某高速公路十級高邊坡穩定性分析及防護研究

文章依托廣西某山區高速公路，對典型路段K134+360～K134+660段右側十級超高路塹邊坡提出四種不同坡率和平臺寬度的設計方案，并基于ABAQUS有限元軟件對高路塹邊坡模型的穩定性進行對比分析。結果表明：該邊坡在超深挖路塹邊坡設計中，通過增大坡級間的平臺寬度，使其形成若干個相對獨立的小邊坡，能較高程度提高邊坡整體穩定性，可為類似超深挖路塹高邊坡施工設計提供參考。

高速公路；十級高邊坡；穩定性分析；有限元模型；防護措施

U416.1+4A050154

作者簡介：

宋運超（1995—），工程師，主要從事高速公路建設管理工作。

0" 引言

邊坡工程常存在于高速公路工程中，由于邊坡表面存在一定的傾斜坡面，在降雨及自重的條件下，其抗剪強度降低，自重增大，極易造成滑塌事故。其中，高速公路超深挖路塹邊坡尤為明顯，路塹邊坡開挖打破了自然狀態下邊坡的內部受力平衡，在自然降雨及人工擾動等因素綜合作用下，開挖的路塹邊坡極易造成坍塌、滑坡等工程事故，會掩蓋道路主體，影響行車安全［1］。因此，在高速公路建設過程中，高路塹超深挖是一項常見的技術難題。

近年來，國內學者采用有限元強度折減法分析邊坡穩定性取得較大進步，趙天彪等［2］研究表明采用理正巖土軟件計算的安全穩定系數與ABAQUS有限元軟件計算的結果基本一致；董璞等［3］研究得到強度折減法分析邊坡穩定性與極限平衡法計算結果基本相同。因此，本文結合廣西某山區高速公路K134+360～K134+660段右側超深路塹邊坡提出四種不同坡率和平臺寬度的設計方案，采用強度折減分析方法，從路塹邊坡穩定性、經濟性等方面入手，提出相應防護措施，為超深挖路塹高邊坡設計施工提供參考。

1" 工程概況

廣西某山區高速公路位于桂北地區，路線總體呈南北走向，全長136.152 km，主線采用100 km/h的技術標準，路基寬度為26 m。該項目K134+360～K134+660段右側超深路塹邊坡長300 m，最大坡高為83.4 m。在進行挖方邊坡設計時，根據邊坡高度及地質情況，按照8 m分級共設十級邊坡。

2" 工程地質條件

2.1" 地形地貌

該邊坡地處緩傾丘陵地貌，植被發育，以雜草為主，地面標高150.0～228.0 m，相對高差約78 m，路線所跨越的邊坡自然坡度約為15°～33°。無構造破壞，地形較完整，沖溝一般發育，坡體排水條件較好，水文地質條件簡單。

2.2" 地層巖性

根據地質鉆孔及工程地質調繪等資料揭示，邊坡路段地層主要由第四系坡積粉質黏土（Qdl）基巖與泥盆系郁江階（D2y）泥巖、砂巖組成，在揭示深度內自上而下依次為：

2.2.1" 第四系

3-3層粉質黏土（Qdl）：土質不均勻，含礫石和風化基巖碎塊，干強度低，表層含植物根系，層厚0.4～6.0 m。

2.2.2" 泥盆系郁江階（D2y）

12-1-1層全風化泥巖（D2y）：原巖結構基本完全破壞，呈礫砂-碎塊狀，局部夾薄層砂巖，層厚1.3～5.7 m。

12-2-1層強風化泥巖（D2y）：泥質結構，薄層狀構造，原巖結構部分破壞，呈碎塊狀，局部夾薄層砂巖，易風化，遇水易崩解，層厚1.4～15.1 m。

12-3-1層中風化泥巖（D2y）：泥質結構，薄-中層狀構造，泥質膠結，局部鈣質膠結，節理裂隙發育，局部含砂巖碎塊，易風化，遇水易崩解，層厚2.0～52.5 m。

12-4-1層微風化泥巖（D2y）：泥質結構，中層狀構造，泥質、鈣質膠結，易風化，遇水易崩解，層厚2.6 m。

12-1-7層全風化砂巖（D2y）：粗粒狀結構，層狀構造，泥質膠結，巖質極軟，局部夾薄層泥巖，易風化，層厚2.1～5.0 m。

12-2-7層強風化砂巖（D2y）：粗粒狀結構，薄層狀構造，泥質膠結，巖質極軟，局部夾薄層泥巖，易風化，上部含全風化泥巖薄層，層厚2.0～33.6 m。

12-3-7層中風化砂巖（D2y）：粉砂質結構，薄-中層狀構造，節理裂隙發育，巖質較硬，局部與泥巖互層，易風化，層厚5.5～14.8 m。

3" 工程地質評價

根據現場勘察及赤平投影分析（下頁圖1），邊坡開挖后，ZK1～ZK7路線左側邊坡傾向與巖層傾向夾角為116°，路線右側邊坡傾向與巖層傾向夾角為72°，巖層傾角均大于邊坡傾角，可不考慮順層現象對邊坡穩定性的影響。

