刘 中 帅

(1.兰州交通大学 交通运输学院，甘肃 兰州 730070；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067)

抗滑键加固渝黔高速公路顺层岩质边坡模拟研究

刘 中 帅1,2

(1.兰州交通大学 交通运输学院，甘肃 兰州 730070；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067)

基于渝黔高速公路顺层岩质边坡垮塌事件，采用FLAC-3D模拟软件建立了顺层岩质边坡抗滑键加固前后的模拟模型，设立3个监控点采集了顺层岩质边坡抗滑键加固前后的位移、剪应力等参数。模拟结果与现场监测数据对比发现，边坡加固前处于非稳定状态，属于牵引式破坏模式，并具有突发性。边坡采用抗滑键加固后位移等值线图显示得出，沿结构面变形转为边坡沿临空面的圆弧型变形，结构面上的剪应力集中现象明显消失。加固后的监测位移和模拟位移对比得出，边坡变形量较小，处于稳定状态，抗滑键加固措施具有较好的支挡效果。

道路工程；抗滑键；数值模拟；顺层岩质边坡

0 引 言

顺层岩质边坡是指岩层倾向、岩层倾角与坡面倾角接近或一致的岩质边坡。工程开挖引起高速公路顺层岩质边坡变形破坏在西南地区十分常见，并对公路施工和运行造成严重影响。目前，对于整治顺层岩质边坡的工程技术措施较多，如抗滑桩、锚杆、预应力锚索、挡土墙等，但采用抗滑键治理顺层岩质边坡较为少见，其结构计算方法以及施工完成后的边坡稳定性评价方法尚未成熟。因此，研究抗滑键结构加固顺层岩质边坡对山区公路施工和营运具有迫切意义。

目前，关于顺层岩质边坡的治理措施研究较为广泛，如王发玲等[1]运用弹性力学和结构力学对全场黏结型锚杆加固顺层岩质边坡的机制进行了研究，提出了新的锚杆加固顺层岩质边坡的力学模型；刘焕存等[2]针对增北路顺层岩质滑坡，提出了格构锚拉挡墙和混凝土立柱挡墙联合支护方法，取得了较好地经济效益；代云山[3]介绍了桩墙复合结构治理顺层岩质边坡的方法，验证得出其具有安全性和适用性；李安洪等[4]总结提出了顺层岩质边坡路堑边坡的分类及8种破坏模式，并给出了治理顺层岩质边坡的加固措施；王秒等[5]认为以应力强度因子作为岩体的压剪破坏判据解释顺层岩质边坡预应力锚索的抗震加固机制，能较好地解释汶川地震边坡破坏特点；龚文惠等[6]采用有限元方法对沪蓉西高速公路深切顺层岩质边坡进行了模拟分析，得出抗滑桩支护结构可有效抑制顺层边坡的变形和滑动；彭正华等[7]提出了层状岩体高切坡的4种主要破坏模式，并提出了相应的防护措施，对三峡库区高切坡的工程防护具有一定的指导作用；徐卫亚等[8]通过滑石板顺层岩质边坡后缘裂缝贯通和岩体力学参数问题的探讨，提出了3种加固方案；洪文忠等[9]以贵州省某高速公路顺层边坡为例，采用离散元软件模拟开挖后边坡在未支护条件下的稳定性和变形特征，并提出了综合防治建议；陶连金等[10]针对某大型高速公路顺层滑坡，模拟了锚桩加固下边坡稳定性状况；汪勇等[11]基于有限元软件MIDAS/GTS模拟分析了锚杆加固顺层岩质边坡前后位移、塑性破坏区以及安全系数的变化；柳治国等[12]将锚索与抗滑桩应用于顺层岩质边坡治理中，取得了较好的治理效果。而关于抗滑键在顺层岩质边坡中的应用报道较少，如何思明等[13]系统地研究了带抗滑键挡土墙的设计理论，给出了带抗滑键挡土墙设计的新方法；熊治文[14]探讨了深埋式抗滑桩桩身受力分布规律、深埋桩承担的滑坡推力与桩顶埋深之间的关系及其适用条件；辛建平等[15]将强度折减法与有限差分程序相结合，提出了基于弹塑性模型的微型抗滑桩破坏机制。抗滑键结构计算方法以及加固后的稳定性评价方法尚处于发展阶段，诸多问题仍需要进行深入探讨。

