1 前言
　　隨著西部大開發(fā)的不斷深入，西南、西北地區(qū)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正不斷地改進(jìn)和完善。在道路的建設(shè)過程中往往要穿越崇山峻嶺，會(huì)經(jīng)常遇到高填深挖工程，這樣，給工程設(shè)計(jì)和施工帶來了較大的難度，特別是道路需要穿過煤系地層等含軟弱夾層的地段時(shí)，開挖形成的高切坡其穩(wěn)定性是難以確定的。
　　為了使高切坡在施工和營(yíng)運(yùn)過程中保持穩(wěn)定，科研工作者一般采用了增大安全系數(shù)法來加固坡體，但是此法使工程材料造成了一定的浪費(fèi)，怎樣來優(yōu)化加固煤系地層高切坡，已經(jīng)成為眾多專家和學(xué)者致力解決的問題[1～4]。
　　建設(shè)中的滬蓉西高速公路(宜昌—恩施段)將穿過湖北省恩施，區(qū)域內(nèi)地形地貌復(fù)雜，歷史上曾多次發(fā)生大型山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害;巖石和土體的類型多種多樣，巖體節(jié)理十分發(fā)育，給工程設(shè)計(jì)施工帶來了一定難度。該公路K199+520～K199+580段將通過煤系地層，最高反傾高切坡達(dá)64m，本文以此段高切坡作為研究對(duì)象，運(yùn)用赤平極射投影法和有限元數(shù)值模擬，進(jìn)行高切坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。
　　2 高切坡工程地質(zhì)條件
　　工程所在地山體發(fā)育，屬侵蝕低山斜坡地貌。地勢(shì)總體上南西高北東低，地面高程439.00～517.00m，相對(duì)高差78m，地形起伏較大，斜坡灌木發(fā)育，無地表水體出露。
　　本區(qū)屬朝陽-官陽背斜南翼，以單斜構(gòu)造為主，未發(fā)現(xiàn)斷層及次級(jí)褶皺。場(chǎng)地基巖巖層產(chǎn)狀181～215 o∠19～22o。斜坡巖體內(nèi)主要發(fā)育4組裂隙：① 組：產(chǎn)狀42～48o∠65～85o，延展2.50～4.00m;② 組：產(chǎn)狀71～78o∠70～81o，延展3.00～4.00m;③ 組：產(chǎn)狀313～324o∠62～81o，延展3.00～4.20m;④ 組：產(chǎn)狀13～15o∠81～84o，延展3.00～4.00m。4組裂隙間距0.30～0.50m，張開，裂面平直，粘性土充填。
　　從地勘資料[5]可知，場(chǎng)地內(nèi)出露地層主要為第四系人工填筑土(Q4me)、第四系殘坡積碎石土 (Q4el+dl)和下伏基巖組成，下伏基巖主要為三疊系上統(tǒng)須家河組砂巖(T3xj)、泥巖互層夾煤層和三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b)泥灰?guī)r、碳質(zhì)角礫巖組成。其中煤夾層呈黑色，一般厚度較小，以薄夾層或透鏡體型式出現(xiàn)(圖1)。
　　3 煤系地層高切坡變形機(jī)制
　　該段高切坡一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是含有煤夾層，且其厚度不均，從鉆孔資料來分析，該高切坡主要含有兩個(gè)煤夾層，導(dǎo)致煤系地層的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)一步弱化, 致使坡體因強(qiáng)度不足而產(chǎn)生坍滑變形, 從而引起整個(gè)高切坡的變形破壞。
　　4 高切坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)
　　目前，此段高切坡尚未大面積開挖，設(shè)計(jì)坡角線呈弧形，線路設(shè)計(jì)高程427.99～429.38m，地面高程為438.20～463.55m，線路高程遠(yuǎn)低于原地面高程，線路埋深11.00～34.00m。則根據(jù)此開挖坡率，利用赤平極射投影法和有限元數(shù)值模擬對(duì)高切坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
　　4.1赤平極射投影法分析結(jié)構(gòu)面對(duì)高切坡整體穩(wěn)定
　　赤平極射投影法是工程實(shí)際中常用來分析巖質(zhì)高切坡整體穩(wěn)定性的圖解法之一[6～7]。它能反映高切坡巖體中的結(jié)構(gòu)面分布規(guī)律和相互組合狀況，能表示巖體中結(jié)構(gòu)面數(shù)量、產(chǎn)狀及其相互的組合關(guān)系。該方法可以進(jìn)行巖質(zhì)高切坡破壞體形態(tài)、失穩(wěn)滑動(dòng)方向和穩(wěn)定程度的分析評(píng)價(jià)[8～9]。
　　從地勘資料統(tǒng)計(jì)分析得到K199+520～K199+580左線高切坡巖體中4組主控結(jié)構(gòu)面為L(zhǎng)X1 、LX2 、LX3、LX4 ,分別采用赤平極射投影法進(jìn)行主控結(jié)構(gòu)面與高切坡面、層理面進(jìn)行組合,以此組合關(guān)系和特征為依據(jù),對(duì)K199+520～K199+580左線高切坡的穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析評(píng)價(jià)。
　　根據(jù)切坡面及坡體內(nèi)巖體主控結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，以K199+550和K199+570兩個(gè)典型剖面為例，作赤平極射投影圖。
