基于強度折減法的路塹高邊坡支護方案研究

尉立基，吳華偉，章海明

（1.山西交通控股集團有限公司 臨汾北高速公路分公司，山西 臨汾 041000；2.山西省交通新技術發展有限公司，山西 太原 030031）

引言

隨著我國西部高速公路的大量修建，常常會在山區開挖后形成路塹高邊坡。路塹開挖后山體的應力發生重分布，對山體的穩定性會造成一定的影響[1-2]。特別是順向高邊坡，切坡開挖后，巖層的抗滑段土體減少，導致剩余下滑力超過土體的抗剪強度，從而導致原有巖層產生沿巖層層面的滑動，發生山頂塌方等危害。因此如何保證巖體開挖過程中的穩定，并分析開挖后支護方案的優劣性，選擇最佳的支護方案是巖土工程界的重要研究內容。

數值分析目前是研究巖土工程的重要手段之一。隨著計算機技術的發展，目前已經有了眾多的有限元計算軟件，這對巖土工程研究具有重要的意義。Midas軟件是一款強大的巖土工程計算軟件，利用強大的幾何技術和建模功能，能夠很大程度上模擬絕大部分的巖土工程，且在計算結果上相對安全[3]，因此常用來做巖土工程分析。

1 強度折減法

強度折減法是在外荷載不變的前提下，將土體的抗剪強度指標進行不斷折減，使土體處于極限平衡時的折減系數即是邊坡的穩定性系數[4-5]。結合有限差分法的強度折減法具有不用假設邊坡破壞的滑動面的優點，避免了假設滑動面的不準確性導致計算結果不可靠的后果，同時還具有不受地貌影響的特點，能夠模擬出邊坡破壞過程中的滑移面形狀和位置，因此在進行邊坡的穩定性分析時，采用強度折減法能夠較合理地還原邊坡的破壞過程[6]。

2 工程概況及有限元模型建立

2.1 工程概況

某高速公路邊坡高約15 m，是一個巖層外傾的順層邊坡，頂部為粉質黏土，其下為強風化碳質頁巖和中風化炭質頁巖。巖體完整性較好。巖土參數見表1。

表1 土層參數

為了保證高速公路修建過程中以及后期運行的安全，擬定了兩種方案[7]。方案一采用三級1∶1放坡，每級放坡之間留1 m的馬道，坡高5 m，并采用素噴C20混泥土護面+6 m高重力式擋墻進行支擋。方案二則采用三級1∶1放坡，每級放坡之間留1 m的馬道，坡高5 m，同時設置直徑16 mm、長度為4 m 的錨桿，在坡腳設置6 m高的重力式擋墻，兩種方案設計參數見表2，擋墻形式參數相同，頂寬0.8 m，胸墻坡比1∶0.2。施工步驟見表3。

表2 邊坡支護設計參數

表3 施工步驟說明

2.2 有限元模型建立

在有限元模型的建立過程中，邊界的選取往往會影響計算的最終結果。只有計算的邊界范圍足夠大才能避免邊界處的約束對計算模型產生不準確的影響。但是模型邊界過大又會給模型的計算時間等帶來額外的影響。因此選取合理的邊界尺寸既能避免邊界效應的影響，又能達到計算快速的目的。模型尺寸邊界見圖1。

圖1 建模尺寸

邊坡的錨桿實際作用機理除了能夠起到一定的抗拔作用以外，還能承受一定的剪力。但出于安全儲備，在模型建立過程中錨桿采用的植入式桁架單元來模擬，噴混凝土采用梁單元來模擬[8-9]。邊坡有限元模型計算依據摩爾-庫倫準則，共建立2 142個節點，創建了2 165個單元。三個邊界方向采用全約束。建立該高邊坡的二維模型見圖2。

