论文部分内容阅读
摘 要：山地工程建设中极易形成高边坡，若一次切坡高度过大，将影响所形成边坡的稳定性，并且会增加边坡支护的施工难度和增大成本，所以在用地范围允许的情况下可以采用分阶支护来达到所需的场地要求。文章从理论和数值模拟角度，针对实际工程分阶支护时的台阶宽度进行了分析和研究，从而指导施工且取得了良好效果，对于此类工程有重要借鉴意义。
关 键 词：边坡开挖；分阶支护；
中图分类号：U213文献标识码： A
1.引言
当今的城市建设中，场地边坡多是依据建筑场地的要求来采取相应的设计，一次切坡高度过高，不仅影响边坡自身的稳定性，并且对于坡体支护的难度和支护成本也将大大增加，因此在用地范围满足需求时可采取分阶开挖支护以达到场地需求。分阶开挖支护会在不同高度范围形成独立若干级边坡，若分阶宽度过小，下阶边坡存在的破裂面延伸至上阶边坡内影响整个坡体的稳定性，分阶的效果体现不出。若分阶宽度偏大，上下阶独立坡体相互影响变弱，这种情况有利于对边坡的整体稳定性，并且可以同时支护上下阶独立边坡，可以节约工期，但也会使得建设场地产生不必要的浪费。因次，在当今“寸土寸金”的时代背景下，建设方对工程造价的控制和施工工期的要求也越来越高，如何合理地设计分阶宽度就有了研究的必要性。
2. 工程概况
本工程项目位于重庆市,建设场地根据环境高程整平开挖后，场地南侧和西侧会形成较高环境边坡。此处岩土质边坡多由部分中风化、强风化基岩及填土层构成。开挖后将形成独立的上下两阶边坡，上阶边坡高度较小，因为现场为直立开挖易出现垮塌，且坡顶存在部分建筑，此处边坡采取锚索挡墙进行永久性支护。下阶边坡由砂、泥岩组成，岩石整体性良好，但岩层内部交替存在中风化泥岩和砂岩的夹层，设计中采用锚索挡墙进行支护。
图1 场地南西侧平面图 图2 场地南西侧边坡现场情况图
3.边坡破裂角理论影响分析
本项目所形成的上下两阶独立坡高度为5m和15m，根据此项目的勘察报告可知，此边坡岩体的计算破裂角取值为61˚。上阶边坡开挖面已确定，下阶边坡开挖位置可按以下三种情形分析考虑，如下图所示，
（1）取中间分阶处宽度为B，当上下两阶边坡的计算破裂角刚刚重合时，此时上阶坡体采用锚索支护时，需要的锚索长度最为经济，这种情况下的分阶宽度B可由下式得到
H—形成的下阶边坡高
θ—边坡岩体计算破裂角
（2）取中间分阶处宽度小于B，此时下阶独立边坡破内破裂面向上延伸到上一阶边坡内部，此时对整个边坡的稳定性产生影响，对其支护时必须将锚索打入延伸的破裂面处，这是，需要的锚索大于（1）中的所需长度，支护成本增大；
（3）取中间分阶处宽度B，此时下阶坡体内的破裂面对上阶边坡无影响，上下量阶边坡可以根据各自进行独立设计和施工，但是此情况下开挖后项目可用的建设面积变小，影响项目的整体经济效益。
图3不同台阶宽度对上阶边坡支护的影响
对于此工程，根据上式能得出当台阶宽度为8.3m时，在不影响边坡稳定性的前提下，对坡体的开挖和支护最经济。
3 边坡稳定性分析
为了更为系统的研究本项目中边坡的分阶宽度，对两阶中间台阶宽度为0m（不分阶）、2m、4m、6m、8m、10m、12m的几种情况，采用FLAC3D软件对此进行了数值分析模拟，不同情况下坡体内部的最大主应力分布以及边坡的水平位移图如下所示：
0m 2m
4m 6m
8m 10m
12m
图4 不同分阶宽度时边坡最大主应力分布图
从上面一系列结果中可以看到，分阶处台阶宽度对边坡开挖后最终的应力分布影响较为明显。当分阶处宽度较小时，上下独立两阶开挖面较為接近，坡体内应力释放较为充分，当台阶间距为0m（即不分阶）时最为明显，拉应力集中区在靠近开挖面处十分明显，开挖面上存在着较大的拉应力。当分阶宽度逐渐增大时，上下两阶坡体开挖面的距离变大，这就限制了开挖面上应力的释放，对上部一阶坡体内部的影响最明显，使两者内部的拉应力连通区逐渐地以分阶处为边界分别向上下阶边坡内部独立转移，当台阶宽度达到4m时拉应力区已完全分开。随着分阶处宽度进一步的增大，上下两阶坡体内部的拉应力分布区相应变小，且拉应力的数值也随着减小。
