1 前言
隨著西部大開發的不斷深入，西南、西北地區的交通基礎設施建設正不斷地改進和完善。在道路的建設過程中往往要穿越崇山峻嶺，會經常遇到高填深挖工程，這樣，給工程設計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，開挖形成的高切坡其穩定性是難以確定的。
為了使高切坡在施工和營運過程中保持穩定，科研工作者一般采用了增大安全系數法來加固坡體，但是此法使工程材料造成了一定的浪費，怎樣來優化加固煤系地層高切坡，已經成為眾多專家和學者致力解決的問題[1～4]。
建設中的滬蓉西高速公路(宜昌—恩施段)將穿過湖北省恩施，區域內地形地貌復雜，歷史上曾多次發生大型山體滑坡、泥石流等自然災害;巖石和土體的類型多種多樣，巖體節理十分發育，給工程設計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64m，本文以此段高切坡作為研究對象，運用赤平極射投影法和有限元數值模擬，進行高切坡穩定性評價。
2 高切坡工程地質條件
工程所在地山體發育，屬侵蝕低山斜坡地貌。地勢總體上南西高北東低，地面高程439.00～517.00m，相對高差78m，地形起伏較大，斜坡灌木發育，無地表水體出露。
本區屬朝陽-官陽背斜南翼，以單斜構造為主，未發現斷層及次級褶皺。場地基巖巖層產狀181～215 o∠19～22o。斜坡巖體內主要發育4組裂隙：① 組：產狀42～48o∠65～85o，延展2.50～4.00m;② 組：產狀71～78o∠70～81o，延展3.00～4.00m;③ 組：產狀313～324o∠62～81o，延展3.00～4.20m;④ 組：產狀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，場地內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須家河組砂巖(T3xj)、泥巖互層夾煤層和三疊系中統巴東組(T2b)泥灰巖、碳質角礫巖組成。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(圖1)。
3 煤系地層高切坡變形機制
該段高切坡一個顯著的特點就是含有煤夾層，且其厚度不均，從鉆孔資料來分析，該高切坡主要含有兩個煤夾層，導致煤系地層的物理力學參數進一步弱化, 致使坡體因強度不足而產生坍滑變形, 從而引起整個高切坡的變形破壞。
4 高切坡穩定性評價
目前，此段高切坡尚未大面積開挖，設計坡角線呈弧形，線路設計高程427.99～429.38m，地面高程為438.20～463.55m，線路高程遠低于原地面高程，線路埋深11.00～34.00m。則根據此開挖坡率，利用赤平極射投影法和有限元數值模擬對高切坡穩定性進行評價。
4.1赤平極射投影法分析結構面對高切坡整體穩定
赤平極射投影法是工程實際中常用來分析巖質高切坡整體穩定性的圖解法之一[6～7]。它能反映高切坡巖體中的結構面分布規律和相互組合狀況，能表示巖體中結構面數量、產狀及其相互的組合關系。該方法可以進行巖質高切坡破壞體形態、失穩滑動方向和穩定程度的分析評價[8～9]。
從地勘資料統計分析得到K199+520～K199+580左線高切坡巖體中4組主控結構面為LX1 、LX2 、LX3、LX4 ,分別采用赤平極射投影法進行主控結構面與高切坡面、層理面進行組合,以此組合關系和特征為依據,對K199+520～K199+580左線高切坡的穩定性進行定性分析評價。
根據切坡面及坡體內巖體主控結構面產狀，以K199+550和K199+570兩個典型剖面為例，作赤平極射投影圖。
巖層產狀較緩，反傾，對高切坡穩定性影響小，若按1：0.50坡率放坡之后，裂隙傾角陡于坡腳，對高切坡的穩定性影響小;LX2和LX3裂隙切割成楔型體，交線產狀為：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，可能發生楔型滑動。
由圖3可知，巖層產狀較緩，反傾，對高切坡穩定性影響較小，LX1裂隙與高切坡呈小角度相交為順層結構面，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，對高切坡的穩定性影響小;LX2和LX4可能在高切坡上形成楔型體。
4.2 用有限元ANSYS 分析高切坡穩定性
有限單元法(FEM)是巖質高切坡穩定性的數值分析計算法中使用較為廣泛的一種，不論是理論基礎，還是實踐應用和經驗都比較成熟。因此，采用有限元法(FEM)對K199+520～K199+580段反傾巖質高切坡穩定性進行計算分析是適宜的。本文利用美國大型有限元計算軟件ANSYS來進行分析。
4.2.1 計算模型
本次計算是以此段高切坡典型剖面K199+570為例，根據鉆探資料可知，巖層從表及里分別為：細砂巖(3.80m)、煤層(0.50m)、細砂巖(3.20m)、粉砂質泥巖(0.70m)、細砂巖(5.60m)、煤層(1.50m)、細砂巖(3.70m)、粉質泥巖(2.33m)、細砂巖(20.12m)碳質角礫巖(7.26±m)(圖1)。計算模型與實際比例為1：1，其計算模型見圖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，總節點數為2762個，四邊形單元數為2596個。
4.2.2計算邊界條件及特征參數
本文計算所采用的是理想彈塑性模型，ANSYS程序中是采用廣義Mises屈服準則，即我們通常所說的Drucker-Prager準則[10]，計算時模型底部為全部約束，左右為法向約束。所用巖體力學參數均來自《勘察報告》[5]的建議值和工程類比值(表1)。
表1 數值模擬巖體物理力學參數
|
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 |
|
粉砂質泥巖 |
2300 |
1500 |
0.24 |
150 |
27 |
青灰色，粉砂、碎石狀 |
|
碳質角礫巖 |
2400 |
2000 |
0.25 |
200 |
28 |
黑色，呈粉砂狀 |
4.2.3開挖方式及結果分析
利用ANSYS軟件中的殺死單元法，根據施工順序分2個階段來開挖,計算分3次來完成，第1次計算擬開挖路段巖體在重力作用下的彈性變形和應力，作為初始狀態;第2次是計算第1階段開挖高切坡的應力調整和位移變化情況;第3次是計算高切坡形成后但未加支護的情況下坡體的應力、位移最終形成情況，以來分析坡體的穩定性。
從第2階段開挖情況來看，最大的塑性變形區出現在含煤夾層位置。從塑性區來看該高切坡不會出現從坡腳出現剪切破壞情況，但由于開挖后，煤夾層出現壓裂破壞，能使坡體后沿巖體出現拉—裂破壞。同時高切坡第3～5級臺階可能出現剪切破壞。
5 結論與建議
(1)根據采樣試驗結果統計，砂巖抗剪強度中的
內摩擦角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—掛網來加固高切坡，以滿足整體穩定性。
(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級將出現壓裂破壞，為了保證高切坡的穩定，須在用錨噴掛網防護整個高切坡的同時，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度。
(3)開挖過程中，應控制爆破，分段分階開挖，宜邊開挖邊及時進行加固處理;加強坡體，在施工過程中的變形監測;應采取信息法施工和動態化設計。
參考文獻：
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[7] 陳洪凱,唐紅梅,葉四橋,等.危巖防治原理[M].北京:地震出版社.2006.
