公路路基邊坡穩定性分析及錨固優化設計研究

王 前

（中交綜合規劃設計院有限公司,北京 100024）

0 引言

公路邊坡失穩問題在公路施工中一直是一個嚴重的技術難題，一旦發生失穩，可能會引發災害性交通事故，導致路面塌陷，公路損毀，給公路使用造成嚴重影響，增大了交通安全風險。在公路建設中，邊坡治理和加固成本高昂，若采取不恰當的措施可能導致資源浪費。從技術角度來看，需深入研究邊坡的地質特征，建立準確的力學模型和計算方法，以評估邊坡的穩定性風險。

目前已有國內外學者和工程技術人員針對公路邊坡穩定性進行了大量攻關。何如許[1]在錦屏一級水電站左岸坡地表及深層進行位移監測，通過對其連續變形現象的力學機制分析，結果表明傳統的邊坡穩定性分析方法主要基于經驗公式和實地監測數據，準確性和可靠性有一定局限，需要進一步研究和開發先進的技術和方法，以提高邊坡穩定性分析的準確性和工程實用性。

在邊坡加固方面，研究錨固技術的應用和優化設計方案，可以提高邊坡的抗滑能力并降低工程成本。史彧[2]通過 Flac3D 建立有限差分模型，研究預應力錨索加固巖質高邊坡的穩定性變化規律，并優化設計相關參數。研究發現，在最優范圍內增加錨索長度與邊坡穩定性正相關，對于順層巖質邊坡穩定性，傾角變化影響并不明顯，而適當增加預應力則能提高支護效果。李劍[3]利用高陡邊坡計算模型，綜合考慮坡巖土體強度減低系數，發現預應力錨索內力會迅速增加，尤其是錨索靠近坡腳處，其內力增加更為明顯，當減低系數一旦超過邊坡安全系數時，其內力增加的速度就會更快。

在這樣的背景下，對于公路路基邊坡穩定性分析和錨固優化設計的研究亟須進一步研究。通過深入研究公路路基邊坡的地質背景和特征，建立準確的力學模型和計算方法，評估邊坡的穩定性風險，為公路建設提供科學依據和指導，提高公路系統的安全性和可持續發展能力。

1 邊坡穩定性分析方法

1.1 極限平衡分析法

在坡面穩定性分析中，應用較多的是極限平衡法(極限平衡法)，也是設計程序中使用頻率最高的一種，算是一種數值分析法。極限平衡法的優點是簡單的力學模型可以定量評估斜坡的穩定性，但是只能提供所有可能危險滑行范圍內斜坡中的應力－應變狀態；雖然在處理均勻土質邊坡時方法比較可靠，而在涉及復雜介質和邊界的巖質滑坡體時，僅能提供一定程度的估計，計算結果與實際情況可能相差較大。

1.2 極限分析法

塑性極限分析法是根據極限狀態下自重和外荷載所做的功等于滑裂面上阻力所消耗的功的條件，求解極限荷載和邊坡安全系數的方法，將滑坡體作為服從流動規律的理想塑性材料。這種方法將上限和下限定理與塑性極限分析相結合。

塑性極限分析法給出了在理想條件下才能得到邊坡穩定解析解的邊坡安全系數范圍。此外，對于邊坡穩定性的影響，復雜的荷載、滲流等因素也很難考慮這種方法。所以，在實際運用中，需要注意其局限性。

1.3 數值計算法

在坡面穩定性分析中，常用的數值方法有離散單元法、 Flac3D、Limited 元法等。這些方法適用條件不同，利弊得失也不同。離散單元方法和 Flac3D 主要是處理離散問題、非連續性問題和變形較大的問題。可以考慮巖土體的斷裂和破碎行為，但其理論基礎相對較為復雜，需要對模型進行合理的離散化設置。有限元法（Limited Method）是一種應用廣泛、理論基礎成熟的數值方法。可以考慮巖土體的應力－應變關系，以及滑體和支護結構之間的相互影響。流形元法將有限元法和離散單元法的優點結合在一起，可以對連續到非連續的巖土體大變形過程進行有效的計算，能夠更準確地描述巖土體的斷裂和破壞行為，在處理復雜邊坡問題時具有一定的優勢。這些方法推動了邊坡破壞機制認識的發展，并作為邊坡工程設計和風險評估的依據。

2 邊坡錨固機理及計算模型的建立

2.1 邊坡錨固機理

路基邊坡在自然狀態下，承受滑動面上方巖土體的切向力、滲透力等作用，同時還承受其他荷載。滑坡面巖土體的抗剪強度參數主要依賴于邊坡的穩定性。在坡面工程中應用了錨固技術，以增強坡面穩定性。錨固技術通過設置錨桿或索，將其與邊坡和周圍巖土體緊密連接。錨桿或索的固定和深入長度能夠產生摩擦力、摩托力和抗拉強度，從而分擔邊坡荷載并增加抗滑能力。通過合理布置錨桿或索形成穩定的支撐系統，可以提高邊坡的抗傾覆能力。錨固作用力的作用使坡面各力系保持平衡，從而使坡面穩定性得到保證。錨固力一定要能在滑行面上平衡作用的力量，保證其抗滑力力矩比下滑力力矩要大，這樣才能防止對邊坡造成不穩定的破壞，這就是錨固力的作用，具體見公式（1）。

式中，∑ΔN——所有錨索受力變化量的總和；∑C——表示所有錨桿的剛度之和；ΔL——表示錨索長度的變化量；∑ΔT——所有附加載荷的總和；f——表示錨索摩擦系數的大小與某一固定件的摩擦特性；r——錨桿與巖體之間的距離。

