錨桿加固路堤擋墻邊坡穩定性分析

文章以廣西某路堤邊坡工程為例，采用錨桿擋墻加固擋墻為研究對象，通過室內三軸試驗對比浸水前后土層抗剪強度參數的折減系數，并采用Geo-Studio極限平衡法分析法，對不同強度折減工況下的邊坡進行安全系數預測模擬分析，驗證了錨桿加固邊坡的安全有效性。結果表明：通過室內試驗得到的邊坡降雨工況下強度折減系數范圍在0.6～0.8，錨桿加固能有效提高邊坡安全系數，模擬降雨工況強度指標折減系數＜0.6時，路堤邊坡安全系數較小，處于欠穩定狀態，可能發生滑坡失穩現象，應當及時做好排水和坡面加固防護措施。研究結果可為邊坡設計和加固提供參考。

路堤邊坡；極限平衡法；強度折減；穩定性分析

U416.1+4A220693

作者簡介：

黃培令（1992—），工程師，主要從事道路方向設計與研究工作。

0" 引言

路堤邊坡穩定性問題會影響工程施工和運營過程的安全性，因此邊坡穩定性一直是道路設計中的重要環節。邊坡穩定性分析是根據周圍地質和水文環境與荷載工況相結合的計算分析方法，常用的分析方法有：極限平衡法、強度折減法、可靠度分析方法和灰色理論分析法等。高興杰［1］針對抗滑樁和毛石擋墻聯合支護，利用考慮樁土相互作用的強度折減法研究了邊坡支護的合理選型。賀劍輝［2］以高填深挖人工邊坡為例，依據邊坡防護工程設計原則加固設計方案，并通過建立數值模型確定邊坡穩定狀態。農明科［3］采用Midas GTS軟件建立三維模型，分析強降雨前后路基邊坡穩定性，發現高邊坡安全系數與錨桿長度存在關系且存在某一臨界值。梁策等［4］在考慮樁土相互作用的基礎上，通過PFC離散元研究抗滑樁支護的原邊坡變形破壞特點。張政等［5］將極限平衡法和有限元強度折減法原理相結合，從邊坡穩定性角度出發，應用理正及有限元軟件分別對開挖邊坡整體抗滑穩定性和局部面層塑性破壞進行計算分析。本文針對廣西某路堤擋墻邊坡的穩定性和安全性問題，采用極限平衡法和強度折減法結合的形式進行邊坡穩定性分析，為實際工程施工和設計提供參考依據，給出降雨工況下邊坡強度折減的參考范圍。

1" 工程概況及地質條件

本文以廣西某植物園區路堤邊坡為參考對象，場區規劃路線在山前坡腳及凹地，處于浙南侵蝕剝蝕丘陵區，區內最高點高程為190.0 m，場區線路內高程為68.0～190.0 m，兩者高差約為120 m。場區內線路山體和陡坎自然坡度為10°～90°，陡坎高度一般在1～5 m。

人工邊坡坡度為30°～90°；人工邊坡高度一般在1～5 m。根據鉆探揭露場地地層成因類型，自上而下劃分六大層：-0素填土（Q4ml），-1耕土（Q4pd），淤泥（Q4hl），含黏性土卵石（Q4al+pl），含碎石砂質粉土（Qel-dl），a1全風化凝灰巖（K1cl）、a2強風化凝灰巖（K1cl）、-a3中風化凝灰巖（K1cl）、b1全風化砂巖（K1c2）、b2強風化砂巖（K1c2）、b3中風化砂巖（K1c2）。場區勘探深度以內測得局部地下水1.30～1.48 m，場區勘探深度以內地下水類型主要為松散巖類孔隙潛水、基巖裂隙水和紅層孔隙裂隙水。淺部松散孔隙水主要分布素填土、含碎石砂質粉土，其滲透系數一般為6×10-5～6×10-4 cm/s；含黏性土卵石滲透系數一般為30～60 m/d。

2" 路堤擋墻邊坡失穩病害機理分析

2.1" 降雨因素影響

由于評估區域屬山谷地形，匯水面積較大，擋墻邊坡發生失穩的誘發因素很多，其中，突發降雨可能是主要因素。根據區域調查查明的工程地質環境條件及降雨歷史統計資料，分析區多年平均降雨量為1 578.7 mm，降水集中在3～6月及8～9月，年降雨較為豐沛。

