许建文，钱海洋

(1.广西新恒通高速公路有限公司，广西 南宁 530029；2.广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530011)

0 引言

顺层边坡滑移破坏是较为常见的破坏模式，但目前对顺层岩质边坡的稳定性及防护方法仍缺乏系统的有效认识。影响顺层边坡稳定性的因素有很多，主要因素有岩体结构、结构面力学特性、产状及地下水作用等。在利用FLAC3D进行边坡稳定性的数值分析时，通常要对实体对象经过适当的简化，建立相应的三维计算模型。此外，数值分析不仅与模型的选取息息相关，还取决于合理计算参数的选取[1-7]。

1 地质概况

本段路线地处云贵高原边缘山区，构造是控制区内地貌发育的主要因素，区内常背斜成山，向斜成谷。由于区内各地新构造运动抬升速度和幅度的差异，以及地表所经受的外部营力作用强度也不相同，因此所形成的地貌形态差异也较大。地势西南低、东北高，标高100～1 000 m。根据工程地质调绘及区域性地质资料，场址区位于六黑-六丈向斜M7分支，六丈-那银向斜M7-1南翼，总体走向近东西向，长度约为22 km，轴部岩层倾角较缓，局部近水平，翼部较缓，约为30°～45°。次级褶皱发育，剖面上多呈不连续波状起伏，纵横向节理均较发育。除此外，未见有活动性断裂通过。场址区附近(CZ)为3°∠37°，主要发育的节理、裂隙产状及密度分别为：(J1)10°∠80°，2～3条/m；(J2)92°∠62°，1～2条/m；(J3)191°∠71°，2～3条/m；(J4)275°∠70°，2～3条/m。

路堑边坡地形较陡，坡度约20°～30°，边坡上部为残坡积层和全风化层土质边坡，下部为强-中风化岩岩质边坡。地质结构情况为：土层厚0.8～2.3 m，分布不均，为硬塑状黏土，基岩为砂岩，为中厚层状，岩质稍硬，岩体较破碎，全风化层厚5.9～16.8 m，强～中风化层厚>20 m，且由于岩层层面和坡面呈顺向关系，稳定性较差。根据原地质钻孔情况可知，该段边坡为典型的顺层岩质边坡。

2 边坡开挖和防护施工分析

2.1 参数选取

路堑高边坡岩土体物理力学参数见表1。

表1 物理力学参数表

2.2 模型建立

为满足分析需要，对模型进行了简化，模型尺寸为：x-150 m，y-20 m，z-100 m，其中模型底部固定约束，背面及左右侧法向约束，坡体原地面为自由面。边坡模型采用Mohr-Coulomb屈服模型，共划分单元31 540个，节点34 250个，得到FLAC3D网格划分及分组模型如图1所示。

图1 FLAC3D边坡模型图

2.3 计算分析

对于该顺层岩质高边坡工程开挖主要采用上部卸载、坡面防护的方案，按照自上而下的开挖施工顺序，分九级台阶进行开挖(每10 m分一级)，边坡锚杆(索)框架梁防护方案如图2所示，本模型共施加锚杆、锚索单元及梁单元等结构单元共3 257个，结构节点4 823个。

图2 边坡防护方案(从上而下)设计图(单位：m)

由于篇幅限制，仅对各级边坡开挖完成后的最大位移进行分析。

2.3.1 第一级边坡开挖

图3 第一级边坡开挖后最大位移等值线云图

第一级边坡开挖完成后，由于开挖卸载的影响，第一级坡底表现出向上回弹的特性，其最大位移接近1.34 mm(见图3)。

2.3.2 第二级边坡开挖

图4 第二级边坡开挖后最大位移等值线云图

第二级边坡开挖完成后，坡脚同样表现出向上回弹的特性，其最大位移达到3.8 mm，较第一级边坡位移变形明显，这也说明了一般坡体坡面越长，分级开挖的次数也就越多，对坡体土体的扰动越大，坡体位移变形也越大，越不利于边坡的稳定，在边坡设计中应该考虑相关加固措施，如图4所示。

2.3.3 第三级边坡开挖

图5 第三级边坡开挖后最大位移等值线云图

第三级边坡开挖完成后，坡脚表现出向上回弹的特性，其最大位移接近7.64 mm，如图5所示。本边坡前三级边坡坡率较缓，达到1∶1.5，设计中采用三维网植草防护，尽管坡体位移进一步发展，但边坡稳定性不受影响。

