中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 陕西省西安市 710065
摘要：边坡开挖是边坡变形破坏的诱发因素之一，边坡开挖后坡体内部应力场和位移场发生调整，形成开挖松弛区。本文以陕西省某山区高速公路变质岩边坡为例，建立数值分析模型，分析了边坡开挖和支护过程中坡体内部应力场、位移场分布并确定边坡开挖松弛区，为边坡支护设计提供理论依据。
关键词：变质岩；公路边坡；开挖松弛区；数值模拟
0 引言
山区公路工程地质环境条件复杂且建设过程中常有大量的挖方作业。挖方作业可能造成边坡变形破坏，致使公路交通中断，影响公路正常运营。公路建设过程中，发生因开挖作业导致部分边坡发生失稳破坏现象。
边坡开挖后，岩体向临空面发生卸荷回弹，岩体结构松弛，坡体内部应力发生调整。分析边坡开挖后坡体内部应力场和位移场，确定开挖松弛区，找出潜在滑动面，为边坡支护设计提供理论依据。
1 边坡开挖松弛区
边坡开挖松弛区为边坡中不同稳定系数下的潜在最危险滑动面与坡面所包围的坡体[15]。自然斜坡开挖后，坡体内部应力场与位移场进行重新分布，存在因卸荷回弹而引起的开挖影响范围。在开挖影响范围内距离坡体开挖临空面的不同深度处就会出现相应于不同稳定系数的潜在滑面，在这个潜在滑面与开挖临空面之间的部分就可称为相应于该稳定系数的坡体开挖松弛区。边坡在开挖中或施工完成后的失稳破坏均发生在开挖松弛区范围之内。
2 边坡开挖松弛区的确定方法
边坡开挖后，坡体内部应力场和位移场进行重新分布。对于工程实际而言，位移场的变化具有更直接的意义。边坡开挖的位移影响区模型（图1）中ECD为原始斜坡坡面线，EACD为开挖后边坡坡面线。边坡开挖后，以AB线作为参考线，边坡的位移量由A向B呈衰减趋势，发生位移的AA″即为边坡开挖的位移影响区。根据坡体位移的大小，又可将位移影响区分为松动区AA1，塑性变形区A1A2和弹性变形区A2A″。松动区和塑性变形区即AA2定义为边坡开挖松弛区。
图 10 边坡开挖后的剪应变云图
对比边坡开挖前后的剪应力和剪应变云图（图 7～图10）可知，边坡开挖前，在不同岩层的接触面发生剪应力集中，最大的剪应变发生在岩层的接触面。边坡分级开挖后，坡体中剪应力的分布较为均匀，最大的剪切应变发生在坡体中下部的每级边坡坡脚，这也是边坡最容易剪出的部位。
3.3 锚杆框架梁加固的边坡模拟
为了减小边坡开挖对坡体稳定性的影响，避免边坡在开挖施工过程中出现破坏，在边坡开挖中一般采取“开挖一级支护一级”的施工方法。对于结构较好，整体较稳定的边坡一般采用锚杆框架梁支护，为了研究锚杆框架梁对于边坡稳定的作用，用有限元方法对“开挖一级支护一级”的施工步骤进行模拟。四级、三级边坡使用14m长锚杆，二级、一级边坡使用9m长锚杆进行支护。得到边坡支护后的应力场、位移场，并确定开挖松弛区范围（图11～图13）。
对比使用锚杆框架梁支护和未施加支护的边坡计算结果可知：施加锚杆框架梁支护的边坡，其剪应力、位移场、开挖松弛区与未施加锚杆框架梁支护的边坡基本相同。当锚杆长度较小，未穿过开挖松弛区时，锚杆框架梁对于边坡整体稳定性的影响不大，仅起到坡面防护的作用，防止边坡发生局部落石、滑塌。
图 11 开挖后施加锚杆的边坡水平位移云图与开挖松弛区
图 12 开挖后施加锚杆的边坡剪应力云图
图 13 开挖后施加锚杆的边坡剪应变云图
3.4 预应力锚索框架梁加固边坡模拟
当边坡的整体稳定性较差时，预应力锚索框架梁是一种常用的支护方式。为了研究预应力锚索框架梁对边坡稳定性的影响，用有限元方法模拟施加预应力锚索框架梁支护的边坡，在二级边坡施加40m长的锚索，计算得出边坡开挖后的应力场、位移场并确定开挖松弛区（图14～图16）。
对比施加预应力锚索框架梁的边坡和未施加支护结构的边坡，得出以下结论：
（1）分析边坡位移云图，发现对边坡施加预应力锚索框架梁支护时，边坡岩体的水平位移量减小，边坡临空面的水平位移从0.6m减小到0.15m，且边坡开挖松弛区范围变小。说明施加预应力锚索框架梁支护可使边坡开挖影响的范围变小。
（2）分析边坡剪应力云图发现，施加预应力锚索框架梁的边坡，在坡体内部锚索锚固端附近及坡面施加锚索的部位发生剪应力集中。对比剪应变云图，可知施加预应力锚索框架梁的边坡发生剪切变形的范围变小，即边坡开挖的影响范围变小。
因此，对边坡施加预应力锚索框架梁，可以减小开挖施工导致的边坡变形量，使边坡开挖松弛区范围减小，提高边坡的整体稳定性。
图 14 开挖后施加预应力锚索的边坡水平位移云图与开挖松弛区
图 15 开挖后施加预应力锚索边坡剪应力云图
图 16 开挖后施加预应力锚索边坡剪应变云图
4 结论
本文分析了边坡开挖和支护过程中应力场和位移场的变化、并确定松弛区范围，对边坡开挖和支护提出了建议。
（1）施工开挖是导致边坡发生变形破坏的最重要因素。边坡开挖后，坡体内部形成开挖松弛区，也是边坡的潜在滑动体，运用数值分析方法可得到边坡开挖松弛区范围。
（2）边坡中水平方向位移受开挖作用影响较大。边坡在开挖过程中会形成开挖松弛区，随着开挖施工进行，松弛区范围不断扩展加深，开挖施工进行至最后一级时，边坡中松动区的范围扩展至最大，水平位移量突然增大。
（3）边坡采用锚杆框架支护，当锚杆长度未穿过开挖松弛区时，锚杆框架梁支护对边坡整体稳定性影响不大，仅起到坡面防护的作用。
（4）边坡采用预应力锚索框架支护，当锚索长度穿过开挖松弛区时，可使边坡岩体的水平位移减小，边坡开挖松弛区范围变小，剪切变形的范围变小。因此对边坡施加预应力锚索框架梁支护可显著提高边坡的稳定性。
参考文献:
[1]邹红英，肖明．地下洞室开挖松动圈评估方法研究[J]．岩石力学与工程学报，2010（03）：513-519．
[2]曹兴松，周德培．边坡开挖影响范围和潜在滑面的研究[J]．岩石力学与工程学报，2004（17）：2882-2886．
[3]张季如．边坡开挖的有限元模拟和稳定性评价[J]．岩石力学与工程学报，2002（06）：843-847．
[4]孙书伟，朱本珍，张忠平．顺层高边坡开挖松动区的数值模拟研究[J]．铁道学报，2008（05）：74-79．
论文作者:孙茉,王甲飞
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/7
标签：松弛论文; 位移论文; 预应力论文; 框架论文; 云图论文; 力场论文; 应力论文; 《防护工程》2019年9期论文;