ZK8～ZK15路線左側邊坡傾向與巖層傾向夾角為86°，可不考慮巖層沿結構面的順層現象對邊坡穩定性的影響；節理1與邊坡傾向夾角為97°，可不考慮巖層沿節理面1的順層現象對邊坡穩定性的影響；節理2與邊坡傾向同向，但巖層傾角大于邊坡傾角，巖層沿節理面2的順層現象對邊坡穩定性有一定影響。路線右側邊坡傾向與巖層傾向夾角為99°，節理1與邊坡傾向夾角為83°，可不考慮巖層沿節理面1的順層現象對邊坡穩定性的影響；節理2與邊坡傾向相反，無順層現象。路線左側邊坡下部巖體主要為全-強風化泥巖，附近地質露頭調查巖層產狀330∠51°，邊坡視傾角53°，節理2產狀245∠74°，具有順層現象，邊坡穩定性主要受節理面控制，設計應采取錨桿（索）等加固措施，錨固段應穿過潛在滑動面。

某高速公路十級高邊坡穩定性分析及防護研究/宋運超

邊坡上部地層主要為強風化泥巖、砂巖層，巖體內節理裂隙較發育，在工程施工過程中及施工完成后，經擾動可能發生局部剝落、墜落、崩塌等現象，長期暴露易受沖刷、風化，影響整體穩定。

（a）ZK1～ZK7左側

（b）ZK1～ZK7右側

（c）ZK8～ZK15左側

（d）ZK8～ZK15右側

4" 高路塹邊坡穩定性計算方法

對于邊坡穩定性的計算，采用強度折減法，折減后的抗剪強度公式為：

cr=cF（1）

φr=arctantanφF（2）

式中：c、φ ——土體的抗剪強度參數，其中c是粘聚力，φ是內摩擦角；

cr、φr——在實際條件下土體所能提供的抗剪強度參數；

F——強度折減系數。

在實際的有限元計算中采用不同的強度折減系數F，觀察計算結果是否收斂，在計算中不斷增加F，當邊坡達到臨界破壞狀態時的F值即為邊坡的安全系數。

5" 材料參數與模型的建立

5.1" 邊坡設計方案

邊坡設計方案主要是通過放緩坡率以及減小三～四級、六～七級之間的平臺寬度，提高邊坡的安全穩定性，以K134+460典型橫斷面為例，提出四個方案：

方案一：一級坡坡率為1∶0.75，二級坡坡率為1∶1.0，三級坡坡率為1∶1.0，四級坡坡率為1∶1.0，五級坡坡率為1∶1.0，六級坡坡率為1∶1.0，七級坡坡率為1∶1.0，八級坡坡率為1∶1.25，九級坡坡率為1∶1.25，十級坡坡率為1∶1.5，三～四級和六～七級之間各設20 m平臺。

方案二：將方案一20 m平臺變為10 m，同時，將邊坡坡率放緩。

方案三：將方案一20 m平臺變為16 m，同時，將邊坡坡率放緩。

方案四：將方案一的20 m平臺變為18 m，同時，將邊坡坡率放緩。

各方案邊坡坡率如表1所示。

5.2" 材料參數

K134+360～K134+660段路塹右側邊坡主要為強風化泥巖與砂巖層，含水性與透水性一般，因此，考慮滲透力作用，不考慮邊坡外側靜水壓力。根據現場勘測，選取邊坡控制性斷面K134+460，對其材料的物理力學參數取值進行試驗，彈性模量與泊松比由工程經驗確定，在進行ABAQUS模型計算時，判斷邊坡失穩的方式為模型計算不收斂，邊坡穩定性分析采用強度折減法進行，為了便于計算，假設模型為理想的彈塑性體。其具體材料參數如表2所示。

5.3" 模型的建立

通過Abaqus軟件，對四個方案建立模型進行分析。K134+360～K134+660段路塹右側邊坡坡長為300 m，開挖深度為83.4 m，共設十級邊坡。根據方案一邊坡坡率及平臺寬度建立如圖2所示的邊坡有限元模型，結構單元采用CPE4單元，共2 065個。模型左右兩側約束水平方向位移，底面約束水平與豎直方向位移，上表面不做約束，邊坡模型網格劃分如圖3所示。其他方案在模型上體現為各級邊坡坡率不同，以及三～四級、六～七級之間的平臺寬度不同。

6" 模型的分析與討論

6.1" 不同方案模型穩定性分析

對于超深挖路塹邊坡而言，開挖坡率是影響施工穩定性的決定性因素，坡級與坡級之間的平臺寬度也是影響坡面穩定性的重要因素。通過計算得到方案一、方案二、方案三、方案四模型下的強度折減系數分別為1.48、1.35、1.56、1.38。因此，方案一、方案二、方案三、方案四邊坡的安全系數分別為1.48、1.35、1.56、1.38，均大于我國施工規范1.2的要求，具有一定的安全儲備。

