高边坡分级开挖与支护方案研究

Vol.41NO.2

高边坡分级开挖与支护方案研究

曾

凯

（天津市勘察院，天津300191）

要］高边坡在开挖过程中会造成坡体应力的重分布，如果对坡体进行一挖到底，势必会对坡体造成较大

的潜在风险。采用两种开挖方案：（1）开挖坡比为1：1，分八级开挖，每级开挖深度为7．5m，每级平台宽度为2m；（2）开挖坡比为1：1．2，分六级开挖，每级开挖深度为10m，每级平台宽度为2m。对未支护下的边坡进行多级开挖，分析不同开挖时步下的坡体稳定性，根据时步开挖下坡体安全系数变化对边坡进行分级支护，分析支护后的坡体稳定性。对比结果表明，如果坡体开挖过程中采用及时支护方式，则边坡安全系数呈现先减小后变大的趋势，这种边支护边开挖方式对高边坡分级开挖极为有利。

［关键词］高边坡；分级开挖；稳定性分析；支护［中图分类号］TU47［文献标识码］B［文章编号］1004－1184（2019）02－0205－03

边坡在二次开挖卸荷后，其坡体势必会发生应力重分

布，变形也将重新发生变化，通常情况下都会对开挖后的高边坡采取支护措施

［1，2］

［摘

。但是，高边坡在开挖卸荷后，很可能

每级开挖深度为7．5m，每级平台宽度为2m；（2）开挖坡比

为1：1．2，分六级开挖，每级开挖深度为10m，每级平台宽度为2m。边坡开挖模型如图2所示。边坡岩土体的物理力学参数如表1所示。

在未支护前发生破坏。如果在开挖过程中采取边开挖边支护的方式，可避免这种情况的发生。但由于经济及施工方便性的原因，施工单位往往支护不及时。如果从施工安全期的稳定性出发，确定支护的合适时机，能够避免边坡开挖后未支护前发生破坏

［3－5］

。

（1）开挖坡比为1：以某滑坡为例，采用两种开挖方案，1，分八级开挖，每级开挖深度为7．5m，每级平台宽度为2m；（2）开挖坡比为1：1．2，分六级开挖，每级开挖深度为10m，每级平台宽度为2m。按照这两种方案对该边坡进行多对比分析未支护和支护后的边坡稳定性。级开挖，

图2

边坡开挖模型

1

1．1

数值模型的建立

工程概况

1．3模型参数

表1

岩性

边坡岩土体物理力学参数

重度

黏聚力/kPa2832200

内摩擦角/°222845

弹性模量/GPa0．81．22．8

该坡体地质情况复杂，属于典型的多级复杂性土坡。图1为该滑坡全貌图。边坡开挖模型如图2所示。

/kN/m319．620．825．4

粉质黏土砂质黏性土弱风化砂岩

1．4原坡体稳定性分析

计算过程中对开挖坡体的每一级坡角进行布点监测，如图3所示。

图1滑坡全貌图

1．2模型建立

监测点位置示意图

对原坡体进行计算分析，得到坡体的安全系数为1．248，

图3

开挖拟采用从上到下大面积削坡的方式，根据设计要

求，采用不同的深度和开挖级数进行开挖，本文采用两种开挖方式进行开挖，分别为：（1）开挖坡比为1：1，分八级开挖，

［收稿日期］2019－01－04

［作者简介］曾凯（1983－），男，福建龙岩人，工程师，主要从事水文地质和工程地质方面工作。

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第41卷第2期地下水

2019年3月

图4为未开挖坡体变形图。

图4

未开挖坡体变形图

2

边坡未支护开挖方案分析

2．1

开挖方案1分析

采用开挖方案1，对坡体从上到下依次开挖。图5为开挖

方案1利用有限元计算不同时步坡体开挖的最大剪应变图。

图5

方案1未支护开挖时步有限元最大剪应变分析图从图5中可以看出，当开挖时步为1～3及开挖第四级之

后，最大剪切位移均在原始坡角处，即砂质黏性土与弱风化砂岩交界处，开挖至第四步之后，最大剪切位移出现在坡顶。从总体上来看，在第四级开挖之前，坡体呈现局部失稳趋势，而在第四级开挖之后，边坡可能出现整体失稳。