圖2 邊坡模型網格

3 有限元模型分析

建立路塹高邊坡的二維模型后，首先分析路塹邊坡在天然狀態下的穩定系數為1.24，暴雨狀態下的穩定性系數為0.98，由此可見該邊坡在暴雨狀態下已容易發生失穩的危險。其原始狀態下的塑性區見圖3。可以看出，在天然狀態下，該邊坡容易沿粉質黏土和炭質頁巖的分界面發生滑動，從而造成山體滑坡的嚴重后果。從圖中可以看出，邊坡并沒有從坡腳剪出，證明在天然狀態下下部的炭質頁巖穩定性良好，粉質黏土容易產生滑動。尤其是在暴雨狀態下，粉質黏土的抗剪強度進一步降低，從而導致失穩。

圖3 原始狀態下邊坡塑性區分布

為了進一步分析在開挖高速公路路塹之后該邊坡的支護的穩定性，利用強度折減法進行了不同支護方案施工過程中的邊坡穩定性分析。整理分析得到不同支護方案下的邊坡穩定性系數見圖4。

圖4 不同安全施工過程的安全系數變化對比

通過分析不同支護方案下的邊坡安全系數變化規律可以看出，在無錨桿支護的方案一中，隨著邊坡開挖和支護的進行，邊坡的穩定性逐步增加。在第一步和第二步開挖的過程中邊坡的安全系數得到有效的提高。因為在開挖第一步和第二步的過程中，挖方有效地減少了起下滑作用的土體的重量，使得這個邊坡的下滑力減小，抗滑力與下滑力的比值增大，從而提高了邊坡的穩定性。尤其是第二層噴混凝土施工完畢后，邊坡的穩定性最好。但當進行第三臺階開始之后，邊坡的穩定性系數有所降低，究其原因，是因為邊坡的抗滑段的抗滑力減小。分析方案二的安全系數可以看出，隨著邊坡的開挖和支護，其安全系數也呈現出增大的變化趨勢。其總體變化趨勢與方案一基本一致。

對比分析兩種支護設計方案的安全系數的變化規律，可以看出在原始狀態和第一臺階的開挖過程中，兩種方案的安全系數基本一致。之后由于不同支護方案的支護強度不一樣，可以看出增設錨桿的方案二支護效果明顯好于方案一，可見錨桿在該邊坡的穩定性影響中，起到了一定的抗剪抗滑的作用，對邊坡的穩定性有較好的提升作用。同時也可以看出，兩種支護方案下邊坡的安全系數都大于1.35，均符合規范要求。

為了進一步對比兩種支護方案下的邊坡穩定情況，分析兩種支護方案下的邊坡塑性區分布見圖5、圖6。

圖5 方案一塑性區分布

圖6 方案二塑性區分布

從圖5可以看出，在無錨桿支護的方案一中，邊坡仍然存在一個潛在的圓弧狀表層滑動帶，該滑動帶即位于粉質粘土和炭質頁巖的巖層分界面附近，這是因為在成巖過程中，在巖層分界面處膠結強度較低造成的。另外可以看出滑動帶在坡腳的位置初應力最大，因此在施工完畢后，在長期的運營過程中，可能會出現坡面噴混凝土出現剪切裂縫的病害。從圖6可以看出，加設錨桿之后，邊坡的塑性區范圍明顯縮小。只在表層出現了小范圍的塑性區，這表明錨桿調整了邊坡的應力分布，起到了明顯的支護作用。潛在的滑動面位置明顯下移，加深加大，且滑動面的應力明顯減小，支護效果良好。

雖然增設錨桿在一定程度上增加了工程造價，但是在可控范圍內，該類順向挖方路塹邊坡仍然建議設置錨桿進行加固防護，避免帶來后期運營的潛在危險與病害。

4 結語

（1）隨著開挖卸載，降低了邊坡的下滑力，順向高邊坡的穩定性逐漸提升。（2）不加設錨桿容易沿巖層分界面出現表層滑動，剪壞坡面噴混凝土，從而造成后期運行病害。（3）增設錨桿有效地調整了邊坡的內力分布，使潛在滑移面的應力減小，滑移面加深加大，增大了邊坡的安全系數，提高了邊坡的穩定性。