由于高強度降雨可能路堤邊坡排水不暢，使邊坡土層抗剪強度顯著降低。為驗證由于降雨工況及排水問題導致的路堤邊坡失穩問題，從現場挖取部分表層土樣進行室內三軸壓縮試驗，確定土體的內摩擦角和粘聚力等抗剪強度參數，通過折減系數法降低強度參數，模擬預測降雨工況下，路堤邊坡的穩定情況。

2.2" 室內試驗及抗剪強度參數

經室內常規三軸試驗，得到飽和土體的應力應變曲線和莫爾圓，如下頁圖1和圖2所示。測得現場淺表土有效強度指標為內摩擦角33.2°、粘聚力28.4 kPa。此外，采用土樣飽和情況下的總應力法，近似模擬現場強降雨時土體強度，可得到現場土體的強度指標為內摩擦角29.1°、粘聚力6.9 kPa，相比土樣的有效強度，指標折減系數為0.757。

參考其他學者對路堤邊坡定量分析方法，畢仲輝等［6］考慮土樣抗剪參數變異系數對強度指標折減，折減范圍為0.55～0.75；童欣等［7］通過強度指標折減對比發現在折減系數為0.5～0.75時降雨對邊坡安全系數的影響較大；黃明奎等［8］研究極端降雨對邊坡土體強度參數的影響邊坡土體由于降雨滲流導致基質吸力的變化，對土體強度參數的折減平均為0.68倍。綜上所述，結合室內試驗，對該路段邊坡降雨工況下的強度折減系數選取范圍為0.5～0.8。

2.3" 抗剪強度參數折減穩定性

模擬對比擋土墻和回填土不同強度參數對墻身穩

定的影響，結果見圖3和表1。當材料內摩擦角φ＜30°、粘聚力c＜100 kPa時，擋土墻發生失穩破壞且滑移面貫穿擋土墻。

3" 錨桿加固后邊坡穩定性預測分析

3.1" 錨桿加固邊坡模型的建立

推測降雨可能是造成路堤邊坡失穩和坍塌的主要原因，通過Geo-studio軟件采用極限平衡法對其邊坡穩定性進行預測對比。根據該路堤邊坡加固前設計，邊坡采用衡重式擋土墻進行邊坡支護，采用錨桿加固后邊坡擋墻如圖4所示，根據相應比例在Geo-Studio軟件中建立二維邊坡模型如圖5所示。模型尺寸X軸為地面水平距離長度為60 m，Y軸為高程長度為50 m，強度準則采用摩爾-庫侖強度準則。

3.2" 巖土與錨桿參數的確定

根據地質土層埋深可將剖面土層分簡化為3種，土體材料參數見表2。參照《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330-2013）（以下簡稱《技術規范》）現場勘測資料，綜合考慮土體邊坡穩定性的重要性和其他破壞可能造成的危害，現場路堤邊坡的安全等級為二級邊坡，結合該場地所處的地質水文條件，綜合確定其穩定性自然工況下系數K≥1.30，地震工況下K≥1.10，邊坡穩定安全設計值見表3。該區域屬于浙南地帶，其地震震級一般＜4級，最高地震烈度為5～6度，地震動峰值加速度0.05 g，依據《技術規范》，在抗震烈度6級以上的地區，應對邊坡工程應進行地震作用計算。

根據《技術規范》，經設計計算錨桿軸向力錨桿（索）軸向拉力標準值應按式（1）計算：

Nak=Htkcosα（1）

式中：Nak——相應于作用的標準組合時錨桿所受軸向拉力（kN）；

Htk——錨桿水平拉力標準值（kN）；

α——錨桿傾角（°）。

錨桿錨與巖土層間的長度應滿足式（2）的要求：

la≥KNakπ·D·frbk（2）

式中：K——錨桿錨固體抗拔安全系數，按表4取值；

La——錨桿錨固段長度（m）；

frbk——巖土層與錨固體極限粘結強度標準值（kPa），應通過試驗確定；

D——錨桿錨固段鉆孔直徑（mm）。

根據該路堤邊坡設計值中錨桿單軸抗壓強度，取frbk=1 200 kPa，錨桿傾斜角為25°，孔徑110 mm，錨桿直徑28 mm，根據《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010），HRB400鋼筋對應抗拉強度設計值fy=360 N/mm2。結合式（1）和式（2）可得抗拉設計值為200 kN。