由圖4～7可知，當三級與四級、六級與七級邊坡間設置平臺寬度較大時，出現3個沿坡腳的滑動面（圖4、圖6、圖7），即相當于把十級高路塹整體邊坡劃分為3個小邊坡，當三～四級、六～七級邊坡間設置平臺寬度為10 m時，只出現了一個沿坡腳的滑動面（圖5）。同時，該方案的安全穩定系數也是最小的。這表明坡級與坡級之間的平臺寬度是影響坡面穩定性的重要因素，適當增大平臺間的寬度，能較大水平地提高邊坡開挖穩定性，其次，把三～四級、六～七級邊坡間設置寬＞16 m的平臺，相當于把整個坡面劃分為3個較小的邊坡，各個坡面相對獨立，相互干擾性小，而若將16 m寬平臺改為10 m平

臺的話，十級邊坡整體受力，對邊坡穩定性不利，因此在進行高路塹邊坡設計時，在資金及征地條件允許下，盡量設置較寬平臺以提高邊坡穩定性。

6.2" 不同方案經濟分析

通過對各方案占地面積及土方量進行計算，可分析得到不同方案的費用情況，如下頁表3所示為不同優化方案的經濟技術指標。由表3可知：方案一的土石方開挖量、占地面積、工程費用等指標皆較低且安全系數較高，因此建議采用方案一作為該邊坡設計施工指導方案。

7" 防護措施

7.1" 邊坡坡率及防護措施

根據穩定性分析結果，結合現場地質水文情況，綜合考慮超高邊坡的防護效果、施工經濟合理性等因素，擬定一級坡坡率為1∶0.75，采用路塹矮擋墻+錨桿格梁防護，錨桿設兩排，長12 m；二級坡坡率為1∶1.0，采用錨索格梁防護，錨索設三排，分別長43 m、45 m、47 m；三級坡坡率為1∶1.0，采用錨桿格梁，錨桿設三排，長12 m；三～四級之間設20 m寬平臺；四級坡坡率為1∶1.0，采用路塹矮擋墻+錨桿格梁，錨桿設兩排，長12 m；五級坡坡率為1∶1.0，采用錨索格梁，錨索設三排，分別長43 m、45 m、47 m；六級坡坡率為1∶1.0，采用錨桿格梁，錨桿設三排，長12 m；六～七級之間設20 m寬平臺；七級坡坡率為1∶1.0，采用路塹矮擋墻+錨桿格梁，錨桿設兩排，長12 m；八級坡坡率為1∶1.25，采用掛鋼筋網噴射混凝土；九級坡坡率為1∶1.25，采用掛鋼筋網噴射混凝土；十級坡坡率為1∶1.5，采用掛鋼筋網噴射混凝土。見圖8。

7.2" 排水設計

各級邊坡坡腳采用仰斜式深層泄水孔，孔徑130 mm，間距6 m，填充硬塑透水管（110 mm），內端頭用2層無紡布包裹，一～九級孔深為30 m，第十級孔深為10～15 m。一～九級坡每級邊坡間隔40～50 m設一道急流槽。寬平臺硬化時，內部需增設鋼筋網片，以防止平臺開裂。對深挖方背側截水溝處進行坡面硬化，同時截水溝增加防滲土工布。

7.3" 路塹矮擋墻

為進一步加強坡腳的穩定性，在第一、四、七級坡腳處設置1.5 m高的路塹矮擋墻，墻身與基礎采用C20現澆混凝土。

8" 結語

本文依托廣西某山區高速公路，對典型路段K134+360～K134+660段右側十級超高路塹邊坡提出四種不同坡率和平臺寬度的設計方案，基于ABAQUS軟件對高路塹邊坡模型的穩定性進行分析，并對不同方案進行對比，結果表明：方案一、方案二、方案三、方案四模型下的安全系數分別為1.48、1.35、1.56、1.38，其中方案一和方案三安全穩定系數相對較高，均具有一定的安全儲備，但方案一的經濟性較為合理；在超深挖路塹邊坡設計中，通過增大坡級間的平臺寬度，使其形成若干個相對獨立的小邊坡，能較高程度地提高邊坡整體穩定性，同時基于此提出相應的防護措施，可為類似超深挖路塹高邊坡施工設計提供一定的參考。

［1］郭逾冬.公路深挖路塹邊坡穩定性分析［J］.交通世界，2022（35）：49-51.

［2］趙天彪，袁茂蓮.某高速公路高路堤邊坡穩定性分析及設計優化研究［J］.公路，2022，67（1）：74-78.

［3］董" 璞，劉金龍，李亮輝.強度折減有限元法分析邊坡穩定性的精度探討［J］.四川建筑科學研究，2009，35（2）：146-150.

20240413