高速公路巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性及支護方法研究

王 彪

（中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089）

我國是一個多山的國家，大多數(shù)的高速公路都要穿越山區(qū)和丘陵地帶，這些區(qū)域地質(zhì)地貌條件復(fù)雜，為高速公路的建設(shè)帶來了諸多的問題。邊坡的穩(wěn)定性對公路工程的施工以及運營影響重大。山區(qū)公路邊坡中巖質(zhì)邊坡占大多數(shù)，公路的修建改變了巖體間原有的平衡狀態(tài)，增大了發(fā)生滑坡、崩塌的概率，嚴重影響了行車安全[1]。順層巖質(zhì)邊坡作為最為復(fù)雜的一類邊坡，在在建和已經(jīng)運營的高速公路中最易引發(fā)病害。每年因巖質(zhì)邊坡滑塌而引起事故造成的生命財產(chǎn)損失不計其數(shù)，因此針對巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析以及支護措施的研究就成了目前高速建設(shè)的重要課題[2]。

1 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響因素

1.1 內(nèi)在因素

內(nèi)在因素主要指巖體自身的強度特性，其中包括巖體的強度、結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)面的特征。與土質(zhì)邊坡不同的是巖層的傾角對巖質(zhì)邊坡的影響比較大，是控制巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性最為重要的因素。邊坡開挖之后會形成一個新的臨空面，不穩(wěn)定的巖體受到重力以及其他方面因素的作用，會導(dǎo)致下滑力逐漸增加。破壞首先會以順層滑動的形式為主，如若含有軟弱的夾層，滑動就會沿著軟弱夾層的方向。對于巖層的巖性，硬質(zhì)巖例如火成巖，節(jié)理裂隙相對不夠發(fā)育，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率較低。而對于軟質(zhì)巖例如沉積巖和變質(zhì)巖，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相比于硬質(zhì)巖更為復(fù)雜，這使得發(fā)生滑坡等災(zāi)害的概率激增。邊坡所在區(qū)域的巖層往往是由多種巖層共同構(gòu)成的，因此在分析邊坡穩(wěn)定性時，還需要考慮不同巖性組合之間的影響。結(jié)構(gòu)面是巖體相比較于土體特有的部分，結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)律、發(fā)育密度、表面特征以及結(jié)構(gòu)面之間的組合都會對巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性造成嚴重的影響[3]。

1.2 外在因素

外在因素即力的作用，主要包含重力、水、爆破振動的作用。水的作用主要分為兩個方面：地下水和降雨。大氣降雨的積水會沿著裂隙滲入到坡體的內(nèi)部，一方面水加大了坡體的下滑力，另一方面水會顯著影響巖體的結(jié)構(gòu)參數(shù)。水對坡體的影響主要體現(xiàn)在物化作用和水力效應(yīng)這兩個方面。在建設(shè)高速公路前，山體的巖石能夠達到一種相對平衡的狀態(tài)，但是公路的修建讓坡體產(chǎn)生了臨空面，打破了坡體之前的平衡，不僅會使坡面巖體應(yīng)力松弛，還會加速節(jié)理裂隙的擴展，弱化巖土體力學(xué)性質(zhì)。

1.3 其他因素

其他因素主要包括氣候條件、自然風(fēng)化作用、地震作用，等等。氣候條件影響著降雨和溫度，相關(guān)統(tǒng)計顯示北方干旱地區(qū)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)要高于南方多雨地區(qū)。

2 巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析

巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的分析整體上分為五大類：定性分析、定量分析、不確定分析、模型試驗以及原位監(jiān)測。具體還可以繼續(xù)向下細分，如圖1所示。目前在巖質(zhì)邊坡中最常用的是極限平衡法和數(shù)值模擬法[4]。

圖1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

2.1 極限平衡法

首先假設(shè)ABC是一個不穩(wěn)定的下滑體，然后對該下滑體進行受力分析，最后通過建立力學(xué)平衡方程來分析其穩(wěn)定性。計算簡圖如圖2所示[5]。

圖2 計算簡圖

對式（1）的邊坡高度進行求導(dǎo)，可得：

可以看出Fs與坡體的高度密切相關(guān)，會根據(jù)坡高的增加而逐漸減小，換而言之邊坡的高度越高，邊坡的安全系數(shù)就越小，越容易失穩(wěn)破壞。對式（1）的邊坡坡角進行求導(dǎo)，可得：