3.3" 穩定安全系數分析

經過Geo-Studio軟件的計算，得到錨桿加固后擋墻邊坡模型在自然工況以及降雨工況時最危險滑動截面的安全系數，如圖6所示。并對邊坡安全系數進行統計和匯總（見后頁表5），表中記錄了Bishop、Janbu、Morgenstern-Price三種計算方法對土體邊坡的穩定性分析，三種方法之間相互檢驗校正，綜合分析路堤邊坡的穩定性，可以發現，Janbu法所得的安全系數最小，偏安全考慮，Morgenstern-Price法計算所得安全系數最大。

經加固后的擋墻邊坡在自然以及降雨工況下基本滿足穩定性要求，當模擬降雨工況折減系數=0.6時（即10-a1全風化凝灰巖的粘聚力c=9 kPa、φ=12時），土體邊坡安全系數處于欠穩定狀態，可能發生滑坡失穩現象。通過加固前后不同強度指標折減的對比，得到折減系數與穩定安全系數關系如后頁圖7所示。

4" 結語

本文主要以廣西某路堤邊坡為研究對象，通過室內試驗分析現場土體飽和后抗剪強度參數變化，并確定強度折減范圍；采用極限平衡法，通過Geo-Studio軟件對路堤擋墻邊坡采用錨桿加固前后的穩定性進行對比分析，對強度折減參數影響進行驗算，得到以下結論：

（1）現場淺表土有效強度指標為內摩擦角33.2°、粘聚力28.4 kPa，通過飽和土樣模擬的現場降雨工況，得到土體的強度指標為內摩擦角29.1°、粘聚力6.9 kPa，土樣的有效強度指標折減系數約為0.757。

（2）通過Janbu、Bishop、Morgenstern-Price三種計算方法對土體邊坡進行穩定性分析，所得安全系數依次增大，Janbu法計算結果偏安全考慮，天然重力式擋墻邊坡的安全系數為0.922，有滑移危險，錨桿加固后路堤擋墻的整體穩定性和抑制變形能力都有了顯著提高，邊坡穩定安全系數達到1.677。

（3）在降雨等不利工況下，在土層強度指標折減0.75（＜0.757），加固后的穩定安全系數可達1.250，當模擬降雨工況強度指標折減系數＜0.6時，土體邊坡安全系數處于欠穩定狀態，可能發生滑坡失穩現象，應當及時做好排水和坡面加固防護措施。

［1］高興杰.公路邊坡穩定及抗滑樁加固分析［J］.西部交通科技，2021（11）：48-51.

［2］賀劍輝.某高填深挖場地邊坡防護工程設計研究［J］.西部交通科技，2022（11）：103-105.

［3］農明科.路基高邊坡穩定性分析及防護措施研究［J］.西部交通科技，2021（10）：8-11，33.

［4］梁" 策，鄧祥明.高陡邊坡抗滑樁-土相互作用離散元模擬及加固分析［J］.西部交通科技，2022，178（5）：79-81.

［5］張" 政，賴揚威，歐陽禮捷，等.基于極限平衡理論與有限元強度折減法的某涉水高邊坡穩定性分析［J］.廣東水利水電，2023，324（2）：68-74，104.

［6］畢仲輝，翟亞飛，唐彧杰，等.基于有限元強度折減法的降雨入滲基巖型邊坡可靠度分析［J］.水利水電技術，2020，51（9）：187-192.

［7］童" 欣，方" 燃，李" 虹，等.降雨對滑坡的穩定性影響及排水措施建議［J］.巖土工程技術，2021，35（1）：52-55，59.

［8］黃明奎，馬" 璐.極端降雨對邊坡土體強度的影響及其穩定性分析［J］.災害學，2021，36（3）：6-9.

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