图5不同分阶宽度时边坡开挖面的最大水平位移图
图6不同分阶宽度时上阶边坡的水平位移图
图7不同分阶宽度时边坡顶部的水平位移图
根据不同分阶宽度情况下边坡不同高度处的位移图能够发现，随着开挖的进行，分阶处台阶宽度变大，边坡不同高度处的水平位移会相应减小，尤其是台阶宽度从0m逐渐变为6m时，上阶边坡最大水平位移由3.8mm减小至2.6mm，减小约为31.6%，当分阶宽度由8m增大至12m时，下阶边坡最大水平位移由2.4mm减少至2.1mm，减少约12.5%。还可以看出随着开挖，坡体开挖面上发生最大水平位移处从上阶边坡顶部变至开挖高度较高的下阶边坡开挖面顶部，其最大位移值也相应减小，从而证明了分阶开挖有利于增加边坡的稳定性。因从边坡的内部受力情况和对边坡水平位移的控制结果出发，分阶宽度为6m~8m时分阶的效果最为明显。
4结论
项目建设形成高边坡时，可采用分阶开挖支护来满足项目对经济性的需求。分阶开挖支护时一定要根据现场具体的地质情况，并且在对整个坡体的稳定性进行分析的前提下来合理的选取分阶宽度。综合上述分析结果，并考虑到建设场地的使用效率，本项目上下阶边坡中间分阶宽度为6m时最佳。
参 考 文 献
[1]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,2002,6:843-847.
[2]郑颖人,赵尚毅,邓卫东. 岩质边坡破坏机制有限元数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报, 2003, 22(12):1943-1952.
[3]江学良, 曹平. 边坡动态施工的有限元模拟与稳定性评价[J]. 地下空间与工程学报, 2007,4(3):350-355.
[4]刘文平, 赵燕明, 郑颖人. 岩质边坡开挖应力与变形的有限元模拟[J].后勤工程学院学报,2004(2):45-48.
关 键 词：边坡开挖；分阶支护；
中图分类号：U213文献标识码： A
1.引言
当今的城市建设中，场地边坡多是依据建筑场地的要求来采取相应的设计，一次切坡高度过高，不仅影响边坡自身的稳定性，并且对于坡体支护的难度和支护成本也将大大增加，因此在用地范围满足需求时可采取分阶开挖支护以达到场地需求。分阶开挖支护会在不同高度范围形成独立若干级边坡，若分阶宽度过小，下阶边坡存在的破裂面延伸至上阶边坡内影响整个坡体的稳定性，分阶的效果体现不出。若分阶宽度偏大，上下阶独立坡体相互影响变弱，这种情况有利于对边坡的整体稳定性，并且可以同时支护上下阶独立边坡，可以节约工期，但也会使得建设场地产生不必要的浪费。因次，在当今“寸土寸金”的时代背景下，建设方对工程造价的控制和施工工期的要求也越来越高，如何合理地设计分阶宽度就有了研究的必要性。
2. 工程概况
本工程项目位于重庆市,建设场地根据环境高程整平开挖后，场地南侧和西侧会形成较高环境边坡。此处岩土质边坡多由部分中风化、强风化基岩及填土层构成。开挖后将形成独立的上下两阶边坡，上阶边坡高度较小，因为现场为直立开挖易出现垮塌，且坡顶存在部分建筑，此处边坡采取锚索挡墙进行永久性支护。下阶边坡由砂、泥岩组成，岩石整体性良好，但岩层内部交替存在中风化泥岩和砂岩的夹层，设计中采用锚索挡墙进行支护。
图1 场地南西侧平面图 图2 场地南西侧边坡现场情况图
3.边坡破裂角理论影响分析
本项目所形成的上下两阶独立坡高度为5m和15m，根据此项目的勘察报告可知，此边坡岩体的计算破裂角取值为61˚。上阶边坡开挖面已确定，下阶边坡开挖位置可按以下三种情形分析考虑，如下图所示，