笔者基于渝黔高速公路顺层岩质边坡垮塌事件，采用有限差分软件FLAC-3D模拟了顺层岩质边坡采用抗滑键加固前后的变形规律，结合现场监测数据进而评价抗滑键支挡顺层岩质边坡的治理效果，研究成果对于抗滑键结构的边坡治理评价和工程应用推广具有指导意义。

1 渝黔高速公路顺层岩质边坡工程概况

1.1 地理位置与环境

渝黔高速公路位于重庆市及贵州湛江，全长134 km，项目总投资58.7亿元。渝黔高速道路宽24.5 m，双向四车道。渝黔路RK 1 058+600段多为路堑边坡，高约15～40 m。边坡采用1∶0.5放坡处理，坡脚采用格架护坡处理。2014年4月28日，坡体中部产生少量垮塌，4月29日边坡继续产生大量垮塌，边坡不稳定岩块全部垮塌，最大块体4 m×4.5 m×4.5 m，总垮塌约3 000 m3，导致渝黔高速双向封闭，边坡塌垮长度75 m。若边坡继续垮塌将危及道路施工周期，造成严重的经济损失。

1.2 工程地质条件

1.2.1 气象与水文

顺层岩质边坡工程区域属亚热带湿润季风气候区，雨量充沛。常年平均气温17.5～18.5 ℃，最冷月(一月)平均气温6.5 ℃，极端最高气温42.9 ℃(2006年8月16日)，极端最低气温-3.1 ℃(1992年2月16日)。常年平均降雨量1 378.3 mm，最大年平均降雨量达1 532.3 mm(1998年)，降雨多集中在5～9 月，占全年降雨量的69%，最大日降雨量266.6 mm(2007年7月17日)。边坡工程场地除北侧农田中有少量积水外，无其它地表水体。

1.2.2 地形、地貌

边坡坡角约为63°，坡高在雷神店大桥桥头处40 m左右，向重庆方向坡高逐渐降低至12 m左右。边坡坡顶平缓上升，坡顶上自然边坡坡角在5°～10°之间。

1.2.3 地质构造

地质构造上属于东溪背斜北东翼。区域岩层产状50°∠27°，单斜产出。但在垮塌部位为砂泥岩接触带，泥岩层面产状倾向北偏，倾角变陡，具体产状：62°∠40°。砂岩裂隙主要发育有3组：②裂隙L1：产状185°∠65°；②裂隙L2：产状210°∠65°；④裂隙L3：产状62°∠20°，其贯通性好，无充填，裂面平整，切穿整个上部砂岩层，间距2～10 m。另外坡顶发育有2组陡倾卸荷裂隙，卸荷裂隙L4：产状160°∠80°；卸荷裂隙L5：产状90°∠86°。延伸长15～25 m不等。其贯通性好，无充填，裂面平整，切穿整个上部砂岩层，间距2～5 m。现状发育卸荷带宽度在15～25 m。

1.2.4 地层岩性

边坡场地内多被第四系全新统土层覆盖，陡坎部位可见基岩出露，下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组(J2s)的泥岩及砂岩。

成分主要由砂岩碎块石组成，块石粒径30～450 cm，含量80%～90%，道路左侧崩积体堆积区，结构松散，厚度为1.50 m～9.50 m。

粉质黏土：在坡顶大面积分布于冲沟和农田之中，呈黄褐色和褐色，呈可塑状。

3)侏罗系中统沙溪庙组(J2s)基岩

据地表调查及钻探揭露，场地基岩为泥岩及砂岩。

泥岩：紫红色。暗紫红色，泥质结构，中厚层状构造，局部含砂质团块和薄层砂质条带。钻孔揭露单层厚度为4.50 m(ZK9)～19.40 m(ZK4，未揭穿)，为场地主要岩层。

