高速公路路基工程高填深挖邊坡穩定性分析

潘天軍

（貴州省公路工程集團有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

高速公路施工階段，需進行土石方開挖及回填，特別是在山區高速公路工程中，高填深挖邊坡很常見，該類邊坡穩定性較差，施工安全風險較高[1]。近些年，業界就此類邊坡的穩定性開展深入研究，結合高速公路工程實踐分析高填深挖路基邊坡的穩定性影響因素，發現降雨對此類路基邊坡的結構穩定性的影響較大，易引發邊坡滑坡及沖刷破壞等。因此，施工時需采取有效的加固措施進行邊坡加固，并做好邊坡結構穩定性監測。為確保邊坡在運營階段的結構穩定性，需深入調查邊坡區域地質、水文條件，確保加固措施的可行性，有效減少邊坡失穩的出現[2-3]。

1 高填深挖路基邊坡破壞形式及機理

1.1 邊坡破壞形式

高速公路邊坡失穩的表現主要有滑坡、垮塌，其中滑坡最常見，破壞力也很大，滑坡的形成機制是部分邊坡面出現位移，土體沿著位移面滑動，最終導致滑坡[4]。基于不同的形成機理，滑坡可分為牽引式滑坡、滑移式滑坡兩類；崩塌也是一種較為常見的邊坡失穩形式，在自重的作用下，部分邊坡土體突發崩落，崩塌多出現在坡度較陡的邊坡。

1.2 路堤邊坡破壞機理

高速公路路堤邊坡破壞主要是坡腳、邊坡表面的沖刷破壞，河流附近的路堤會受到雨水沖刷，且強降雨可能引發洪水，持續沖刷路堤坡腳，最終導致邊坡失穩。邊坡表面的結構破壞則與降雨形成的地面徑流有關，雨水在邊坡表面形成徑向溝槽，隨著降雨的持續，徑向溝槽持續擴張，最終引發路基邊坡破壞失穩。

1.3 路塹邊坡破壞機理

路塹邊坡破壞失穩與地質條件密切相關，地質條件的影響包括以下幾點：

（1）路塹邊坡巖土體的力學性能因風化作用變差，使其結構穩定性減弱，最終引發邊坡失穩。

（2）開挖路塹邊坡后未第一時間做好邊坡表面防護，導致外露的邊坡在外部影響因素的作用下出現失穩。

（3）降雨時，邊坡表面雨水滲入邊坡結構內部，導致邊坡土體自重增加的同時結構強度下降，在自重作用下，部分邊坡土體下滑，出現失穩。

2 邊坡穩定性影響因素

結構因素：直接影響巖質邊坡結構的穩定性，邊坡結構面尺寸、幾何形狀、土體性質、空間分布等因素對邊坡結構力學性質有直接影響[5]。因此，僅定性分析邊坡結構的穩定性不能作為邊坡加固處理的全部依據，還應關注邊坡結構面對邊坡土體結構強度的影響。

含水率因素：水對邊坡結構穩定性的影響主要體現在邊坡土體自重的增加及其結構強度的降低，含水率與邊坡土體自重成正比，與其結構強度成反比，外在表現為邊坡的下滑力增加以及抗滑力的降低，當前者超過后者時邊坡土體出現滑移，進而引發邊坡失穩。

施工因素：高速公路路基工程施工階段，邊坡開挖會破壞邊坡內部的應力平衡，使得應力重新分布。如施工過程中未采取措施進行坡面加固，在雨水沖刷等環境因素的影響下，邊坡結構穩定性逐漸降低。此外，對于需開展爆破作業的巖質邊坡，爆破形成的沖擊力也破壞邊坡結構穩定性，增加邊坡失穩風險。

3 高填深挖路基邊坡穩定性分析方法

3.1 定性分析法

工程類比法、圖解法是實踐中應用較多的定性分析邊坡穩定性的方法。其中，工程類比法的基本原理是依據邊坡地質條件、土體性質及是否發生過滑坡等條件尋找與當前工程類似的路基邊坡工程實例，并進行對比分析，總結二者的異同，根據分析結果定性分析邊坡結構的穩定性[6]。圖解法的基本原理是根據赤平極射投影原理，在同平面上投影邊坡產狀、巖土體結構面，觀察二者的水平投影關系，確定邊坡的可能滑動面，從而實現邊坡穩定性的定性分析。

3.2 定量分析法

在定性分析的基礎上，定量分析高填深挖路基邊坡穩定性可進一步提高邊坡穩定性的預測準確性，為加固邊坡提供可靠依據。現階段應用較多的定量分析方法包括極限平衡分析法、數值分析法。

3.2.1 極限平衡分析法

在工程實踐中，極限平衡分析法的應用較多，其基本原理是根據力學平衡原理，通過計算確定邊坡的潛在滑動面，進而得到合理的邊坡安全系數。極限平衡分析法的關鍵環節包括分析邊坡滑坡面形態、邊坡滑坡范圍，極限平衡分析法可進一步分為畢紹普法、簡布法等，可以直觀高效地進行計算分析。

3.2.2 數值分析法

現代信息技術的不斷進步的背景下，數值分析法應運而生，常用的數值分析法包括離散元法、有限差分法、有限單元法等。其中有限單元法應用最多，其主要特點在于將邊坡土體的地質條件考慮在內，可以全面客觀地體現工程實際情況，根據邊坡結構內部應力分析其結構穩定性，但該方法要求數據準確，需保證初始數據誤差在合理范圍[7]。

