墩桩基加长的防护形式，具体断面图见图3。

设计方案二为抗滑桩+挡墙+竖梁锚索、独立锚索加固的防护形式，具体断面图见图4。

4.2 计算模型及参数选取

根据边坡的结构特征和物质组成将模型进行概化，边坡模型中覆盖层及基岩、混凝土回填均采用实体单元来模拟，而结构单元中锚索采用植入式桁架，抗滑桩采用梁单元模拟，最不利岩层层面采用接触面来模拟。主要材料的物理力学参数见表1。

表1 材料的物理力学参数

该特大桥属于重要结构物，施工过程中和运营期不仅对结构强度有要求，而且对于变形量控制也有严格规定。考虑到拱座基坑边坡岩体为硬质岩夹泥膜、软质岩结构，在降雨情况下属于极易产生顺层滑坡，故对降雨情况下两种边坡防护方案进行数值模拟研究。

4.3 计算结果分析

（1） 拱座开挖后边坡整体水平位移分布

拱座开挖后两种防护方案下边坡水平位移云图和稳定性系数。当采用方案一作为边坡防护方案预加固时，拱座开挖后坡体整体稳定性系数高于方案二，安全储备更高，而位移相对方案二稍大，潜在滑动带范围深于方案二。方案一抗滑桩桩最大位移位于桩中上部约为4.2 mm，而方案二的抗滑桩最大位移位于桩顶处，约为4.5 mm。

（2） 施工后边坡整体水平位移分布

方案一拱座开挖后坡体整体稳定性系数高于方案二，安全储备更高，坡体整体位移也较方案二小。方案一抗滑桩桩最大位移约为0.9 mm，拱座最大位移约为0.92 mm，影响范围内的桥墩最大水平位移0.3 mm，方案二的抗滑桩最大位移约为4.5 mm，拱座最大位移约为1.4 mm，影响范围内的桥墩最大水平位移0.3 mm。两种方案下抗滑桩、拱座、边坡体最大水平位移均为1～1.5 mm 之间，满足相关结构的变形控制要求。

通过对比分析可以看出，两种方案均能保证

边坡稳定性，且满足变形控制要求。但是方案一比方案二可节省投资约190 万元，按照安全可靠、经济合理的设计原则，故推荐方案一作为该拱座基坑边坡的防护方案。

5 结论

（1） 坡体结构为硬质岩夹多层泥质薄膜和软质岩的陡倾角顺层边坡，工程地质条件较差，此类边坡极易产生顺层滑移，工程建设中应对此类边坡采用强支挡防护。

（2） 工程地质条件差是顺层岩质边坡发生失稳的基本条件，降雨和工程活动是边坡顺层滑移的主要诱发因素，此类边坡变形坏模式一般为蠕滑- 拉裂型。

（3） 有限元数值计算结果表明，此类边坡采用坡脚支挡加清方分区加固方案更符合安全可靠、经济合理的设计要求。