基于傳遞系數法的公路路基邊坡穩定性分析及失穩防治對策

張獻軍

（四川達陜高速公路有限責任公司，四川 成都 610000）

0 引言

據交通運輸部于2023 年6 月發布的《2022 年交通運輸行業發展統計公報》顯示，截至2022 年底，全國公路總里程達535.48 萬km[1]。如何對如此龐大的公路基礎設施進行安全運維和智慧管養成為相關從業人員亟需思考的現實問題。受不良地質、自然沉降、極端氣候條件等外界因影響，長期通車在營的公路將會面各種路基災害的威脅，其中路基邊坡失穩作為一種嚴重威脅行車安全，嚴重時甚至會引發重大安全事故的災害形式，一直深受從業、研究人員的重視[2]。基于此，有必要結合實際工程情況對公路路基邊坡進行穩定性分析，進而以分析結構為基礎因地制宜地提出針對性的防治措施。

1 工程案例概述

本文以達萬高速公路為研究案例進行研究，該高速公路地處山區丘陵地帶，沿線溝壑縱橫以致形成諸多高填方及深挖路塹地段，因而高邊坡穩定性成為該高速公路所必須考慮的關鍵問題。由于邊坡成形涉及巖體、土體內部應力的重新分布過程，在路基建成、服役期間，邊坡結構的內部應力狀態依然處于動態變化過程，此時若未采取合適的防治措施，將可能導致公路路基邊坡產生包括滑動、側向擴離、崩塌以及流動等形式的失穩破壞，進而對路面行車的安全性構成嚴重威脅。

2 公路路基邊坡的失穩分析

2.1 失穩分析模型介紹

本文依托達萬高速實現基于傳遞系數法的路基邊坡穩定性分析。利用該方法進行計算時，首先需要結合實際情況以初步確定一個滑坡安全系數，然后對邊坡土體進行土工試驗以獲取土體的粘聚力c 和內摩擦角?。根據以上信息對安全系數進行進一步計算即可獲得穩定系數Fs。進而將計算結果與極限平衡條件實施對比，若滿足極限平衡條件，則認為以上計算結果符合實際情況，否則還需要進一步進行計算獲得新的結果，繼續比較，如此循環迭代直至最終結果滿足極限平衡條件為止[3]。

公路路基邊坡土體的下滑力計算模型如下：

式中：Ti——第i 條滑塊剩余的下滑力大小；Ti-1——第i-1 條滑塊剩余的下滑力大小；αi——第i 條滑塊滑移面的傾角；αi-1——第i-1 條滑塊滑移面的傾角；Fs——邊坡土體的穩定安全系數；wi——第i 條滑塊本身的重量；ji——第i 條滑塊的內摩擦角；li——第i 條滑塊的滑移面長度；ci——第i 條滑塊的粘聚力；yi——第i 條滑塊的傳遞系數。

公路路基邊坡的穩定性系數的計算如式（2）至式（7）所示。

式中：Ri——第i 條滑塊的抗滑力；Ti——第i 條滑塊的下滑力；Ni——第i 條滑塊的滑移面上的反作用力；其他參數的物理意義與上文所述相同。

2.2 基于傳遞系數法的邊坡穩定性分析

考慮到達萬高速公路所在地區可能會發生暴雨天氣，而正常氣候與暴雨氣候條件下邊坡的穩定性會存在明顯差異，因此，本文考慮了正常工況和暴雨工況兩種情況下公路路基邊坡的穩定性系數。所選取了兩個典型的路基邊坡分別用邊坡Ⅰ和邊坡Ⅱ表示，并將邊坡的穩定安全系數初始值設置為1，即可根據上文所述的數學模型進行迭代計算。

利用土工試驗方法對兩個典型邊坡的相關物理參數進行測驗，測得邊坡Ⅰ在正常氣候條件下的自身重度為18kN/m3，粘聚力和內摩擦角則分別為14.7kPa 和5°，如若為暴雨氣候條件，其重度為19.1kN/m3，而粘聚力和內摩擦角則依次為13kPa 和4.1°。邊坡Ⅱ在自然氣候條件下的自身重量、粘聚力和內摩擦角分別為18kN/m3、14.6kPa 和5.2°，暴雨氣候條件下的以上3 個數值則分別為19.1kN/m3、12.9kPa、4.2°。

以上述參數結合前文所述方法可以分別計算得到邊坡Ⅰ在天然工況下的穩定安全系數為1.2，穩定性系數Fs為1.19，在暴雨工況條件下邊坡穩定安全系數為1.1，穩定性系數Fs為0.98。對于邊坡Ⅱ，天然工況條件下邊坡穩定安全系數和穩定性系數Fs分別為1.2 和1.21，暴雨工況條件下邊坡穩定安全系數和穩定性系數Fs分別為1.1 和0.99。