2.3.4 第四级边坡开挖

图6 第四级边坡开挖后最大位移等值线云图

第四级边坡开挖完成后，设计对于坡体采用锚杆框架防护，通过比较不难发现，锚杆框架梁支护使中部坡体浅层部位的位移大幅减小，最大位移仅为5.7 mm，提高了边坡中部稳定性。当坡体发生位移时，岩土体会对锚杆产生剪切与拉伸作用，从而使岩体得以加固。锚杆的存在会对坡体浅部有加固作用，而锚杆与框架梁组合成为有机支护整体，能够均化坡体位移场和应力场分布，如图6所示。

2.3.5 第五级边坡开挖

图7 第五级边坡开挖后最大位移等值线云图

第五级边坡开挖完成后，在先期应力场的作用下，坡体出现卸载回弹，其最大位移接近13.0 mm。设计对于坡体采用预应力锚索框架护坡，能在一定程度上改善坡体的位移变形，保证坡面的稳定性。按模拟结果，锚索沿长度方向受拉，但其应力分布形式沿锚索长度方向有所不同。一般情况下，顺坡向位移由坡面向坡内逐渐减小，若锚索未与框架梁形成整体或锚索布置间距过大，都会削弱锚索框架对坡体浅层位移的减小作用。锚索设计应遵循小间距、小吨位的原则，如图7所示。

2.3.6 第六级边坡开挖(见图8)

图8 第六级边坡开挖后最大位移等值线云图

2.3.7 第七级边坡开挖(见图9)

图9 第七级边坡开挖后最大位移等值线云图

2.3.8 第八级边坡开挖

图10 第八级边坡开挖后最大位移等值线云图

以上第六～八级边坡开挖完成后，设计对于坡体采用预应力锚索框架护坡(长19 m)。三次边坡开挖并施作支护后的最大位移分别为13.44 mm、17.56 mm、18.67 mm，有缓慢增长的趋势，且最大位移均出现在坡脚部位，而坡面的最大位移都控制在10 mm内，表明预应力锚索相结合的框架梁结构对边坡起到了主动防护的作用，使坡面指向坡外的顺坡向位移明显减小。一般来说，主动防护作用与锚索力的大小有关，有赖于设计对边坡位移限值的考虑，如图10所示。

2.3.9 第九级边坡开挖

图11 支护后X向位移等值线云图

图12 支护后Z向位移等值线云图

图13 支护后最大位移等值线云图

图11～13为边坡支护后水平X向、竖直Z向及最大位移等值线云图。边坡经支护后，由于锚索(杆)框架梁及预应力的影响，临空向位移量显著减小，X方向水平位移最大值转移到第四级台阶平台处，最大水平位移达到-11.7 mm；Z方向竖向位移最大值同样发生在第四级台阶平台处，最大值约为16.1 mm；同时，由最大位移等值线云图可以看出，坡体最大位移出现在坡面第四级台阶平台附近范围内，此时，最大位移量仅为约18.73 mm。由此可见，岩土体已与加固结构形成一个复合整体，使坡体开挖后的顺坡向位移有较显著的减小，极大提高了边坡的稳定性。

3 结语

本文利用FLAC3D分析了某高速公路路堑顺层岩质边坡在采用锚杆(索)与框架梁结构加固方案后的稳定性，得出结论如下：

(1)第一～三级边坡开挖完成后，由于开挖卸载的影响，开挖坡脚出现向上回弹的特性，表明坡体坡面越长，分级开挖次数越多，岩体扰动越大，坡体位移越大，边坡开挖稳定性越差。

(2)开挖第四级边坡后，采用锚杆框架防护使中部坡体浅层部位的位移显著减小，最大位移仅为5.7 mm，提高了坡体中部的稳定性。

(3)开挖第五～八级边坡后，采用预应力锚索框架结构对边坡起到了主动防护的作用，使坡面指向坡外的顺坡向位移明显减小，能在一定程度上改善坡体的位移变形，保证坡面的稳定性。设计中锚索应遵循小间距、小吨位的原则，以减小局部变形。

(4)边坡开挖并防护完成后，由于锚索(杆)框架梁及施加预应力的作用，岩体已与加固结构形成一个有机复合整体，使坡体开挖后的顺坡向位移显著减小，极大提高了边坡的稳定性。