山區(qū)高速公路邊坡穩(wěn)定性分析及加固研究

左松清

（湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)沙410200）

1 引言

2 邊坡穩(wěn)定性分析原理

2.1 邊坡破壞形式

山區(qū)高速公路以巖質(zhì)路塹邊坡為主，其破壞機(jī)理復(fù)雜，破壞形式也無(wú)統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。 因此，本文根據(jù)滑動(dòng)面形式的不同，將邊坡破壞形式分為沿結(jié)構(gòu)面破壞、圓弧滑動(dòng)破壞、非圓弧滑動(dòng)破壞等。 其中，邊坡沿結(jié)構(gòu)面破壞是指潛在滑動(dòng)體沿節(jié)理、斷層、裂隙等軟弱夾層滑動(dòng)失穩(wěn)，一般表現(xiàn)為局部失穩(wěn)破壞；圓弧滑動(dòng)破壞是指邊坡巖體滑動(dòng)面近似成圓弧形，一般出現(xiàn)在整體失穩(wěn)破壞中，多發(fā)生在連續(xù)巖體；非圓弧滑動(dòng)破壞的巖體滑動(dòng)面既不是沿著結(jié)構(gòu)面，也不是沿著圓弧形滑動(dòng)面，多表現(xiàn)為折線滑動(dòng)破壞[2]。

2.2 邊坡穩(wěn)定性影響因素

邊坡失穩(wěn)過(guò)程包括蠕動(dòng)、微滑、劇滑、固結(jié)4 個(gè)階段，在對(duì)邊坡加固之前，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)踏勘，找到影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。

2.2.1 地層巖性

一般情況下， 高速公路邊坡所在區(qū)域的巖層并不是只有一種類型，而是由兩種及以上的巖層構(gòu)成。 邊坡巖層按抗壓強(qiáng)度可分成硬質(zhì)巖和軟質(zhì)巖。 硬質(zhì)巖自穩(wěn)性能好，設(shè)計(jì)坡率可以較陡，而軟質(zhì)巖在坡度較陡的條件下容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2.2.2 水的作用

相關(guān)研究成果表明，連續(xù)降雨天氣是高速公路巖質(zhì)路塹邊坡破壞的決定性因素。 一方面，雨水通過(guò)邊坡坡面裂隙滲入巖體內(nèi)部，浸泡巖體后使其含水率和重度提高，抗剪強(qiáng)度減小，并導(dǎo)致滑動(dòng)體的抗滑力降低，下滑力提高；另一方面，水在路塹邊坡內(nèi)滲流會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)水壓力，間接提高了邊坡的下滑力。

省委堅(jiān)決貫徹落實(shí)黨中央決策部署，把加強(qiáng)以憲法為核心的法治宣傳教育和推進(jìn)保障憲法實(shí)施的體制機(jī)制建設(shè)作為法治山東建設(shè)的重要方面，多次研究部署，組織集中學(xué)習(xí)，下發(fā)文件通知，要求全省各級(jí)各部門堅(jiān)持以習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想為指導(dǎo)，堅(jiān)定不移維護(hù)憲法作為根本法的權(quán)威地位，自覺(jué)維護(hù)憲法權(quán)威，捍衛(wèi)憲法尊嚴(yán)，切實(shí)抓好憲法在全省的學(xué)習(xí)宣傳和貫徹實(shí)施。

2.2.3 邊坡開(kāi)挖

高速公路路塹邊坡在施工前， 內(nèi)部應(yīng)力處于極限平衡狀態(tài)，坡體能保持自穩(wěn)。 邊坡開(kāi)挖卸荷過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生臨空面，使邊坡坡面巖體應(yīng)力松弛，巖體力學(xué)性能弱化。 同時(shí)，臨空面的存在削弱了坡腳的支撐力， 為邊坡向下移動(dòng)創(chuàng)造了良好的條件。 為了降低開(kāi)挖作業(yè)對(duì)公路邊坡的干擾，常選擇光面或預(yù)裂爆破等方案，并按設(shè)計(jì)方案分級(jí)開(kāi)挖和分級(jí)加固。