2.3 計算結果討論

《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）中已經對公路路基邊坡的穩定性系數作出了明確規定，如果計算發現穩定系數低于規范標準的要求，則表明邊坡穩定性不夠，不滿足實際使用要求，此時必須采取措施對邊坡進行治理以提升及穩定性[4]。本文研究的高速公路其安全等級為二級，根據傳遞系數法計算得到的穩定性系數不得低于1.2。將兩個邊坡的穩定性系數計算結果與規范標準進行對比，發現在正常工況下，邊坡Ⅰ的穩定性系數比安全規范標準稍低，邊坡Ⅱ的穩定性系數比安全規范標準稍高，基本能夠滿足要求。但是在暴雨的情況下，兩個邊坡的穩定性系數分別為0.98 和0.99，低于規范標準要求，因而需要采取措施對公路路基邊坡進行治理，進一步提升其穩定性，以保證路面行車安全。

3 公路路基邊坡失穩防治對策

3.1 邊坡失穩防治方案設計

為了提出更加科學合理的防治方案，本文擬從提升邊坡穩定性系數、降低邊坡失穩概率的角度出發，提出了三種邊坡失穩防治方案。

圖1 為3 種邊坡失穩防治方案的原理。從圖1 中可以看出，方案A 從3 個方面進行防治，首先是刷方減重，然后是設置預應力錨索抗滑樁，最后在坡面設置錨索框架梁支護。方案B 利用刷方減重、坡面錨索框架梁支護、擋土墻等措施進行失穩防治，該方案在兩個位置設置了擋土墻，分別為坡頂和坡腳。方案C 與方案B 基本相同，相較于方案B，方案C 選擇只在坡腳的位置設置擋土墻，取消了坡頂位置的擋土墻。

圖1 邊坡失穩的防治方案

3.2 防治效果

為了對提出的3 種邊坡失穩防治方案的效果進行對比，同時降低試驗成本，利用軟件程序對上述3 種防治方案進行模擬分析，獲得了相對應的結果。由于公路路基邊坡只是在暴雨工況條件下的穩定性系數相對較低，有發生邊坡失穩的風險，所以進行模擬分析時只是模擬了暴雨的工況條件，且主要以邊坡Ⅱ為例進行分析[5]。結果發現，在外部環境參數完全相同的情況下，方案A、方案B 和方案C 獲得的穩定性系數大小分別為1.25、1.28 和1.15。通過模擬計算發現前面兩個方案的穩定性系數能夠達到規范標準要求，第三種方案的穩定性系數沒有達到規范要求，因此，不能實施第三種方案，需要進一步從經濟性層面對前兩種方案進行對比，以確定最優的方案。

3.3 經濟技術效益

分別對方案A 和方案B 的處置成本進行預算。如果利用方案A 對所述公路路基邊坡進行治理，涉及的工程項目主要包括挖方、抗滑樁樁身、預應力錨索抗滑樁、混凝土框架梁、坡面預應力錨索，以上工程項目需要花費的總費用分別為180.6 萬元、1435.5 萬元、207.4 萬元、935.2 萬元、266.8 萬元，合計費用大約為3025.5 萬元。如果利用方案B 對所述公路路基邊坡進行治理，涉及的工程項目主要包括挖方、擋土墻、混凝土框架梁、坡面預應力錨索，以上工程項目需要花費的總費用分別為223.7 萬元、2347.9 萬元、1774.9 萬元、1309.2 萬元，合計費用大約為5655.7 萬元。

通過以上對比可以發現，方案A 與方案B 相比較而言，對應的穩定性系數雖然較低，但是其處置成本要低好多。另外，方案B 施工過程中需要使用大量的施工材料，現場施工時存在很大難度，施工期間存在很大風險，且施工周期較長。綜上所述，方案A 和方案B 各有優劣勢，綜合考慮施工成本、施工難度和施工周期等多方面的因素，最終選用方案A 對公路路基邊坡進行防治。

4 邊坡現場處治效果

利用方案A 對公路的路基邊坡進行治理，現場結合實際情況設計了更加詳細的方案。完成施工方案以后對邊坡的穩定性進行監測，分別監測了下部滑體以及樁頂水平位移的演變情況。對下部滑體連續開展70d的監測，結果發現在第60d 左右時，下部滑體基本不再出現明顯變化，說明已經達到了穩定狀態。對樁頂位移開展連續90d 的監測，結果發現同樣在60d 左右時抗滑樁變形基本處于穩定狀態，不再出現明顯的變化情況[6]。對坡面的預應力錨索連續開展150d 的監測，結果發現在第120d 左右時錨索拉力達到穩定狀態，不再出現明顯的變化。工程實踐數據表明，利用方案A 可以達到很好的效果，目前公路路基邊坡的穩定性顯著提升，截至目前沒有再出現邊坡失穩現象。

5 結語

受到地形地貌的限制，公路建設過程不可避免會形成路基邊坡。由于邊坡形成時會打破原有的受力平衡，且長期服役公路的邊坡穩定性會受到諸多不利因素影響，從而造成邊坡失穩以至威脅行車安全。因而有必要對公路路基邊坡穩定性進行定量計算分析，以及時掌握路基邊坡的穩定性狀態。

本文以達萬高速公路為研究案例，采用基于傳遞系數法的分析方法對兩個典型邊坡在自然和暴雨條件下的兩種工況進行了定量的邊坡穩定性分析，最終確定通過刷方減重、預應力錨索抗滑樁、坡面錨索框架梁支護的綜合防治措施進行邊坡治理，治理效果顯著，可供相關研究借鑒。