山區公路邊坡穩定性分析及支護設計

摘要 公路工程體系建設日益完善，山區公路工程建設也發展迅速，邊坡穩定性對山區公路的正常運營有著重要影響，邊坡失穩嚴重時會造成交通中斷，增強其穩定性至關重要。因此，該文對山區公路邊坡穩定性及支護設計進行研究，對邊坡穩定性進行分析，提出采用錨桿成孔支護、格構加固技術和植被柔性支護的設計方式，其中采用錨桿加固后的抗剪強度值約為加固前抗剪強度值的2.5倍，可以有效提高山區公路邊坡的穩定性。

關鍵詞 山區公路；邊坡穩定性；支護設計

中圖分類號 U416 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0127-03

0 引言

近年來隨著國民經濟的發展，公路工程體系建設日益完善，山區公路工程建設也發展迅速，由于山區地理環境相對較為特殊，地形較為復雜，進行山區公路建設需要考慮地形因素，山區公路邊坡容易發生山體滑坡，山區公路建設對施工的技術要求較高，對山區公路邊坡穩定性及支護問題進行研究成為人們的關注的焦點。林國進等[1]對通過抗滑樁加固的某三級邊坡工程進行研究，結果表明樁身彎矩對于邊坡穩定性影響較大，其彎矩峰值的位置也會與樁身的開挖深度有關。楊麗君等[2]對公路邊坡穩定性進行分析，發現大部分山區的公路自然邊坡穩定性不滿足設計要求，需要經過支護措施以提高其穩固性。邊坡穩定性對山區公路的正常運營有著重要影響，增強其穩定性至關重要[3]。蒙朝忠[4]針對多發生山體滑坡現象的公路邊坡進行研究，提出采用網噴混凝土的支護方法對邊坡進行加固，并且提出采用重力擋土墻方式也是對山區公路邊坡支護采用較為廣泛的一種措施。山區公路邊坡穩定可以減少災害事故的發生，保障了行車的安全性。因此，該文對山區公路邊坡穩定性及支護設計進行研究，旨為山區公路的建設和發展提供一定的參考依據。

1 山區公路邊坡穩定性分析

1.1 公路邊坡穩定性影響因素

邊坡穩定性首先會受到自然地質條件的影響，大部分邊坡不穩地帶多處于風化巖層地帶、堆積層地帶，或者在一些斷崖層地帶，尤其是對于具有復雜結構組成形式的多條斷裂帶，其構造類型較為特殊，屬于壓扭型，巖體內部的裂隙不斷變大，會導致巖體內部發生裂隙，造成巖體內部的破碎，從而巖體整體的力學強度減弱，進而使得巖層和土層不夠穩固。尤其是當此部分巖層處于傾斜狀態時，長時間受到來自巖層土體本身的荷載，在受到其他作用力的情況下，其力學性能也會逐漸下降，導致邊坡坍塌，進而引起山體滑坡，其主要原因是巖層力學強度較低、穩固性不強。

公路邊坡穩定性同時也會受到施工因素的影響，由于施工過程中機械設備施工所產生的震動會造成巖層和堆積土體內部受到震動力的作用，導致內部孔隙率增大，與原有山體的附著力減弱，脫離原有山體表面[5]，同時大面積的施工也會造成大面積的臨空面，臨空面受到自身荷載作用較大，更容易造成邊坡失穩。

1.2 公路邊坡穩定性分析方法

對邊坡穩定性進行分析的方法包括定性分析、確定性分析和不確定性分析，如圖1所示。對工程進行定性分析可以采用對該地區的自然條件進行分析，分析其地貌特征、巖層情況及自然歷史條件，也可以采用數據庫進行邊坡穩定性分析，參考已有數據庫，結合工程實際情況進行定性分析。定性分析同時可以通過類似工程進行對比分析，進行邊坡穩定性研究。而確定性分析方法種類較多，理論方法主要有極限平衡方法和強度折減法，強度折減法主要是用于計算邊坡在事故點或失穩點的安全系數。數值模擬分析方法包括有限元法、離散元法和邊界元法。Bishop、Janbu和Spencer法是進行邊坡穩定性分析所采用的極限平衡法[6]，此外不確定分析方法是灰色系統法，其包括的方法為可靠度分析方法、綜合評價法和神經網絡法。數值模擬計算方法應用得越來越廣泛，采用該種方法可以較為直觀地觀察邊坡失穩的全過程動態模擬效果，并且模擬數據也更加準確直觀，因此該文采用數值模擬方法分析邊坡穩定性。