2.3 邊坡穩(wěn)定性分析方法

高速公路邊坡穩(wěn)定性有定性分析法和定量分析法兩類，二者是有機(jī)統(tǒng)一的。 定性分析法中實(shí)用性最強(qiáng)的是工程地質(zhì)類比法，定量分析法有簡(jiǎn)化Bishop 法、簡(jiǎn)布法、不平衡推力法、楔形滑動(dòng)面法及各種數(shù)值模擬方法[3]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料，推斷K38+225 處巖質(zhì)路塹邊坡可能發(fā)生折線型破壞。 根據(jù)JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》，本文建議采用不平衡推力法的顯式解來(lái)分析邊坡安全系數(shù)Fs，見(jiàn)式（1）：

式中，WQi為第i 個(gè)土條的重力，kN；αi為第i 個(gè)土條底滑面傾角，（°）；ci為第i 個(gè)土條黏聚力，kPa；li為第i 個(gè)土條底滑面長(zhǎng)度，m；φi為第i 個(gè)土條內(nèi)摩擦角，（°）；Ei、Ei-1分別為第i 個(gè)和第i-1 個(gè)土條的下滑力，kN；ψi-1為滑動(dòng)力傳遞系數(shù)。

計(jì)算前， 將潛在滑動(dòng)面以上的巖土體按一定的規(guī)則進(jìn)行條塊劃分[4]。

3 工程概況

3.1 設(shè)計(jì)概況

本文依托項(xiàng)目為某山區(qū)高速公路項(xiàng)目T2 標(biāo)， 路線全長(zhǎng)35.408 km，起點(diǎn)樁號(hào)K42+252，終點(diǎn)樁號(hào)K77+660，設(shè)計(jì)荷載取公路Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)速度取120 km/h，主線建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)是雙向4 車道。 邊坡安全系數(shù)的計(jì)算斷面樁號(hào)為K38+225，屬于巖質(zhì)路塹邊坡。 邊坡為4 級(jí)坡，最大高度27.2 m。

3.2 氣候氣象

邊坡所處區(qū)域?yàn)榇箨懶约撅L(fēng)氣候，受季風(fēng)環(huán)流、地理位置和地形等因素的綜合影響，年氣溫和降雨變化大。 具體氣候氣象條件如圖1 所示。

圖1 邊坡所在區(qū)域的氣候氣象條件

3.3 地層巖性

根據(jù)勘察資料，該邊坡巖土層從上至下分別為：①碎石土，重度17.6 kN/m3、黏聚力5 kPa、內(nèi)摩擦角20°，泊松比0.35；②強(qiáng)風(fēng)化砂巖，重度20.8 kN/m3、黏聚力25 kPa、內(nèi)摩擦角28°，泊松比0.3；③微風(fēng)化砂巖，重度22.7 kN/m3、黏聚力30 kPa、內(nèi)摩擦角46°。

3.4 地震

該高速公路邊坡所處區(qū)域地震烈度為6 度， 峰值加速度取0.05g，可不計(jì)算水平地震作用對(duì)該邊坡安全系數(shù)的干擾。

4 邊坡加固前后穩(wěn)定性分析及研究

4.1 邊坡加固前穩(wěn)定性分析及研究

4.1.1 計(jì)算工況

該邊坡安全系數(shù)計(jì)算選擇理正巖土7.0 軟件，操作步驟如下[5]：先在CAD 中建立邊坡模型→另存為DXF 文件→導(dǎo)入理正巖土軟件→輸入邊坡巖土體參數(shù)→指定滑動(dòng)面剪入口和剪出口→分析邊坡計(jì)算結(jié)果（共兩種工況，工況Ⅰ：邊坡處于天然狀態(tài)；工況Ⅱ：邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨?duì)顟B(tài)，降雨強(qiáng)度取36 mm/d，降雨歷時(shí)分別取1 d、2 d、3 d、4 d）。

4.1.2 計(jì)算結(jié)果

工況Ⅰ和工況Ⅱ條件下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖2 所示（B1、B2為回歸系數(shù)）。

圖2 不同降雨歷時(shí)下邊坡安全系數(shù)

由圖2 計(jì)算結(jié)果可知：在降雨強(qiáng)度相同時(shí)，邊坡安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)的增加而減小，但減小速率并不是固定。 降雨初始階段，邊坡穩(wěn)定性下降速率快；當(dāng)降雨歷時(shí)＞4 d 時(shí)，邊坡穩(wěn)定性變化速率不大。 隨后，使用數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件ORIGIN2017 對(duì)降雨歷時(shí)和邊坡安全系數(shù)的關(guān)系用多項(xiàng)式函數(shù)擬合， 相關(guān)系數(shù)接近1，精確度滿足工程需求。 利用該擬合公式可以預(yù)測(cè)任意降雨歷時(shí)下的邊坡穩(wěn)定性，從而對(duì)邊坡失穩(wěn)進(jìn)行預(yù)警。