離散元法可有效解決有限單元法存在的問題，能夠直觀呈現邊坡位移等關鍵狀態，適用于塊裂巖土體邊坡穩定性分析，但離散元法也存在缺點，如離散元計算時步小，很難確定相關系數[8]。

由此可見，合理運用數值分析方法可以解決傳統分析方法無法觀測邊坡失穩過程的問題，但需先進行數學建模、參數驗算，對技術人員的專業能力要求更高。因此，在高速公路路基工程中需綜合運用極限平衡法、數值分析法，互為補充，彼此驗證，以有效提高邊坡穩定性分析結果的可靠性。

4 工程實例

4.1 工程概況

某山區高速公路為雙向四車道設計，起點樁號K70+800，終點樁號K72+800，設計速度80 km/h，路基設計寬度26.5 m，公路沿線共設置大中橋9座，天橋4座，匝道現澆橋2座，路基總長度19 km，挖方量為573萬m3，填方量366.7萬m3。多路段需進行高填深挖，高填深挖邊坡坡度范圍26°～32°，絕對高程180～285 m，相對高差28 m。

4.2 自然條件及施工環境

4.2.1 地形和地貌

該高速公路工程地處丘陵山區，地勢東低西高，海拔平均900 m，海拔最低點在（南池鄉二神口）916 m，區域內溝壑縱橫，地形復雜。施工區域存在農田以及山坡植被，坡面植被主要為雜草、灌木。

4.2.2 氣象和水文

該公路工程所在區域為亞熱帶氣候，夏熱冬暖，降雨較多，四季分明，光照充足。根據往年降雨量數據計算可知年均降雨量1 332.9 mm，4—7月為雨季，降雨量占全年降雨量的85%，年平均氣溫9.3 ℃，年平均相對濕度70%，凍土深度最大約75 cm，無霜期約157天。由于該地區降雨量大，公路邊坡失穩風險較高。因此，雨季來臨前需做好邊坡穩定性分析，根據分析結果采取針對性的邊坡加固措施，以有效確保高填深挖邊坡穩定。

4.3 極限平衡分析

公路K57+850右塹斷面如圖1所示，通過極限平衡分析邊坡結構穩定性，邊坡高47.23 m，邊坡結構面傾角29.0°，邊坡加固方式為錨桿加固，邊坡結構面內摩擦角為25.3°、黏結力為33.4 kPa。利用理正軟件、極限平衡分析法中的圓弧滑動面法求得邊坡安全系數為1.302＞1.2（規定安全系數），表明邊坡穩定。

圖1 右側路塹斷面（單位：m）

4.4 數值分析

通過ABAQUS開展有限元分析，數值模型如圖2所示。該公路右側路塹邊坡屬于Ⅴ級邊坡，數值模型高95 m，寬180 m，邊坡土體性質從上到下依次為強、中風化粉砂巖，基于摩爾-庫倫本構模型建立數值模型，除上表面外，模型其他邊界均做位移約束，加固錨桿幾何尺寸為18×1 000 mm2。天然土體物理力學參數以及加固錨桿基本參數如表1所示。

表1 土體的物理力學參數和錨桿性能

圖2 數值模型

進行錨桿加固后的邊坡土體塑性云圖如圖3所示，存在貫通畫面，邊坡結構穩定性處于臨界態，利用圓弧滑動面法求得邊坡結構安全系數為1.094＜1.2，表明邊坡結構穩定性欠缺，需加強邊坡加固，以有效提高邊坡結構的穩定性。

圖3 開挖完成后的塑性區云圖

4.5 加固措施

（1）邊坡支擋：該措施的主要作用是提高邊坡土體的抗滑力，從而有效提高邊坡結構的穩定性，是路基邊坡結構加固的最有效方法。在工程實踐中可結合多種邊坡支擋方法進行綜合運用，最大限度地減少雨水沖刷破壞，起到加固坡體、防護坡面的作用。

（2）邊坡排水：邊坡土體含水率直接關系到邊坡結構的穩定性，邊坡表面的積水以及邊坡土體內部的水都會給邊坡穩定造成負面影響。因此，需做好邊坡排水措施。常用邊坡排水措施主要分為邊坡表面排水措施與邊坡土體排水措施[9]。其中邊坡表面排水措施是指截引邊坡表面的地表水，確保其順暢排出，避免積水徑流在邊坡表面形成溝槽，破壞邊坡結構。邊坡土體排水措施是指疏排地下水，主要排水設施包括滲溝、盲溝、滲井等。

該高速公路工程路塹較深，邊坡級數較多，坡度較大，邊坡結構穩定性較差，特別是在降雨情況下，邊坡失穩風險明顯增加。因此，需對第一、二級邊坡采取混凝土框架植草加固，對第三、四級邊坡采取錨桿加固，對頂級邊坡進行掛網植草加固[10]。

5 結論

綜上所述，該文從高填深挖路基邊坡破壞形式及機理出發，分析了不同工況下的邊坡穩定性，并以工程實踐為依托，提出了邊坡加固措施并得出以下結論：

（1）施工前需認真制定施工方案、邊坡結構穩定性監測方案，實時分析監測數據，施工時應采用合理的邊坡加固措施。

（2）合理運用極限平衡法、數值分析法等定量分析方法，互為補充、彼此驗證，以有效提高分析結果的正確性。

（3）針對多級路塹邊坡，需對第一、二級邊坡采取混凝土框架植草加固，對第三、四級邊坡采取錨桿加固，對頂級邊坡進行掛網植草加固。