山區公路路基邊坡危險性及防治措施研究

文/馮志剛

1 前言

公路路基邊坡是山區公路工程需要特別考慮的內容，也是直接決定項目安全性的重要因素，因此就需要制定合理的防治措施。同時施行防治措施后，也應對邊坡的可靠性進行分析，目前常用的方法有有限元軟件法以及傳統分析法，其各自有著不同的優勢與局限，因此兩者的比對就顯得尤為重要。

2 山區公路路基邊坡危險性常見防治措施

在確定公路路基邊坡防治措施時，應當基于工程實際情況而展開，同時滿足防治的基本原則。對于同一邊坡應當制定多個不同的防治方案，并對不同方案的經濟性、可行性做出論證，比對得到最優的方案。在實際的山區公路路基邊坡防治工作中，一般采取深層處理與淺層處理相結合的方式完成施工。

2.1 擋土墻

實踐表明，擋土墻能夠很好地約束土體的橫向側移，起到控制邊坡穩定性的作用。具體來看，擋土墻根據結構形式可分為若干個不同的類型，其中比較常見的有重力式擋土墻、錨桿擋土墻以及樁板式擋土墻等。對于具體的工程，擋土墻的類型、位置、尺寸都應當密切聯系工程實際情況來確定，對不同的方案進行橫向對比，分析其經濟性、可行性，選擇其中最佳的方案。重力式擋土墻以及衡重式擋土墻具有結構簡單、便于應用的優勢，其中前者主要通過自身重量來平衡土體的側向壓力，而后者則利用了墻體后的填土重量來提升穩定性。半重式擋土墻一般采用混凝土澆筑，并在墻體背后埋設適量鋼筋，這一類擋土墻有著更輕的重量，能夠在地基承載力較低的地區發揮良好作用。

在擋土墻的構造要求上，其背面坡角一般可取15o，且上下墻體的高度之比最好為2/3。墻頂最小寬度應當大于0.6m，在部分地形變化較大、環境條件復雜的地區，墻頂還需要加設護欄進行保護。擋土墻施工一般是在天然地基上進行的，因此這就對地基承載力提出了一定的要求，對于部分承載力不足的工程可以采取擴大基礎的設計。此外，對于地形起伏大的工程，可以采取臺階基礎設計；而在涉及軟土地基時，則可采取拱形基礎。值得注意的是，在臺階基礎設計中一般應當將寬高比控制在1/2，同時由于受到偏心作用的影響，地層臺階的寬度需要大于1.5m，而其他臺階高度也應大于1.0m[1]。

2.2 抗滑樁

抗滑樁在我國有著悠久的應用歷史，并在我國路基邊坡的防治工作中得到了廣泛的應用，且隨著我國工程建設需求的不斷提高，逐漸衍生出了П 形鋼架抗滑樁、排架抗滑樁以底部錨桿抗滑樁等。在抗滑樁實際工作中，結構主要抵抗水平作用，其設計一般在彈性地基梁之上進行。抗滑樁的設置主要為直線或者曲線，不同樁之間的間距需要根據土壓力、樁長等參數來確定，一般在6～10m 的范圍內。在地形地勢復雜、土壓力較大的工程中，可按照梅花樁的分布進行雙排布置。此外，樁的長度應當伸入到穩定巖層之下，且最大單樁壓力需要低于地基承載力。抗滑樁的施工一般采取人工開挖的方式完成，且為便于施工作業，樁的橫向最小尺寸一般需要大于1.2m。

一般而言，作用在抗滑樁上的推力大致呈現出梯形與三角形的組合形狀，且在滑動體具有足夠剛度時推力分布趨向于矩形，相反若滑動體的剛度較小則趨向于三角形。抗滑樁上的抗力分布大致呈現為拋物線形，且抗力的峰值一般位于滑動體的上半部分，也可粗略看成梯形與三角形的組合。同時，根據推力的分布情況可以發現，抗滑樁的彎矩、剪力峰值出現在滑動面的根部位置，若以該位置作為配筋參考，則設計相對比較保守[2]。

若采用雙排設計，則前排抗滑樁的推力大致為梯形分布，而后排抗滑樁的推力大致呈現為矩形分布。不同抗滑樁之間的間距不盡相同，因此在水平作用下前后排樁所承受的荷載往往也存在較大差異，一般而言前排樁主要分擔約30%～40%的荷載，而后排樁則承擔了約60%～70%的荷載。在樁截面形式的選擇上一般優先采用矩形，且井口位置需要設置鎖扣，如有必要還應當設置護壁。而對于配筋而言，縱向主筋直徑應當大于16mm，抗剪箍筋的直徑應當大于14mm。

3 工程案例分析

本文以我國某山區公路工程為例展開分析，該項目針對不同路段的地質條件采取了不同的邊坡支護方案，下面分別采用MIDASGTS 軟件以及傳統分析方法對邊坡安全性進行評價，并對這兩類技術進行比對。

