山區公路高邊坡的失穩分析及加固設計分析

伍海林

(韶關市翔宏公路勘察設計有限公司，廣東 韶關 512023)

1 引 言

我國是一個多山的國家，越來越多的新建高速公路位于丘陵或是峽谷地帶，陡峻起伏的地形地貌、復雜多變的地質構造，給高速公路建設帶來了諸多難題。尤其是高速公路路基開挖施工時，沿線兩側往往不可避免的形成大量高邊坡，受到地質、環境、氣候等因素的影響，山區公路高邊坡的穩定性問題將直接應公路施工安全與進度，對此有必要加強山區公路高邊坡的失穩分析及加固設計，保證山區公路工程順利完工。

2 山區公路高邊坡問題概述

交通運輸是國民經濟發展的重要一環，也是我國基礎建設的重要內容。根據我國公路建設情況來看，自20世紀80年代以來至今，我國公路里程不斷增加、施工技術水平持續提高的同時，也對公路建設生態環保性、服務性等提出了更高的要求。據統計，截止2020年末，我國公路總里程已經達到了519.81萬km，隨著公路網絡的完善許多在建、擬建高速公路不斷朝著山區延伸，且此類公路等級高、路面寬、開挖量大，難免產生大量的高邊坡，如何保證高邊坡的穩定性是一個繞不開的工程問題。

根據山區公路建設情況來看，高邊坡是滑坡災害發生的主體，且高邊坡開挖過程中，其穩定性不僅受到巖土參數的影響，也受到人為施工、降雨以及外部荷載等諸多因素的影響，為減少和避免滑坡災害的發生，需預先進行高邊坡穩定性分析，并據此進行加固設計，提高加固方案的科學性、有效性，保證山區公路建設與運營安全性。

3 山區公路高邊坡失穩主要影響因素與分析方法

3.1 高邊坡失穩主要影響因素

(1)水的影響。山區公路高邊坡失穩乃至滑坡災害的發生，水都是十分重要的誘發因素，具體分為大氣降水與地下水兩個部分。其中，大氣降水的影響主要表現在以下幾個方面：降水填充巖土體裂縫與間隙，坡體下滑力增大；降水侵蝕、軟化巖體結構面，邊坡整體抗剪強度降低；長時間降雨沖刷邊坡，誘發邊坡失穩事故。地下水的影響主要表現在對坡體滑移面發育的作用上，一旦地下水位上升，將進一步增大坡內孔隙水壓力，加劇動靜水對巖土體的作用。

(2)地形地貌的影響。山區公路建設中高邊坡的形成實質上是打破了原有坡體內部平衡，并按照需要開挖坡體、改造坡面，并通過支護加固實現邊坡再平衡。對于山區公路工程而言，若是沿線地勢平緩、征地不受限制，可放設緩坡，達到降低施工難度、提高邊坡穩定性的目的；若是沿線地形較為復雜，如：深山峽谷，則對邊坡開挖、支護加固設計與施工提出了更高的要求，必須落實邊坡穩定性分析工作。

(3)巖體結構的影響。在巖體中，各種結構面不規則組合，并與巖石再組合，由此形成“巖體結構”。根據相關規范，可將巖體結構分為整體塊狀結構、層狀結構、碎裂結構以及散體結構，合理進行巖體結構分類，是提高巖質邊坡穩定性的重要基礎。

(4)巖土性質的影響。根據山區公路高邊坡穩定性分析可得，巖土性質是根本影響因素，如：石灰巖、花崗巖等巖性堅硬、巖體完整，開挖高陡邊坡不易失穩；軟弱巖石、土質邊坡，極易發生失穩問題，必須開展穩定性分析，并做好相關加固設計工作。

(5)工程開挖的影響。山區公路施工過程中，對高邊坡穩定性的影響主要分為以下兩個方面：爆破開挖對近坡面圍巖的擾動、開挖卸荷效應。其中，在巖質邊坡開挖中，預裂爆破、光面爆破是主要施工方法，爆破擾動極易引起邊坡圍巖脫落，這是穩定性分析與加固設計必須考慮的因素；開挖卸荷效應主要表現為路塹邊坡開挖，保留巖體由于應力狀態急劇變化導致節理裂隙擴展，降低了巖土體強度，進而影響邊坡穩定性。