1.3 邊坡穩定性計算分析

該文采用ABAQUS進行建模，分析邊坡穩定性，巖石層類型為強風化安山巖、強風化泥質巖和強風化花崗巖，表層為粉質黏土、堆積土和一些沙土，設置參數如表1所示，其中邊坡比例為1，巖體力學參數如表2所示。

在邊坡破壞過程中，平面剪切滑動發生在有軟弱夾層或裂隙的坡面，而旋轉剪切滑動則通常發生在均質泥巖或頁巖等巖層中。滑塌發生在邊坡松散巖土的坡角大于其內摩擦角時，導致表層蠕動進一步發展，使巖土體沿著剪切變形帶順坡滑移、轉動與坐塌。巖塊流動則常發生在均質硬巖中，當巖石達到其峰值強度時，巖體發生破壞，導致巖體全面崩塌，考慮表層土壤的含水率對邊坡穩定性的影響，觀察其不同軸向的位移，如圖2所示。X軸為橫向位移方向，Z代表縱向位移方向。可以看出，隨著含水率的增加，其X軸向和Z向軸向的位移值均逐漸增加，當含水率值高于12%時，其Z軸向位移增加值要明顯大于X軸向的增加值，表明隨著含水率的增加邊坡各個方向的位移增量發展并不均衡，邊坡的穩定性遭到破壞。

對A、B、C、D 四個位置點的邊坡穩定性進行分析，如圖3所示。從圖4可以看出在A、B、C、D四個位置點的邊坡穩定性系數存在較大差別，其中D點處的穩定性最強，其穩定性系數值約為2.548，在其他三個位置點的穩定性系數值偏低，穩定性系數值均低于1.5，可見不同位置的邊坡穩定性系數存在較大差異，從邊坡剩余下滑力可以看出，邊坡剩余下滑力與邊坡穩定性系數關系呈負相關，邊坡穩定系數與剩余滑力未表現出明顯的相關性。

2 山區公路邊坡支護設計

2.1 預應力錨桿成孔支護

錨桿成孔支護是加強邊坡穩定性的重要手段，被廣泛應用于山區邊坡支護的工程建設中。該支護方式主要是采用預應力錨桿去改變邊坡巖土層的穩定性，通過增加預應力錨桿以提高邊坡滑移面應力值，預應力錨桿可以有效抵消邊坡長時間在自身荷載作用下所產生的拉力，增強錨桿的使用壽命。采用錨桿與混凝土共同作用可以增強錨桿與巖層之間的作用力，有效抑制滑坡現象的發生，為進一步分析預應力錨桿對邊坡的支護效果，該文分析了采用預應力錨桿加固前后的巖體力學性能指標的變化情況，如圖4所示。

混凝土強度C值和抗折強度值Rb的改變會影響到巖體的抗剪強度值Ro，加固前后的混凝土強度C值和抗折強度值Rb均逐漸增加，而巖體的抗剪強度值Ro增加較大，加固后的抗剪強度值約為加固前抗剪強度值的2.5倍，由此可以看出采用預應力錨桿支護可以有效提高巖體的抗剪強度值，可以有效減弱邊坡下滑的趨勢，從而提高邊坡的穩定性。

2.2 格構加固技術

格構加固技術是在采用預應力錨桿技術層面上的一種升級的邊坡支護技術，采用該技術可以更有效地提高邊坡的穩定性。格構加固技術除了應用預應力錨桿技術以外，同時還需要利用現澆混凝土和預拌混凝土，采用砌塊石構成鋼筋混凝土框架結構，該結構可以承受來自錨桿構件壓力，作為一種受彎壓構件，在維護邊坡穩定性的過程中起到傳遞力的作用，屬于支撐結構。對邊坡起到固定作用的是錨桿，錨桿將力傳遞給格構框架，框架將其所受到的力傳遞給周圍土體，進行均勻分配，此框架結構多為十字形狀，除可以對邊坡起到加固作用外，還可以在格構框架內種植植物，進行邊坡美化，更好地提高邊坡加固效果。