（1）取中间分阶处宽度为B，当上下两阶边坡的计算破裂角刚刚重合时，此时上阶坡体采用锚索支护时，需要的锚索长度最为经济，这种情况下的分阶宽度B可由下式得到
H—形成的下阶边坡高
θ—边坡岩体计算破裂角
（2）取中间分阶处宽度小于B，此时下阶独立边坡破内破裂面向上延伸到上一阶边坡内部，此时对整个边坡的稳定性产生影响，对其支护时必须将锚索打入延伸的破裂面处，这是，需要的锚索大于（1）中的所需长度，支护成本增大；
（3）取中间分阶处宽度B，此时下阶坡体内的破裂面对上阶边坡无影响，上下量阶边坡可以根据各自进行独立设计和施工，但是此情况下开挖后项目可用的建设面积变小，影响项目的整体经济效益。
图3不同台阶宽度对上阶边坡支护的影响
对于此工程，根据上式能得出当台阶宽度为8.3m时，在不影响边坡稳定性的前提下，对坡体的开挖和支护最经济。
3 边坡稳定性分析
为了更为系统的研究本项目中边坡的分阶宽度，对两阶中间台阶宽度为0m（不分阶）、2m、4m、6m、8m、10m、12m的几种情况，采用FLAC3D软件对此进行了数值分析模拟，不同情况下坡体内部的最大主应力分布以及边坡的水平位移图如下所示：
0m 2m
4m 6m
8m 10m
12m
图4 不同分阶宽度时边坡最大主应力分布图
从上面一系列结果中可以看到，分阶处台阶宽度对边坡开挖后最终的应力分布影响较为明显。当分阶处宽度较小时，上下独立两阶开挖面较為接近，坡体内应力释放较为充分，当台阶间距为0m（即不分阶）时最为明显，拉应力集中区在靠近开挖面处十分明显，开挖面上存在着较大的拉应力。当分阶宽度逐渐增大时，上下两阶坡体开挖面的距离变大，这就限制了开挖面上应力的释放，对上部一阶坡体内部的影响最明显，使两者内部的拉应力连通区逐渐地以分阶处为边界分别向上下阶边坡内部独立转移，当台阶宽度达到4m时拉应力区已完全分开。随着分阶处宽度进一步的增大，上下两阶坡体内部的拉应力分布区相应变小，且拉应力的数值也随着减小。
图5不同分阶宽度时边坡开挖面的最大水平位移图
图6不同分阶宽度时上阶边坡的水平位移图
图7不同分阶宽度时边坡顶部的水平位移图
根据不同分阶宽度情况下边坡不同高度处的位移图能够发现，随着开挖的进行，分阶处台阶宽度变大，边坡不同高度处的水平位移会相应减小，尤其是台阶宽度从0m逐渐变为6m时，上阶边坡最大水平位移由3.8mm减小至2.6mm，减小约为31.6%，当分阶宽度由8m增大至12m时，下阶边坡最大水平位移由2.4mm减少至2.1mm，减少约12.5%。还可以看出随着开挖，坡体开挖面上发生最大水平位移处从上阶边坡顶部变至开挖高度较高的下阶边坡开挖面顶部，其最大位移值也相应减小，从而证明了分阶开挖有利于增加边坡的稳定性。因从边坡的内部受力情况和对边坡水平位移的控制结果出发，分阶宽度为6m~8m时分阶的效果最为明显。
4结论
项目建设形成高边坡时，可采用分阶开挖支护来满足项目对经济性的需求。分阶开挖支护时一定要根据现场具体的地质情况，并且在对整个坡体的稳定性进行分析的前提下来合理的选取分阶宽度。综合上述分析结果，并考虑到建设场地的使用效率，本项目上下阶边坡中间分阶宽度为6m时最佳。
参 考 文 献
[1]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,2002,6:843-847.
[2]郑颖人,赵尚毅,邓卫东. 岩质边坡破坏机制有限元数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报, 2003, 22(12):1943-1952.
[3]江学良, 曹平. 边坡动态施工的有限元模拟与稳定性评价[J]. 地下空间与工程学报, 2007,4(3):350-355.
[4]刘文平, 赵燕明, 郑颖人. 岩质边坡开挖应力与变形的有限元模拟[J].后勤工程学院学报,2004(2):45-48.