砂岩：灰色、灰白色和局部紫灰色，细粒-中粒结构，中厚层状构造。主要矿物成分主要为石英、长石、云母等，泥质、钙质胶结。

1.3 边坡变形破坏情况

2014年4月28日，边坡中部砂岩受节理裂隙切割后，沿泥岩面发生崩滑失稳，垮塌方量约为1 000 m3，垮塌体为大块状砂岩，最大块体体积>60 m3，失稳后边坡中部砂岩块体产生厚度8 m左右的临空面，如图1。边坡坡面顺节理裂隙面出现斜向重庆方向卸荷裂隙，与砂岩层面和节理裂隙共同组合切割下，致使边坡中部砂岩形成隔离体，随时可能滑动失稳。

图1 边坡全景(2014年4月28日)Fig.1 Full view of slope(on April 28,2014)

2014年4月29日凌晨2点左右，边坡中部砂岩块体顺泥岩接触面进一步崩滑失稳，垮塌方量约为2 000 m3，如图2。同时在坡顶发现卸荷裂隙分布，坡面堆积数块垮塌块体，在边坡上部形成危岩块体，存在进一步失稳的可能。

图2 边坡崩塌体(2014年4月29日)Fig.2 Collapsed rock mass of slope(on April 29,2014)

2014年4月30日，为保证通车时过往行人和车辆的安全，保障施工过程中人员和设备安全，开展对危岩体的爆破清除工作，清除方量约为300 m3。在坡顶爆破过程中发现贯穿深度约为4 m的卸荷裂隙，卸荷裂隙尚未贯穿至泥岩接触面。爆破部分危岩体后，改善了上部危岩对施工安全的隐患。

边坡崩滑后在坡面上形成了砂岩危岩体，处于欠稳定状态，一旦后缘卸荷裂隙贯通，在大气降雨的不断影响下，崩滑面强度值将不断降低。如不及时治理，将危岩体进一步被切割分离，并在崩滑面发生剪切破坏，形成二次崩滑失稳灾害，对道路运行安全威胁极大。且一旦失稳，将导致渝黔高速公路时间持续断路，将给渝黔两地的经济和社会发展带来极大干扰。因此，为保障道路通行安全，保障社会安定、经济发展，失稳灾害永久性治理工程仍然是非常紧迫和必要的。

1.4 支挡措施

渝黔高速公路顺层岩质边坡工程经方案比选，在顺层边坡坡脚打设圆柱形抗滑键，如图3。抗滑键可提供较强的抗力，防止边坡进一步垮塌。抗滑键截面直径为1 m，抗滑键长6 m，埋深2 m，抗滑键的施工完成后，可在一定程度上改善砂岩危岩体的稳定性。但抗滑键的结构计算方法尚未成熟，并且应用尚未普及，需结合监控措施，可临时性保障治理工程施工过程中的安全和道路通行安全。

图3 渝黔高速公路顺层岩质边坡工程地质剖面及抗滑键结构Fig.3 Engineering geologic section and anti-slide structure of bedding rock slope in Yuqian Expressway

1.5 顺层岩质边坡监测情况

为了实时观测边坡变形情况和抗滑键施工完成后边坡稳定情况，项目进行了“应急抢险阶段监测”和“施工完成后监测”。“应急抢险监测阶段”主要开展对失稳边坡的监测，获取边坡的实时状态数据，在出现数据异常时及时报警，同时保证抢险施工人员的安全和下方高速公路运营的安全。“施工完成后监测”主要针对抗滑键施工完成后观测边坡变形情况，保证施工质量，防治边坡发生新的破坏。

两个阶段监测采用了远程“云眼”监测系统，共在边坡表面设立了3个监测点，如图4。分别为监测点①、监测点②、监测点③，分别对应云眼101-1、云眼101-2和云眼101-3。监测系统可定期获取砂岩前缘表面变形数据，以便进行施工前稳定性判别和施工完成后的加固效果。

图4 渝黔高速公路顺层岩质边坡工程监测点布置Fig.4 Engineering monitoring points arrangement diagram of bedding rock slope in Yuqian Expressway

2 模型建立

为了研究施工前渝黔高速公路顺层岩质边坡变形破坏规律以及施工完成后抗滑键支挡效果，采用FLAC-3D模拟软件分别对施工前后进行了模拟模型建立，模型尺寸如图5。模型主要有上部的砂岩地层、下部泥岩地层以及结构面组成。采用CAD作图，导入ANSYS软件，再转接入FLAC-3D的方式。对施工前边坡模型和抗滑键加固边坡模型划分网格，分别如图6、图7。