　　巖層產(chǎn)狀較緩，反傾，對(duì)高切坡穩(wěn)定性影響小，若按1：0.50坡率放坡之后，裂隙傾角陡于坡腳，對(duì)高切坡的穩(wěn)定性影響小;LX2和LX3裂隙切割成楔型體，交線產(chǎn)狀為：14o∠63o，與高切坡呈小角度相交，若按1：0.50坡率放坡開挖后基本上與交線傾角一致，可能發(fā)生楔型滑動(dòng)。
　　由圖3可知，巖層產(chǎn)狀較緩，反傾，對(duì)高切坡穩(wěn)定性影響較小，LX1裂隙與高切坡呈小角度相交為順層結(jié)構(gòu)面，但裂隙傾角較陡，若按1:0.5坡率放坡之后，裂隙傾角陡于坡角，對(duì)高切坡的穩(wěn)定性影響小;LX2和LX4可能在高切坡上形成楔型體。
　　4.2 用有限元ANSYS 分析高切坡穩(wěn)定性
　　有限單元法(FEM)是巖質(zhì)高切坡穩(wěn)定性的數(shù)值分析計(jì)算法中使用較為廣泛的一種，不論是理論基礎(chǔ)，還是實(shí)踐應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)都比較成熟。因此，采用有限元法(FEM)對(duì)K199+520～K199+580段反傾巖質(zhì)高切坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析是適宜的。本文利用美國(guó)大型有限元計(jì)算軟件ANSYS來進(jìn)行分析。
　　4.2.1 計(jì)算模型
　　本次計(jì)算是以此段高切坡典型剖面K199+570為例，根據(jù)鉆探資料可知，巖層從表及里分別為：細(xì)砂巖(3.80m)、煤層(0.50m)、細(xì)砂巖(3.20m)、粉砂質(zhì)泥巖(0.70m)、細(xì)砂巖(5.60m)、煤層(1.50m)、細(xì)砂巖(3.70m)、粉質(zhì)泥巖(2.33m)、細(xì)砂巖(20.12m)碳質(zhì)角礫巖(7.26±m)(圖1)。計(jì)算模型與實(shí)際比例為1：1，其計(jì)算模型見圖4，x方向(垂直與道路中心線)范圍為225.28m，y向(垂直于公路)范圍為199.38m，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為2762個(gè)，四邊形單元數(shù)為2596個(gè)。
　　4.2.2計(jì)算邊界條件及特征參數(shù)
　　本文計(jì)算所采用的是理想彈塑性模型，ANSYS程序中是采用廣義Mises屈服準(zhǔn)則，即我們通常所說的Drucker-Prager準(zhǔn)則[10]，計(jì)算時(shí)模型底部為全部約束，左右為法向約束。所用巖體力學(xué)參數(shù)均來自《勘察報(bào)告》[5]的建議值和工程類比值(表1)。
表1 數(shù)值模擬巖體物理力學(xué)參數(shù)

巖  體	(kg/m3)	(MPa)		(kPa)		巖體特征
殘坡積碎石土	2100	200	0.30	25	20	土黃色，松散～稍密狀
細(xì)砂巖	2540	5000	0.18	860	41	黃褐色，巖體較破碎
煤層	2200	200	0.32	20	17	黑色，呈薄夾層、透鏡體狀
粉砂質(zhì)泥巖	2300	1500	0.24	150	27	青灰色，粉砂、碎石狀
碳質(zhì)角礫巖	2400	2000	0.25	200	28	黑色，呈粉砂狀

　　4.2.3開挖方式及結(jié)果分析
　　利用ANSYS軟件中的殺死單元法，根據(jù)施工順序分2個(gè)階段來開挖,計(jì)算分3次來完成，第1次計(jì)算擬開挖路段巖體在重力作用下的彈性變形和應(yīng)力，作為初始狀態(tài);第2次是計(jì)算第1階段開挖高切坡的應(yīng)力調(diào)整和位移變化情況;第3次是計(jì)算高切坡形成后但未加支護(hù)的情況下坡體的應(yīng)力、位移最終形成情況，以來分析坡體的穩(wěn)定性。
　　從第2階段開挖情況來看，最大的塑性變形區(qū)出現(xiàn)在含煤夾層位置。從塑性區(qū)來看該高切坡不會(huì)出現(xiàn)從坡腳出現(xiàn)剪切破壞情況，但由于開挖后，煤夾層出現(xiàn)壓裂破壞，能使坡體后沿巖體出現(xiàn)拉—裂破壞。同時(shí)高切坡第3～5級(jí)臺(tái)階可能出現(xiàn)剪切破壞。
　　5 結(jié)論與建議
　　(1)根據(jù)采樣試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，砂巖抗剪強(qiáng)度中的
　　內(nèi)摩擦角0.84，理論破裂角為65 o;因此建議按1：0.50(64 o)坡率分階放坡開挖是比較合理的。因此可采用錨桿噴射砼—掛網(wǎng)來加固高切坡，以滿足整體穩(wěn)定性。
　　(2)從有限元分析可知由于煤夾層的存在，開挖卸荷之后，高切坡第3～5級(jí)將出現(xiàn)壓裂破壞，為了保證高切坡的穩(wěn)定，須在用錨噴掛網(wǎng)防護(hù)整個(gè)高切坡的同時(shí)，并通過劈裂注漿法壓密煤夾層并充填裂縫,以增加煤夾層巖土體強(qiáng)度。
　　(3)開挖過程中，應(yīng)控制爆破，分段分階開挖，宜邊開挖邊及時(shí)進(jìn)行加固處理;加強(qiáng)坡體，在施工過程中的變形監(jiān)測(cè);應(yīng)采取信息法施工和動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)。
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