2.3 植被及柔性支護

采用植被支護是支護方式中較為有效的一種支護方式，植被支護通常可以采用種植草類的方式進行支護設計，對于采用該種方式的邊坡對坡面的坡度和水的流速具有一定的要求，邊坡的坡度比不能超過1∶1，水的流速要低于0.65 m/s[7]。種植草的方式主要通過散播、噴播和客土噴播的方式，其中第一種方式適用于邊坡土層較為松軟的地帶，并且邊坡坡度較為緩和的地帶，邊坡土層為沙土、粉質黏土和堆積土時多采用該種播種方式。對于土層黏土層較薄、多為砂礫土層時多采用噴播的方法，客土噴播是將固體的肥料先填入提前挖好的洞穴，然后再播種上種子，該種方法可以改善原有土壤的特性，增強種子的成活率，有利于提高邊坡支護的效果。柔性支護主要采用邊坡防護網，其材質為塑料材質，是一種多層的塑料防護網，抗拉強度較高，屬于一種立體結構網，利用該種柔性結構網將邊坡進行覆蓋，可以降低雨水及大風等惡劣天氣對公路邊坡帶來的不良影響，增強邊坡的穩定性。

3 結論

公路工程體系建設的發展持續加快，山區公路工程建設也進展迅速，由于山區地理環境相對特殊，地形較為復雜，多山地，且地勢較高，起伏較大，進行山區公路建設需要考慮地形因素，山區公路邊坡穩定可以減少災害事故的發生，保障了行車的安全性。基于此，該文對山區公路邊坡穩定性及支護設計進行研究，得到以下結論：

（1）在邊坡破壞過程中，其塑性應變逐漸延伸到邊坡頂部，在某一方向上的邊坡移動的位移較大，邊坡的穩定系數下降。對邊坡的剪力進行分析，邊坡在被破壞的過程中其剪力的分布也逐漸重新分布，同時剪力分布范圍也會逐漸增大，表明邊坡穩定性在被破壞的過程中，其剪力也進行了重新分布。

（2）邊坡剩余下滑力與邊坡穩定性系數關系呈負相關，邊坡穩定系數加大時，其剩余下滑力較小，說明此處的邊坡穩定性相對較高。可以采用預應力錨桿、格構加固、植被及柔性支護方式進行邊坡加固，其中采用預應力錨桿支護加固后的抗剪強度值約為加固前抗剪強度值的2.5倍，可以有效減弱邊坡下滑的趨勢，從而提高邊坡的穩定性。

參考文獻

[1]林國進，卿福民，陳家強.基于Midas/GTS對某邊坡支護工程施工過程的穩定性分析[J].安陽工學院學報，2024（2）：100-104.

[2]楊麗君，趙葉江.基于FLAC3D的邊坡支護方案優化研究[J].黑龍江科學，2024（2）：51-55.

[3]桑偉寧，吳紅波.山區高速公路高邊坡穩定性分析及動態設計[J].安徽建筑，2021（9）：149-152.

[4]蒙朝忠.山區公路路基邊坡穩定性分析及支護設計的實例[J].中國高新科技，2021（16）：126-127.

[5]唐榮，李云霞.山區高速公路挖方路基邊坡穩定性及動態設計分析[J].工程技術研究，2020（20）：193-194.

[6]蔡益豐，李志寬，沈朱斌.降雨條件下復雜地質邊坡穩定性動態分析[J].北方交通，2023（9）：25-29.

[7]李春意.排水固結加固軟土堤防穩定性分析[D].杭州：浙江大學，2023.

收稿日期：2024-05-22

作者簡介：張瀟（1991—），女，本科，工程師，從事交通勘察與設計工作。