图5 模型尺寸(单位：m)Fig.5 Model dimension figure

图6 加固前顺层岩质边坡网格划分Fig.6 Mesh generation of bedding rock slope before being reinforced

图7 顺层岩质边坡抗滑键加固网格划分Fig.7 Mesh generation of bedding rock slope after reinforced by anti-slide pile

模拟采用的本构模型为Mohr-Coulomb模型。图6和图7的中的砂岩、泥岩以及结构面力学参数见表1。为了便于对比分析，模型运算时对图4中的3个监控点位移进行采集记录。

表1 模型中砂岩、泥岩以及结构面力学参数

3 模拟结果对比分析

3.1 加固前边坡变形规律

图8、图9和图10分别是顺层岩质边坡加固前监控点①、监控点②和监控点③的监测位移与模拟位移曲线。从边坡监测数据中可以发现，监控点①、监控点②、监控点③的监测位移均表现出在短时间内急剧增大，经历一个缓慢增长阶段，然后再迅速加大，最终快速趋于一稳定值。监控点①的位移稳定值为1.15 cm，监控点②的位移稳定值为1.22 cm，监控点③的位移稳定值为2.69 cm。监控点1位于边坡坡脚砂岩地层与泥岩地层接触的结构面终点，受砂岩和泥岩的约束作用，位移值小于位移临空面监控点②的位移值，同时监控点②的位移值亦小于监控点③的位移值。

从图8的模拟位移曲线得知，模拟边坡位移变化曲线与监测数据基本吻合，短时间内急剧增大，后期加速增大，后趋于一稳定值。唯一不相同的是监控点①、监控点②监测位移曲线经历一个缓慢增长过程，而监控点①、监控点②模拟位移曲线经历一个降低再显著增加的过程。这是由于砂岩和泥岩的结构面主要产生剪切位移，当位移达到一定值后，由于FLAC-3D变形网格的连续性阻碍了结构面的变形进程，导致结构面前缘发生向下的位移，进而带动监控点②的变形位移。当网格变形受力较大时，改变了网格原有的形态，位移再极速增大，呈现出后续急剧增大的现象。而对于图8(c)的监控点③的监测位移和模拟位移，曲线是基本相似的。

图8 加固前边坡各监控点监测位移与模拟位移曲线Fig.8 Monitoring displacement and simulation displacement of monitoring point before and after slope was reinforced

对于3个监控点的监测位移和模拟位移，最大位移值相差不大，监控点最小位移为1.15 cm，最大位移达2.69 cm。虽然3个监控点的位移值与最大位移稳定，但不代表边坡趋于稳定，因为FLAC-3D无法产生破坏的网格，因此，对于坚硬的岩质边坡，2.69 cm的位移足以使边坡产生垮塌。同时，在现场监控过程中也发生了顺层岩质边坡垮塌的现象，渝黔高速公路顺层岩质边坡处于非稳定状态，急需加以支挡治理。

从监测位移和模拟位移可以发现，位移曲线在短时间内急剧增大，经历一个缓慢增长阶段，然后再迅速加大，最终快速趋于一个稳定值的现象较为显著。从中可知，顺层岩质边坡在降雨及下部临空的条件下发生急剧变形，受后部岩体的抗拉强度作用产生缓慢增长现象。当边坡抗拉强度无法承受岩体变形带来的强度时发生突发性破坏。因此，可得出此边坡属于牵引式顺层岩质边坡，破坏具有突发性。

3.2 抗滑键加固后边坡治理效果评价

3.2.1 加固前后边坡位移等值线图对比分析

图9为边坡加固前位移等值线图。从中可以发现，坡体变形整体向坡下，变形在坡脚区域较为集中，并沿结构面产生显著位移。如图10，边坡采用抗滑键加固后，边坡位移等值线图发生明显地向上偏转。在坡脚加固的抗滑键，阻挡了边坡的进一步滑移变形，顺层边坡仅能在临空面方向发生变形。因此，在图10中可以发现顺层边坡圆弧型位移等值线图，而没有图9中的结构面处的剪切位移变形。因此，抗滑键有效地遏制了顺层边坡沿结构面的剪切位移，支挡了顺层边坡，防止边坡进一步滑移变形。