3.1 邊坡工程概況

該工程項目位于山區，地質條件屬于構造剝蝕淺切割丘陵地貌，項目沿線最高邊坡為20m 的巖土質邊坡，且其風化嚴重，具有突出的安全風險。

3.2 工程地質狀況

項目勘察位置在背斜西側，巖層具有單斜產出的特征，借助勘察人員的檢測與分析，未在勘查區內發現斷層或活動斷裂帶，其地質結構相對簡單。對勘察區的巖體進行調查發現，其產狀主要為310o∠32o，巖層面閉合且平直，層間未發現膠結與填充，判定為硬性結構面。對勘察區北側出露基巖進行觀察發現兩組裂隙，其中一組裂隙的產狀為280o∠82o，裂隙界面閉合且平直，層間未發現膠結與填充，裂隙延伸長度為1～3m，裂隙之間的距離為0.6～1.5m；第二組裂隙的界面閉合且平直，層間未發現膠結與填充，裂隙延伸1～2m，裂隙之間的距離為1～1.5m。根據當地記錄的地質資料可知，建設沿線未有斷層，整體地質狀況比較簡單。

勘察區北側以及東南側的土層較為松散，且該處處于低洼地帶，地表水系有向該處匯聚的趨勢，因此在降水量大的季節巖體可能儲存較多的孔隙水，需要對降水工作予以足夠重視。同時，根據勘察結果可以發現，勘察區及附近區域發生崩塌、滑坡等災害的風險較低。根據《建筑抗震設計規范》（GB50011─2010）確定該項目的設計地震分組為第一組，抗震設防烈度取為VI 度，設計基本地震加速度值為0.05g。

3.3 路基邊坡治理措施

基于地勘報告，本項目對不同位置的邊坡選取了不同支護方法，具體如下：

邊坡高度10.5m，邊坡類型為混合邊坡，其破壞模式為土體內部出現圓弧形的滑移，并伴隨巖體分化剝落、坍塌掉塊，支護方案采用放坡+錨桿支護；邊坡高度8m，邊坡類型為土質邊坡，其破壞模式為土體內部產生圓弧形滑移，支護方案采用重力式擋土墻；邊坡高度6m，邊坡類型為巖土混合，其破壞模式為土體內部出現圓弧形的滑移，并伴隨巖體分化剝落、坍塌掉塊，支護方案采用重力式擋土墻；邊坡高度6m 不等，邊坡類型為巖土混合，其破壞模式為土體內部出現圓弧形的滑移，并伴隨巖體分化剝落、坍塌掉塊，支護方案采用自然放坡。

3.4 MIDASGTS 對重力式擋土墻的分析

借助有限元分析軟件MIDASGTS 對邊坡2 段的擋土墻進行分析。通過計算機計算可以得出邊坡右側位置的地基反力水平比較高，而其在X 方向上，力的水平較低。對重力式擋土墻的平面應力、應力圖進行分析可以發現，X 方向上擋土墻平臺及底部應變程度最大，同時墻根處的應力也最高。在X 方向上坡頂位置的土體最松散，但在豎直方向上坡頂、坡角以及平臺位置的應力處于較低的水平。

根據MIDASGTS 軟件分析的結果來看，重力式擋土墻對于土體的約束作用比較顯著，能夠大大減小土體的滑移，僅在坡頂位置存在下滑的趨勢。同時也可發現擋土墻的薄弱位置主要在擋土墻的墻根以及平臺處，這也是擋土墻主要的受力部位。而對邊坡工程而言，其最不利位置廣泛分布于擋土墻的各個部位，特別是墻體后的土體滑動面十分薄弱，滑動面整體呈現為圓弧形[3]。

對分析數據進行整理可以得出抗力與滑動力之比約為1.72，因此邊坡處于穩定狀態下。

3.5 兩種分析方法的對比

傳統分析主要是基于庫倫土壓力計算式來完成壓力計算，并借助極限平衡法來判定邊坡穩定與否，最終得出傳統分析法下邊坡2 的安全系數為1.61，這與MIDASGTS 計算得到的1.72 相近，因此可以認為兩者分析結論都為可靠。將MIDASGTS 軟件計算與傳統分析法進行對比，可以得出以下幾點：

傳統分析所用的極限平衡法包含了復雜參數，因此在確定邊坡滑動面時需要嚴格依據規范要求進行假設、推定。若過程中有多個組合面，那么還應當對其逐一計算、反復比對，得出最不利的結果。而在有限元分析下，則省去了確定邊坡滑動面的工作，滑裂面一般出現在抗剪能力不足的位置，因此根據應力分布圖能夠快速確定破壞面。

有限元軟件分析充分考慮了巖土的變形協調問題，并對材料本構關系中非線性的部分進行考慮，此外還規避了假設未知參數的問題，這就使得分析結果更加可靠、精準。這主要是因為傳統分析法是以彈性假定為基礎而建立的，將巖土看作了完全線形的材料，因此傳統分析法的結果相對更加保守。

借助有限元分析能夠得到邊坡破壞的全過程，并且比較精準地描述其塑性變化，進而得到邊坡的破壞鉸分布情況，進一步研究邊坡的破壞機理，這也是傳統分析法難以實現的作用。

4 結語

山區公路路基對于工程整體安全性有著突出的影響，并根據工程實際情況選擇合適的防治方法，其中擋土墻和抗滑樁是我國實際工程中最為常見的兩類技術。傳統分析法與有限元軟件法在邊坡穩定分析中都具有很好的應用效果，同時有限元軟件還有許多獨特的優勢，表現出了突出的應用價值。