山區高速公路邊坡穩定性分析及加固研究

左松清

（湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，長沙410200）

1 引言

2 邊坡穩定性分析原理

2.1 邊坡破壞形式

山區高速公路以巖質路塹邊坡為主，其破壞機理復雜，破壞形式也無統一的分類標準。 因此，本文根據滑動面形式的不同，將邊坡破壞形式分為沿結構面破壞、圓弧滑動破壞、非圓弧滑動破壞等。 其中，邊坡沿結構面破壞是指潛在滑動體沿節理、斷層、裂隙等軟弱夾層滑動失穩，一般表現為局部失穩破壞；圓弧滑動破壞是指邊坡巖體滑動面近似成圓弧形，一般出現在整體失穩破壞中，多發生在連續巖體；非圓弧滑動破壞的巖體滑動面既不是沿著結構面，也不是沿著圓弧形滑動面，多表現為折線滑動破壞[2]。

2.2 邊坡穩定性影響因素

邊坡失穩過程包括蠕動、微滑、劇滑、固結4 個階段，在對邊坡加固之前，應當進行詳細的現場踏勘，找到影響邊坡穩定性的主要因素。

2.2.1 地層巖性

一般情況下， 高速公路邊坡所在區域的巖層并不是只有一種類型，而是由兩種及以上的巖層構成。 邊坡巖層按抗壓強度可分成硬質巖和軟質巖。 硬質巖自穩性能好，設計坡率可以較陡，而軟質巖在坡度較陡的條件下容易發生失穩破壞。

2.2.2 水的作用

相關研究成果表明，連續降雨天氣是高速公路巖質路塹邊坡破壞的決定性因素。 一方面，雨水通過邊坡坡面裂隙滲入巖體內部，浸泡巖體后使其含水率和重度提高，抗剪強度減小，并導致滑動體的抗滑力降低，下滑力提高；另一方面，水在路塹邊坡內滲流會產生較大的動水壓力，間接提高了邊坡的下滑力。

省委堅決貫徹落實黨中央決策部署，把加強以憲法為核心的法治宣傳教育和推進保障憲法實施的體制機制建設作為法治山東建設的重要方面，多次研究部署，組織集中學習，下發文件通知，要求全省各級各部門堅持以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，堅定不移維護憲法作為根本法的權威地位，自覺維護憲法權威，捍衛憲法尊嚴，切實抓好憲法在全省的學習宣傳和貫徹實施。

2.2.3 邊坡開挖

高速公路路塹邊坡在施工前， 內部應力處于極限平衡狀態，坡體能保持自穩。 邊坡開挖卸荷過程中會產生臨空面，使邊坡坡面巖體應力松弛，巖體力學性能弱化。 同時，臨空面的存在削弱了坡腳的支撐力， 為邊坡向下移動創造了良好的條件。 為了降低開挖作業對公路邊坡的干擾，常選擇光面或預裂爆破等方案，并按設計方案分級開挖和分級加固。

2.3 邊坡穩定性分析方法

高速公路邊坡穩定性有定性分析法和定量分析法兩類，二者是有機統一的。 定性分析法中實用性最強的是工程地質類比法，定量分析法有簡化Bishop 法、簡布法、不平衡推力法、楔形滑動面法及各種數值模擬方法[3]。根據現場勘測資料，推斷K38+225 處巖質路塹邊坡可能發生折線型破壞。 根據JTG D30—2015《公路路基設計規范》，本文建議采用不平衡推力法的顯式解來分析邊坡安全系數Fs，見式（1）：

式中，WQi為第i 個土條的重力，kN；αi為第i 個土條底滑面傾角，（°）；ci為第i 個土條黏聚力，kPa；li為第i 個土條底滑面長度，m；φi為第i 個土條內摩擦角，（°）；Ei、Ei-1分別為第i 個和第i-1 個土條的下滑力，kN；ψi-1為滑動力傳遞系數。

計算前， 將潛在滑動面以上的巖土體按一定的規則進行條塊劃分[4]。

3 工程概況

3.1 設計概況

本文依托項目為某山區高速公路項目T2 標， 路線全長35.408 km，起點樁號K42+252，終點樁號K77+660，設計荷載取公路Ⅰ級，設計速度取120 km/h，主線建設標準是雙向4 車道。 邊坡安全系數的計算斷面樁號為K38+225，屬于巖質路塹邊坡。 邊坡為4 級坡，最大高度27.2 m。

3.2 氣候氣象

邊坡所處區域為大陸性季風氣候，受季風環流、地理位置和地形等因素的綜合影響，年氣溫和降雨變化大。 具體氣候氣象條件如圖1 所示。

圖1 邊坡所在區域的氣候氣象條件

3.3 地層巖性

根據勘察資料，該邊坡巖土層從上至下分別為：①碎石土，重度17.6 kN/m3、黏聚力5 kPa、內摩擦角20°，泊松比0.35；②強風化砂巖，重度20.8 kN/m3、黏聚力25 kPa、內摩擦角28°，泊松比0.3；③微風化砂巖，重度22.7 kN/m3、黏聚力30 kPa、內摩擦角46°。