图9 加固前边坡位移等值线Fig.9 Displacement contour map before the slope was reinforced

图10 加固后边坡位移等值线Fig.10 Displacement contour map after the slope was reinforced

3.2.2 加固前后边坡剪应力等值线图对比分析

图11 加固前边坡剪应力等值线Fig.11 Shear stress contour map before the slope was reinforced

图11和图12分别为边坡加固前后的剪应力等值线图。图11和图12显示：加固前边坡沿结构面产生较大的位移，在结构面处产生应力集中效应，尤其在坡脚尖端和前缘结构面处较为显著。而加固后的边坡剪应力等值线图却无显著的剪应力集中现象，表明抗滑键的加固起到了作用。

图12 加固后边坡剪应力等值线Fig.12 Shear stress contour map after the slope was reinforced

3.2.3 加固后边坡变形规律

为了检验抗滑键施工效果，将3个监控点的监测位移和模拟位移进行对比分析。发现，如图13～图15，监测位移与模拟位移基本相似，模拟效果较好，3个监控点位移曲线均表现出缓慢增长趋于稳定的趋势，其坡脚监控点①和监控点②位移值均较小，最大位移值为监控点③的3.5 mm，满足工程需求，抗滑键结构能较好地支挡顺层岩质边坡。

图13 加固后边坡监控点①监测位移与模拟位移曲线Fig.13 Monitoring displacement and simulation displacement of monitoring point ① after slope was reinforced

图14 加固后边坡监控点②监测位移与模拟位移曲线Fig.14 Monitoring displacement and simulation displacement of monitoring point ② after slope was reinforced

4 结 论

1)建立了渝黔高速公路顺层岩质边坡抗滑键加固前后的FLAC-3D模型，设立3个监控点采集了顺层岩质边坡抗滑键加固前后的位移、剪应力等参数，与现场监测数据对比发现，边坡加固前最大位移达到2.69 cm，处于非稳定状态，得出边坡属于牵引式破坏模式，并具有突发性。

2)边坡采用抗滑键加固后位移等值线图由沿结构面变形转为边坡沿临空面的圆弧型变形。结构面上的应力集中明显消失。加固后的监测位移和模拟位移对比得出边坡变形量较小，处于稳定状态，抗滑键加固措施具有较好的支挡效果。

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(责任编辑 朱汉容)

Simulation Study on Bedding Rock Slope Reinforced by Anti-Slide Pile in Yuqian Expressway

LIU Zhongshuai1,2

(1.School of Traffic and Transportation, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070，Gansu, P.R. China; 2.China Merchants Chongqing Communications Technology Research & Design Institute Co., Ltd, Chongqing 400067, P.R.China)

Based on the event of bedding rock slope collapse occurred in Yuqian Expressway ,a simulation model simulating bedding rock slope before and after being reinforced was established by simulation software FLAC-3D and parameters such as deformation and shear stress were collected from three monitoring points established. After the simulation results and site monitored data were compared, it was found that the side slope was in unstabilized condition before being reinforced and belonged to pull-type failure model and was of nature of sudden failure.After the anti-pile was applied for reinforcement the displacement contour diagram showed that the deformation along structure surface turned into arc deformation along free face of the slope, and shear stress concentration phenomenon in structure surface disappeared obviously. By comparing the monitored displacement after the reinforcement with simulated displacement it is obtained that the slope deformation is less and is in stabilized state, which proves the sound supporting effect of the anti-slide pile measure taken up.

highway ehgineering; antii-slide pile; numerical simulation; bedding rock slope

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.09

2015-11-16；

2016-04-13

国家科技支撑计划项目(2015BAK09B00)；重庆市青年科技人才培养计划项目(cstc2014kjrci-qnrc30004)

刘中帅(1985—)，男，河北邢台人，工程师，硕士，主要从事公路高边坡设计与咨询方面的工作。E-mail：liuzhongshuai@cmhk.com。

TU411.3

A

1674-0696(2017)02- 049- 06