基于變形監測的公路邊坡失穩原因及支護措施研究

陳晉榮

摘要：文章以廣西某高速公路深挖路塹邊坡開挖支護為研究對象，結合現場調查、變形監測等結果分析了邊坡開挖的變形響應特征及失穩原因，同時利用Geo-studio軟件進行數值模擬，分析了邊坡開挖后失穩及卸載后錨桿加固兩種工況下邊坡的變形特征及穩定性。結果表明：工程建設過程中結合現場調查和變形監測可實時追蹤邊坡的變形響應特征，數值計算方法可為變形邊坡的動態設計提供可靠的計算結果，實施卸載+錨框架梁后邊坡整體穩定性系數滿足穩定性要求，可為今后類似工程提供參考。

關鍵詞：公路；邊坡；監測；變形響應；數值模擬

中圖分類號：U416.1+4 A 34 108 3

0 引言

西南重丘地區地形地質條件復雜多變，線路工程建設過程中由于切坡形成的高邊坡穩定性問題往往成為影響工程順利進行的重要因素之一。近年來，已有眾多學者針對高速公路邊坡問題，采用試驗、變形監測、數值計算及理論分析等眾多手段開展了開挖邊坡的變形響應研究［1-6］。邊坡失穩不僅威脅著人們的生命財產安全，而且嚴重影響交通的正常運行和經濟的穩定發展。

邊坡開挖及運營過程中，其變形控制和穩定性是極為重要的研究課題。目前，具有坡表監測、地下監測、數值分析等一系列方法可對邊坡進行監測預警以達到安全控制的目的［7-10］。因此，本文結合廣西信都至梧州高速公路上洞樞紐互通DK0+580～DK0+900段右側深挖路塹邊坡，進行變形監測、數值計算和穩定性分析，為工程的安全建設提供技術支撐。

1 工程地質條件

研究區屬剝蝕丘陵地貌，地形起伏較大，地面高程在88～185 m，相對高差97 m。設計路線大致呈北東-南西向，山體斜坡覆蓋第四系殘坡積土層，地表植被較發育，主要為桉樹及灌木叢。根據野外地質調繪及鉆探揭示，地層主要由第四系殘坡積層黃色黏土（Qel+dl）及泥盆系中統（D2y）泥質粉砂巖夾薄層狀泥巖、頁巖組成，節理裂隙較發育，巖芯多呈塊狀，少量呈短柱狀。巖層產狀為340°∠23°，另測得兩組優勢節理分別為J1：15°/SE∠26°（5～6條/m），J2：335°/SW∠20°（4～5條/m）。

研究區地表水主要流經山坡坡腳的水溝，屬季節性流水，主要接受大氣降水補給，水量受季節影響較大，邊坡部位無常年地表水。地下水包含第四系地層孔隙水及巖石中的基巖裂隙水，受地表水和孔隙水補給。

根據地質調查及區域地質資料，研究區北東側約2.8 km有一逆斷層?，F場調查并未發現第四系地層錯動現象，也未發現其有新近活動跡象，表明自第四紀以來，該斷層處于穩定狀態。

2 工程概況

公路采用整體式路基，以路塹的方式從山坡中下部穿過，該路段內路基設計高程在104.438～108.976 m，該段左右兩側均屬高邊坡。挖方長度約為320 m，中線最大挖深為64.40 m。邊坡自下而上按照1～2級1∶1坡率放坡，3～4級1∶1.25坡率放坡，5～7級1∶1.5坡率放坡，并在第2級、第4級設10 m寬平臺。開挖后邊坡坡向為135°，形成的最大坡高約為75 m，構成邊坡坡體的巖性自下而上為中風化泥灰巖、中風化泥質粉砂巖、強風化泥質粉砂巖及第四系殘坡積黏土。放坡后頂部的黏土厚度約為1.5 m。由于構成坡體的主要成分為黏土、強-中風化泥質粉砂巖及中風化泥灰巖，人工邊坡屬巖土結合邊坡。開挖后邊坡右側約50 m有一小型滑坡，該滑坡寬約20 m，長7～8 m，厚2～3 m，為土質滑坡，土層屬殘坡積黏土?；掳l生后，經各方討論，采用“卸載”方案，即對現滑塌部分采用1∶1.75坡率放坡，確?；w部分全部清除；對未滑塌部分取消第2級、第4級的10 m寬平臺，全坡面按照1∶1.5坡率放坡。同時邊坡坡面采用錨桿格梁+掛網噴混凝土的加固措施。

3 邊坡變形監測及成因分析

3.1 測點布設及預警策略

邊坡監測點的布設對邊坡變形監測結果具有較大的影響，為全方位的掌握邊坡的變形情況，在邊坡開挖后坡表均勻布設點位，采用全站儀進行數據采集。監測頻率根據現場情況，按照2次/d進行。