3.4 地震

該高速公路邊坡所處區域地震烈度為6 度， 峰值加速度取0.05g，可不計算水平地震作用對該邊坡安全系數的干擾。

4 邊坡加固前后穩定性分析及研究

4.1 邊坡加固前穩定性分析及研究

4.1.1 計算工況

該邊坡安全系數計算選擇理正巖土7.0 軟件，操作步驟如下[5]：先在CAD 中建立邊坡模型→另存為DXF 文件→導入理正巖土軟件→輸入邊坡巖土體參數→指定滑動面剪入口和剪出口→分析邊坡計算結果（共兩種工況，工況Ⅰ：邊坡處于天然狀態；工況Ⅱ：邊坡處于暴雨或連續降雨狀態，降雨強度取36 mm/d，降雨歷時分別取1 d、2 d、3 d、4 d）。

4.1.2 計算結果

工況Ⅰ和工況Ⅱ條件下邊坡穩定性計算結果如圖2 所示（B1、B2為回歸系數）。

圖2 不同降雨歷時下邊坡安全系數

由圖2 計算結果可知：在降雨強度相同時，邊坡安全系數隨降雨歷時的增加而減小，但減小速率并不是固定。 降雨初始階段，邊坡穩定性下降速率快；當降雨歷時＞4 d 時，邊坡穩定性變化速率不大。 隨后，使用數理統計軟件ORIGIN2017 對降雨歷時和邊坡安全系數的關系用多項式函數擬合， 相關系數接近1，精確度滿足工程需求。 利用該擬合公式可以預測任意降雨歷時下的邊坡穩定性，從而對邊坡失穩進行預警。

工況Ⅰ條件下，邊坡安全系數為1.25，但在工況Ⅱ條件下邊坡安全系數僅為0.93，不滿足規范要求，需要對邊坡進行加固。

4.2 邊坡加固方案及原理

4.2.1 邊坡加固方案

基于“固腳、強腰”的原則，擬采用預應力錨索框架梁、錨桿框架梁、排水孔等措施對邊坡進行加固，處治方案詳見表1。

表1 邊坡分級加固方案

4.2.2 邊坡加固原理

預應力錨索能提升高速公路邊坡穩定性，主要原因在于：錨索的預應力是主動施加的，錨固力源于鋼絞線的抗拉強度、鋼絞線與注漿體的黏結力、錨固體與周圍巖土體的黏結力。 計算時可將錨固力簡化為施加在潛在滑面上的集中力，并沿滑動方向和垂直滑面方向分解，以提高潛在滑坡體的抗滑力、減小其下滑力。同時，框架梁也會在一定程度上阻止滑動體下滑[6]。

4.3 邊坡加固后穩定性分析及研究

為了確定經濟合理的錨固方案，利用理正巖土7.0 計算了不同錨固方案下的邊坡安全系數，見表2。 方案一的錨索間距為3 m，錨索傾角20°，錨索長度取16 m、18 m、20 m、22 m；方案二的錨索間距3 m， 錨索長度20 m， 錨索傾角取10°、15°、20°、25°、30°。 其他計算參數取值同3.3 節。

表2 不同錨固方案下邊坡安全系數

由表2 計算結果可知：邊坡采用預應力錨索加固后，在工況Ⅰ和工況Ⅱ條件下安全系數均滿足JTG D30—2015 《公路路基設計規范》的要求，說明設計單位提供的加固方案是合理可行的。 此外，邊坡穩定性隨錨索長度的增加而提升，但當錨索長度超過20 m 時，邊坡穩定性提升幅度不大。 在工況Ⅰ條件下僅增長了1.3%，在工況Ⅱ條件下僅增長了2.3%；邊坡安全系數隨錨索傾角的增大先增加再減小。 在錨索傾角為20°時，邊坡穩定性最好。

綜上，為了實現最佳錨固效果，建議錨索傾角取20°、錨索長度取20 m、錨索間距取3 m。

5 結論

本文以某山區高速公路項目為研究對象， 主要得到以下結論：

1）山區高速公路邊坡破壞形式包括沿結構面破壞、圓弧滑動破壞和非圓弧滑動破壞等，其穩定性主要受地層巖性、降雨、邊坡開挖等因素影響；

2）對于可能發生折線形破壞的公路邊坡，建議選擇不平衡推力法的顯式解來分析其安全系數；

3）在降雨強度相同的條件下，高速公路邊坡的安全系數隨降雨歷時的增加而降低，兩者基本符合二次多項式函數關系；

4）邊坡安全系數隨錨索長度的增加而增加，隨錨索傾角的增大先增加再減小， 在擬定邊坡加固方案時應進行技術和經濟比選。