3.2 高邊坡穩定性分析方法

在山區公路高邊坡工程中，邊坡穩定性分析是一大核心內容，目前相關分析方法發展較快，從二維擴展至三維、從單一方法發展至綜合評價方法。目前，邊坡穩定性分析方法主要可分為定性分析法、定量分析法以及不確定分析法，具體如表1所示。

表1 邊坡穩定性分析方法

在上述諸多方法中，極限平衡法是一種利用安全系數定量評判邊坡穩定性的方法，原理簡單、使用方便，且計算結果精度高，目前依舊是邊坡穩定性分析的主要方法；隨著計算機技術的發展，數值分析方法逐漸發展起來，其可模擬邊坡加載、卸載全過程，可通過嚴格應力、應變分析求解邊坡的極限荷載，常用的有有限單元法、有限差分法、耦合算法等。此外，基于非線性理論、系統理論、模糊理論以及人工智能的發展，不確定分析法逐漸得到推廣應用，且呈多學科、多專業、多部門融合的發展態勢。

4 實例探析山區公路高邊坡的失穩分析及加固設計要點

4.1 工程概況

本項目為某高速公路工程，項目位于山區，地形起伏大，呈南高北低的地勢，屬于剝蝕構造低山丘陵地貌單元。根據現場施工情況顯示，K40+787～K40+877段主要沿著山體的坡腰延伸，左高右低，山坡坡腳為縣城，除了局部地段外均為削方邊坡，邊坡坡口線外發展有多條裂縫，且裂縫的寬度不斷增加，整個高邊坡的穩定性較差。

4.2 邊坡現場調查情況

根據前期踏勘與本地補勘顯示，邊坡開口線外山坡上發育有4條連續性好的變形裂縫，裂縫情況如表2所示。根據深部位移監測顯示，測斜孔CK-3、CK-4在孔深19 m、19.5 m處發生位移突變。沿著裂縫4往下，可見基巖陡坎局部垮塌，且可見一拉張裂縫延往坡下，細微變形跡象在三級坡坡腳一帶消失。根據調查結果推斷，此高邊坡是沿深部一軟弱夾層發生的滑移變形，同時根據邊坡變形破壞范圍、潛在滑動面深度(平均厚度14 m)，估算潛在滑坡體方量7×104 m3，且邊坡開挖是邊坡變形主要誘因。

表2 變形裂縫情況

4.3 邊坡穩定性分析與計算

本項目采用極限平衡法(Bishop法)對邊坡穩定性進行分析，本次選用的是Geo-slope計算分析軟件展開二維極限平衡分析。根據計算，工程地質剖面1-1′安全系數為1.00～1.05、剖面2-2′安全系數為0.986，剖面3-3′安全系數為0.995。由此可得，計算結果實際情況基本一致，驗證了計算參數的可靠性，由此可判斷坡體處于不穩定或臨界狀態。參考《公路路基設計規范》要求高速公路滑坡安全系數1.20～1.30，必須對邊坡進行加固設計。

4.4 邊坡加固設計

基于本項目邊坡工程地質特征與穩定性分析結果，設計采用削方+錨固的邊坡加固方案。經綜合分析，剖面1-1′、2-2′設計為5級坡方案，每級邊坡坡高10 m，其中，一級、二級坡采用原設計方案，三級坡坡比設計為1∶1.25，四級、五級坡坡比設計為1∶1.5，馬道寬度2 m。經由計算顯示，削方無法提高邊坡安全系數，需進行錨固設計。

本項目坡體強風化厚度大，設計采用網格梁+預應力錨索的錨固方案。經綜合分析，每級邊坡設計為3根錨索，錨索間距3.5 m、錨索錨固力600 kN、錨索傾斜角度15°～20°。經由邊坡安全系數驗算顯示，削方+錨固方案下，剖面1-1′、2-2′安全系數分別為1.261、1.252，達到規范要求的，此加固方案完全可行。此外，剖面3-3′計算顯示，剪出口部位在坡體開口線外，決定在開口線外坡底低洼、坡度平緩位置設計樁板墻或錨拉樁，樁后回填形成坡比1∶3的填土坡，有效提高坡體安全系數。

5 結 語

綜上所述，山區公路是線性帶狀工程，常穿越復雜地形地貌與不同地質構造單元，且高邊坡工點多、坡體內地質條件復雜，落實高邊坡穩定性分析十分重要。在工程實踐中，需合理選擇穩定性分析方法，明確山區公路穩定情況，并進行針對性的加固設計，全面提高邊坡安全系數，保證公路施工安全、運營可靠。