表2为边坡安全系数计算值，图6为安全系数变化曲线图。

表2不同开挖时步边坡安全系数计算值

开挖时步

0

1

2

3

4

5

6

7

8

安全系数1．2481．2211．2241．2121．1911．1621．1501．1441．115

由图6可知，随着开挖时步的进行，边坡的安全系数逐

206

渐降低，

但部分出现起伏的现象。图6

开挖方案1边坡安全系数随开挖过程变化曲线图坡体未进行开挖时，此时边坡处于稳定状态，边坡的安

全系数为1．248，当坡体开挖第一步时，此时坡体的安全系数

变为1．221，

开挖对岩土体进行了扰动；但开挖到第二步时，坡体的稳定系数出现了少许的回升，这可能是由于上覆土体

开挖后，相当于卸荷的作用，边坡自重减小；开挖到第三步之后，坡体的安全系数降低明显，可能是坡脚大面积的开挖，削弱了其支撑力。

开挖结束后，坡体的安全系数降为1．115，相对于未开挖前，坡体安全系数降低明显，可见坡体在开挖过程中应该进行支护。

2．2开挖方案2分析

采取开挖方案2，对坡体从上到下依次开挖。图7为开挖方案2利用有限元计算不同时步坡体开挖的最大剪应变图。

图7

方案2未支护开挖时步有限元最大剪应变分析图从图7中可以看出，当开挖时步为1～3及开挖第三级之

后，最大剪切位移均在原始坡角处，即砂质黏性土与弱风化砂岩交界处，开挖至第四步之后，最大剪切位移出现在坡顶。从总体上来看，在第四级开挖之前，坡体呈现局部失稳趋势，而在第四级开挖之后，边坡可能出现整体失稳。

表3为边坡安全系数计算值，图8为安全系数变化曲线图。

表3不同开挖时步边坡安全系数计算值

开挖时步

0

1

2

3

4

5

6

安全系数1．2481．2011．2031．1641．1251．1021．081

第41卷第2期地下水

2019年3月

图8

开挖方案2边坡安全系数随开挖过程变化曲线图由图8可知，随着开挖时步的进行，边坡的安全系数逐渐

降低，安全系数变化情况与开挖方案1基本类似，在此不再赘述。

2．3方案对比

按照开挖方案1和开挖方案2对坡体进行开挖，利用有

限元强度折减法计算时步开挖后的坡体最大剪应变、安全系数及相关参数。当采用开挖方案1时，由于岩体进行了扰

动，应力产生了重分布，但安全系数变化较小，当开挖至第3步之后，坡体安全系数降低比较明显，此时可能是坡脚大面积的开挖，削弱了其支撑力，使得前期的局部失稳可能发展成整体失稳。当采用开挖方案2时，其计算结果分析与方案1类似，当开挖至第2步之后，坡体安全系数降低明显。针对上述未支护开挖方案1和2的计算结果，拟对其采取边支护边开挖方案。根据其安全系数变化规律，开挖方案1在第3步开挖之后，对坡体进行支护，后面每开挖一级支护一级；对开挖方案2，在第2步开挖之后，对坡体进行支护，后面依次每开挖一级支护一级。图9为拟加固方案示意图。

图9

边坡拟加固方案

3

边坡及时支护开挖方案分析

3．1

开挖方案1分析

在开挖完第三步后，及时对坡体进行支护，表4为开挖方

案1支护后边坡安全系数变化值。

表4

及时支护后边坡安全系数计算值

开挖时步

0

1

2

3

4

5

6

7

8

安全系数1．2481．2211．2241．2811．2991．431．531．511．49

由图10可以看出，及时支护后，边坡的安全系数增加比

较明显，

开挖后期虽然安全系数有所减小，但是减小幅度不明显，仍比开挖前的坡体安全系数大，因此及时支护对边坡

的稳定性非常有利。

3．2开挖方案2分析

在开挖完第三步后，及时对坡体进行支护，表5为开挖方

案2支护后边坡安全系数变化值。

图10

及时支护后边坡安全系数随开挖过程变化曲线图表5及时支护后边坡安全系数计算值

开挖时步

0

1

2

3

4

5

6

安全系数1．2481．2011．2031．2361．2941．3181．371

图11

及时支护后边坡安全系数随开挖过程变化曲线图

由图11可以看出，及时支护后，边坡的安全系数增加比

较明显，其变化趋势与方案1及时支护开挖时类似。

4结语

对高边坡分级开挖建立数值计算模型，分析高边坡在无支护和有支护情况下的坡体稳定性，主要结论如下：（1）采用开挖后无支护方式进行边坡开挖，边坡的安全

系数逐渐降低，

这种开挖方式存在潜在的危险。对边坡的时步开挖进行计算分析，根据安全系数变化规律，开挖到一定

时步后，对坡体进行及时支护，采用支护开挖方式的边坡在

前期安全系数有所减低，但后期逐渐增加，可见边支护边开挖方式对高边坡分级开挖卸荷极为有利。

（2）对高边坡分级开挖建立合理的开挖支护方法，寻求合理的开挖支护时机及支护方式，对工程安全有很大的作用。

参考文献

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