公式（1）左側的部分表示錨固系統的抗滑力，由錨索受力、摩擦力和錨桿剛度共同作用產生。右側的部分表示附加載荷施加在錨固系統上產生的滑移力。當公式左側的抗滑力要大于等于右側的滑移力時，可以確保錨固系統的穩定性和安全性。

錨桿是一種用于防止邊坡塌方的加固技術，通過將錨桿插入穩定地層并與巖土體相互作用，利用穩定地層的錨固效應和被動性抵抗能力，將滑坡體產生的推力傳遞到更深的地下，從而保持邊坡的穩定狀態。錨桿通過與潛在滑動面上的巖土體相互作用，防止滑坡體滑落。發揮錨桿錨固作用的關鍵是合理確定約束點的數量、位置和強度安排。只有當這些約束點的布置與設計合理時，錨桿才能有效地保持邊坡的穩定狀態。經仁龍[4]通過以國道望冊公路沿線邊坡穩定性分析為背景，得出如下研究結果：錨桿支護可以顯著減小坡體的變形量，同時防止塑性區形成貫通帶，提高滑體的穩定性。雷越[5]在河南南陽內鄉西站附近工點巖坡變形規律分析通過極限平衡法、FLAC3D 數值模擬和正交試驗得出邊坡安全系數，邊坡錨桿通過正交試驗優化設計確定最佳錨固組合。因此，在實際工程中，為保證邊坡的穩定性，需要針對具體情況，設計布置合理的錨桿。

2.2 邊坡計算模型建立

該公路工程項目位于西南地區，設計時速80 km，雙向四車道。工程采用了現代化的設計標準，旨在提供高效、安全的交通通行條件。這條路最大的一條挖方坡，是一個高38 m、坡度達60°的斜坡。道路設有坡面等級，坡面總高度30 m，分為每級10 m 的3 個等級，并設有寬2 m 的平臺。這樣的設計在提高邊坡穩定性的同時，減少了土方開挖量。邊坡模型如圖1 所示。

圖1 邊坡模型示意圖

3 錨固參數優化設計

預應力錨索的使用，對邊坡穩定性起到明顯改善作用，減少了坡面位移。根據工程經驗，預應力錨索的傾角、間距和長度是影響加固效果的主要因素。為了確保邊坡的穩定性，并使預應力錨索發揮最佳作用，需要進行優化設計以確定最合適的錨固參數。

3.1 傾角優化設計

在優化設計時，錨索的傾角是關鍵因素。錨索傾斜度較大，影響了錨固作用。為保證注漿飽和度符合設計要求，在進行錨索鉆孔前需要進行注漿處理。錨索的斜角和橫向夾角要達到10°以上。然而，過大的傾角也不利于錨固效果，因此規范規定了錨索傾角的取值范圍為10~35°。設計的時候要綜合各方面的因素，選擇最好的傾斜角度，這樣才能起到拋錨的效果。

為研究錨索傾斜度對邊坡穩定性的影響，采用控制變量法進行了優化設計。在保持錨索長度（15 m）和垂直間距（2 m）不變的情況下，通過軟件將錨固角分別設置 為10°、12°、14°、16°、18°、20°進 行 分 析。如 圖2所示為錨索布置，如圖3 所示為邊坡穩定性受到錨索傾斜影響的結果。通過這樣的設計方式，可以更好地理解錨索傾斜程度對斜坡穩定性的影響，同時也可以找到最佳狀態的傾斜數值。這將有助于指導實際工程中的邊坡設計和錨固施工。

圖2 錨索布置圖

圖3 不同傾角下的安全系數變化圖

從圖3 可以觀察到坡度的安全系數隨著傾斜度的提高而逐漸降低。這同時也意味著邊坡的水平位移也呈現相似的趨勢。通過前面的分析可以知道，邊坡失穩的原因主要是巖層之間存在著薄弱的結構層。而錨索的作用在于使坡面的抗滑性更好地通過橫向的方式來實現。隨著傾角的增大，水平拉力的值會減小。因此，為了保證邊坡的穩定性，可以選擇10°作為最佳的錨固傾角，以獲得最佳的錨固效果。這樣的設計在實際工程中可以有效地起到引導作用，應對坡面穩定性的問題。

3.2 錨索長度優化設計

在錨桿長度縱距2 m，錨桿傾角10°的情況下，根據圖2 的設置對錨索長度進行優化設計，以保證錨固效果。分析不同長度錨桿（4 m，6 m，8 m，10 m，12 m，14 m，16 m，18 m，20 m）對邊坡安全系數的影響。利用有限元軟件對不同錨索長度下的邊坡穩定情況進行了模擬，并得到了變化趨勢如圖4 所示。

圖4 不同錨桿長度下安全系數變化圖

研究結果表明，如果斜坡錨桿加固的長度在18 m 以下，那么斜坡的安全系數會隨著錨桿長度的增加而逐漸增加，只不過這種關系是非線性的。但錨桿長度的增加，反而會導致在超過18 m 的坡面錨桿加固時，坡面安全系數降低。在實際工程中，選擇適當的邊坡錨桿加固長度是非常重要的，過長或過短的錨桿長度都可能不利于邊坡的穩定性。

4 結語

（1）傾斜面增大，邊坡安全系數降低，說明傾斜面增大會使邊坡穩定性降低，這是由于斜面增大而引起的。為了提高邊坡的抗滑力，選擇10°作為最佳的錨固傾角能夠獲得最佳的錨固效果。這樣的設計對于邊坡穩定性的問題，在實際工程中能夠得到有效的解決，起到一定的導向作用。

（2）在實際工程中，坡面安全系數與錨桿加固長度呈現非線性正相關關系。但是過長的錨桿長度在錨桿加固18 m 以上的時候，反而會對邊坡的安全系數造成不利的影響，即引起安全系數的下降。