工況Ⅰ條件下，邊坡安全系數(shù)為1.25，但在工況Ⅱ條件下邊坡安全系數(shù)僅為0.93，不滿足規(guī)范要求，需要對(duì)邊坡進(jìn)行加固。

4.2 邊坡加固方案及原理

4.2.1 邊坡加固方案

基于“固腳、強(qiáng)腰”的原則，擬采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁、錨桿框架梁、排水孔等措施對(duì)邊坡進(jìn)行加固，處治方案詳見(jiàn)表1。

表1 邊坡分級(jí)加固方案

4.2.2 邊坡加固原理

預(yù)應(yīng)力錨索能提升高速公路邊坡穩(wěn)定性，主要原因在于：錨索的預(yù)應(yīng)力是主動(dòng)施加的，錨固力源于鋼絞線的抗拉強(qiáng)度、鋼絞線與注漿體的黏結(jié)力、錨固體與周圍巖土體的黏結(jié)力。 計(jì)算時(shí)可將錨固力簡(jiǎn)化為施加在潛在滑面上的集中力，并沿滑動(dòng)方向和垂直滑面方向分解，以提高潛在滑坡體的抗滑力、減小其下滑力。同時(shí)，框架梁也會(huì)在一定程度上阻止滑動(dòng)體下滑[6]。

4.3 邊坡加固后穩(wěn)定性分析及研究

為了確定經(jīng)濟(jì)合理的錨固方案，利用理正巖土7.0 計(jì)算了不同錨固方案下的邊坡安全系數(shù)，見(jiàn)表2。 方案一的錨索間距為3 m，錨索傾角20°，錨索長(zhǎng)度取16 m、18 m、20 m、22 m；方案二的錨索間距3 m， 錨索長(zhǎng)度20 m， 錨索傾角取10°、15°、20°、25°、30°。 其他計(jì)算參數(shù)取值同3.3 節(jié)。

表2 不同錨固方案下邊坡安全系數(shù)

由表2 計(jì)算結(jié)果可知：邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索加固后，在工況Ⅰ和工況Ⅱ條件下安全系數(shù)均滿足JTG D30—2015 《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，說(shuō)明設(shè)計(jì)單位提供的加固方案是合理可行的。 此外，邊坡穩(wěn)定性隨錨索長(zhǎng)度的增加而提升，但當(dāng)錨索長(zhǎng)度超過(guò)20 m 時(shí)，邊坡穩(wěn)定性提升幅度不大。 在工況Ⅰ條件下僅增長(zhǎng)了1.3%，在工況Ⅱ條件下僅增長(zhǎng)了2.3%；邊坡安全系數(shù)隨錨索傾角的增大先增加再減小。 在錨索傾角為20°時(shí)，邊坡穩(wěn)定性最好。

綜上，為了實(shí)現(xiàn)最佳錨固效果，建議錨索傾角取20°、錨索長(zhǎng)度取20 m、錨索間距取3 m。

5 結(jié)論

本文以某山區(qū)高速公路項(xiàng)目為研究對(duì)象， 主要得到以下結(jié)論：

1）山區(qū)高速公路邊坡破壞形式包括沿結(jié)構(gòu)面破壞、圓弧滑動(dòng)破壞和非圓弧滑動(dòng)破壞等，其穩(wěn)定性主要受地層巖性、降雨、邊坡開(kāi)挖等因素影響；

2）對(duì)于可能發(fā)生折線形破壞的公路邊坡，建議選擇不平衡推力法的顯式解來(lái)分析其安全系數(shù)；

3）在降雨強(qiáng)度相同的條件下，高速公路邊坡的安全系數(shù)隨降雨歷時(shí)的增加而降低，兩者基本符合二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系；

4）邊坡安全系數(shù)隨錨索長(zhǎng)度的增加而增加，隨錨索傾角的增大先增加再減小， 在擬定邊坡加固方案時(shí)應(yīng)進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比選。