為使監測數據能夠達到及時有效的預警，綜合邊坡地質條件、監測數據采集頻率、施工條件等因素，采用四級預警等級，選取位移、速率為預警指標，具體預警策略如表1所示。

3.2 監測結果及成因分析

據邊坡右側（滑坡）現場監測點數據如圖1、圖2所示。由圖1可知，監測點L5-8從2021-07-15開始，變形逐漸增大，邊坡開始進入加速變形階段，到7月17日，水平位移達到135.6 mm，邊坡發出藍色預警，現場施工警戒提高。而在7月18日，邊坡位移速率突然快速增大到286.4 mm/d，邊坡變形達到紅色預警，現場施工立即停止并疏散施工人員，同時與邊坡開挖設計方討論變更處置方案。雖然7月18日過后的邊坡變形速率有所降低，但邊坡累計位移已＞600 mm，因此邊坡一直處于橙色預警狀態。一直到7月29日，邊坡變形速率再次突增到268.3 mm/d，同時累計水平位移＞800 mm，邊坡再次發出紅色預警，最終最大水平位移達到2 065.4 mm，最大沉降變形達到-1 644.5 mm。如圖2所示，L5-9監測點也有類似變形特征，在2021-07-15至2021-08-17，邊坡右側產生了明顯的大變形，由于開挖邊坡應力釋放，該段時間內的坡體變形速率明顯增加，位移激增，大部分觀測點的變形速率已＞40 mm/d，現場發生小規模坍塌，根據監測數據及現場調查情況得知，邊坡右側已進入加速變形-破壞階段?；掳l生后，對滑塌部分進行卸載并放緩邊坡整體坡率，邊坡基本處于穩定狀態，變形未再增加。

自邊坡開挖施工以來，邊坡右側產生了較大的變形，加之坡表巖體力學性質不佳，坡面出現多條裂縫。根據現場開挖揭露，該邊坡為順向坡，為泥盆系郁江階地層，屬于易滑易塌地層，且地下水埋深較淺，沿粉砂巖與炭質泥巖界面滲出，當邊坡開挖至第2級10 m寬平臺處時，坡體自右側坡頂產生拉裂縫，拉裂縫逐漸貫通，并相繼于兩側緣產生羽狀剪切裂縫，在地下水等作用下巖層層面局部整體滑動，剪出口位于第2級10 m寬平臺處（即粉砂巖與炭質泥巖交界面）。

由于構成該側邊坡主要為強風化泥質粉砂巖及強風化泥巖、頁巖，巖層產狀傾向與人工邊坡同向，為切向坡，上部坡體主要為強風化泥質粉砂巖夾強風化頁巖、泥巖，傾角小于坡角，且泥質粉砂巖與泥巖、頁巖的接觸面多風化為土狀，力學性質較差，結構面多有泥質充填，邊坡易沿巖層面滑動，邊坡整體穩定性較差。

加之強風化巖層風化強烈，且風化不均勻，裂隙較發育，構成坡體的大部分巖體結構已破壞，抗風化和抗沖刷能力均較差，強降雨時，邊坡易產生掉塊、坍塌、崩塌等變形破壞。邊坡開挖后，最可能出現的破壞模式為于巖土界面、巖層面或沿各類結構面形成的滑動破壞。

4 支護處治數值計算

根據上述滑塌原因，采用“卸載”方案，即對現滑塌部分根據現場實測坡頂裂縫分布位置，采用1∶1.75坡率放坡，確?；w部分全部清除；對未滑塌部分，取消第2級、第4級的10 m寬平臺，全坡面按照1∶1.5坡率放坡，同時采用“錨桿框架梁”進行支護。本文采用Geo-studio軟件進行數值模擬計算，選取邊坡DK0+728剖面建模，見圖3。

模型計算中，考慮了初始邊坡、邊坡卸載及錨桿支護等因素，確立了以下計算工況：邊坡卸載工況以及卸載支護加固工況。計算模型如圖4、圖5所示。

計算所需參數如表2所示。

邊坡卸載開挖后位移如圖6所示。由圖6可知，在開挖后邊坡的位移最大分布區間在4～6級平臺之間，開挖區附近巖體位移顯著增加，最大合位移為0.082 m。卸載后邊坡穩定性計算結果如表3所示，由表3可知，雖然邊坡卸載后3種計算方法的穩定性系數均＞1，但都不滿足工程安全儲備。結合變形計算值可知，僅進行卸載處理不能將邊坡變形控制在安全范圍內。

邊坡卸載開挖支護后位移云圖如圖7所示。由圖7可知，在邊坡表層進行加固后邊坡變形量明顯減小，最大合位移為0.055 m，且變形范圍僅在坡表0.2～1 m深處。而支護加固后邊坡穩定性計算結果如表4所示，由表4可知，邊坡卸載加固后穩定性系數均＞1.15，滿足安全儲備，邊坡處于基本穩定狀態。

這是因為邊坡卸載降低了巖土體沿軟弱易滑層滑動的下滑力，同時，坡表錨桿框架梁加固支護后，使得坡表松散巖土體的力學性能得到提高。從而解決了邊坡在初始開挖后產生滑坡的問題，因此采用卸載+錨桿框架梁支護的處治措施是有效的。

5 結語

本文主要以廣西信都至梧州高速公路上洞樞紐互通DK0+580～DK0+900段右側深挖路塹邊坡開挖支護為研究對象，采用現場調查、變形監測等手段分析了邊坡開挖的變形響應特征，同時利用Geo-studio建模，重點分析了開挖卸載后及加固后兩種工況下邊坡的變形及穩定性，得到以下結論：

根據現場調查和全站儀監測，抓住了邊坡初始開挖后的變形響應特征及其引發的邊坡右側滑坡不良地質現象，并分析了滑坡產生的成因。

邊坡初始開挖產生滑坡后，根據滑塌原因，采用“卸載+錨桿框架梁支護”方案，即對滑塌部分根據現場實測坡頂裂縫分布位置，采用1∶1.75坡率放坡，確?；w部分全部清除；對未滑塌部分，取消第2級、第4級的10 m寬平臺，全坡面按照1∶1.5坡率放坡；對邊坡卸載和卸載加固后的變形特征及穩定性進行了模擬，結果顯示加固后的整體穩定性系數＞1.15，該工程采用的支護加固措施滿足要求，可為類似邊坡問題的處理提供借鑒。

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收稿日期：2023-02-13