可以看出邊坡的坡角越大，邊坡的安全系數(shù)就越小。對式（1）兩邊的巖層傾角分別求導(dǎo)，可得：

綜上，可以看出最危險的滑動面主要和邊坡的坡高、重度、黏聚力以及內(nèi)摩擦角都有關(guān)系，其取值范圍在，因此最危險的滑動面傾角均要大于。

2.2 數(shù)值模擬法

如遇到地質(zhì)地貌環(huán)境較為復(fù)雜、巖層性質(zhì)較為多樣的情況，極限平衡法處理起來尤為麻煩，且分析的結(jié)果不夠準確。此時，數(shù)值模擬法則會體現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，該方法考慮到了邊坡巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及巖土體的各向異性，有效解決了極限平衡法所存在的缺陷，其模擬結(jié)果也比較符合工程的實際情況，計算結(jié)果也更加精細準確，能夠更加合理、全面地分析坡體的整體受力狀況。目前，有限元分析法、離散元法以及快速拉格朗日分析法是數(shù)值模擬在邊坡穩(wěn)定性分析中應(yīng)用最為廣泛的方法。這三種方法整體上各有優(yōu)劣，有限元法考慮了巖土體材料的各向異性、不連續(xù)性、力學(xué)參數(shù)的差異性，但同時也存在復(fù)雜的邊界條件問題等方面。而拉格朗日法是對有限元分析法的一種優(yōu)化，其解決了有限元小變形的問題。而離散元分析法則主要用來預(yù)測邊坡的變形趨勢以及穩(wěn)定性，能夠真實地反映邊坡在開挖過程中位移以及應(yīng)力的變化情況。以上三種方法各有優(yōu)劣，需要根據(jù)工程的實際情況來具體選擇[6]。

3 巖質(zhì)邊坡加固方法分析及實際應(yīng)用

3.1 巖質(zhì)邊坡的加固方法

巖質(zhì)邊坡加固措施的原理大致上可分為兩類：一是減小下滑力；二是增大抗滑力。目前常用的巖質(zhì)邊坡治理手段主要包括削方卸載、坡腳反壓、支擋錨固[7]。坡率法是一種相對較為經(jīng)濟的治理手段，但對于層面傾角較小，高度較大的邊坡，采用該種方法清方和棄渣量較大，施工所要占用的面積較大，此時需要驗證使用放坡治理的合理性。重力式抗滑擋墻在中小型的巖質(zhì)邊坡治理中應(yīng)用的效果相對更好，該方法的優(yōu)點是施工簡單、取材方便。如采用這種方法，往往需要在坡腳處首先開挖，但順層的巖質(zhì)邊坡開挖容易引發(fā)順層的滑坡，因此為了避免邊坡順層面整體滑動，在開挖的過程中，必須采用分段開挖或者跳槽開挖的方法。錨桿加固主要是將將邊坡下滑體的下滑力傳遞至坡體深處，從而達到提高抗滑力、增強穩(wěn)定性的目的。抗滑樁的目的主要指抵抗下滑體產(chǎn)生的下滑力，達到增強抗滑的作用，相比較于其他的支護方式，抗滑樁作用效果更為明顯[8]。

3.2 工程實例

（1）工程概況。某邊坡傾向為10°、傾角為65°、斜高為62m，巖體沿與坡面傾向相同的結(jié)構(gòu)面滑動，且部分巖體發(fā)生崩塌，巖體整體相對較為破碎，結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度較差。經(jīng)計算，該邊坡的安全系數(shù)均小于1，已經(jīng)瀕臨破壞的狀態(tài)，且局部區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)滑移崩塌跡象[9]。

（2）加固措施選擇。對該邊坡進行加固支護，主要遵循的原則就是弱開挖，強支護，對已經(jīng)開挖的邊坡放緩坡率、放寬坡型，加寬平臺。此外，還需要對該邊坡設(shè)置抗滑樁和錨索來進一步維護邊皮的穩(wěn)定。整體上來講，就是在邊坡的上部適當?shù)剡M行刷方卸載并設(shè)置短錨桿，長度為9m。同時，在中部設(shè)置兩道預(yù)應(yīng)力錨索，長度為40m，與坡面的夾角為15°，錨固段長度為10m，張拉預(yù)應(yīng)力為500kN；在下部設(shè)置抗滑樁，樁長為15m，樁徑為4000mm。由于該工程地質(zhì)條件與巖性復(fù)雜，因此采用數(shù)值模擬的方法，基于有限元分析法通過Midas GTS分析邊坡的支護效果。

（3）結(jié)果分析。邊坡支護前后的位移云圖對比如圖3所示。由圖3可以看出，邊坡在支護后位移發(fā)生了顯著的改變，自然邊坡的位移云圖整體上呈帶狀分布，最大的位移值已經(jīng)達到0.0492m，而經(jīng)過支護位移值相比于之前減少了近一半，僅為0.0236m。

邊坡支護前后的最大主應(yīng)力對比圖如圖4所示。由圖4可以看出，自然邊坡的最大應(yīng)力值在邊坡的底部為479.57kPa，最小值位于坡頂為31.30kPa。而在支護之后應(yīng)力集中的現(xiàn)象出現(xiàn)在了加支護的巖體附近，尤其是在抗滑樁樁頂?shù)膮^(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯。在支護之后，樁錨附近的巖土體應(yīng)力發(fā)生了顯著的改變，直觀地說明了支擋結(jié)構(gòu)的改善效果[10-12]。

4 結(jié)束語

綜上，文章首先從內(nèi)在因素、外在因素和其他因素三個方面闡述了巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響因素；接著介紹了邊坡穩(wěn)定性分析的方法，并著重分析了極限平衡法和數(shù)值模擬方法；最后歸納了巖質(zhì)邊坡的加固措施，并結(jié)合具體的工程實例運用數(shù)值模擬的手段驗證了加固效果，驗證效果良好。

圖3 位移云圖