高速公路巖質高邊坡的穩定性評價

楊中方 楊緒祥

1 概述

巖質高邊坡穩定性成為山區公路建設工程中常見和重要的巖土工程問題之一。它在很大程度上影響著公路工程建設投資和運營效益[1，2]。某高速公路位于西北部山區，由于境內崇山峻嶺，山川河谷交錯，垂直變化大，分布巖質邊坡坡高多在30 m～50 m之間，屬規范規定必須專門研究的超高邊坡。對超高邊坡的穩定性進行研究，其研究結果為完善設計工作和采取相應的防護措施提供科學依據。

2 工程地質、水文地質概況

根據鉆孔柱狀圖及相關資料，可以確定本區為構造剝蝕中低山區，上覆第四紀殘坡積物，下為第一、第二組白云鈉長片巖及第三組絹云母片巖。鉆探揭露的地質資料表明:坡面多有1 m～4 m的殘坡積物，開挖后的邊坡坡角多在45°左右。地下水資料，共有7孔出現地下水，其中3孔為坡腳-8 m～-9 m，分布在K15+038，K15+860和 K35+720斷面;4孔為坡腳-1.5 m，分布在K45+300，K45+320，K51+819.5 和 K57+315.9斷面。

3 邊坡穩定性評價方法

目前工程中常用的邊坡穩定性評價方法為極限平衡法，如費倫紐斯法、Bishop法、簡布法、SARMA 法、M-P法等，另外還有有限元數值分析法等。這些方法都有各自的優缺點，極限平衡法是目前工程上用的最多的方法。本文即采用極限平衡方法的Bishop法和FLAC3D軟件對邊坡的穩定性進行對比研究，使得計算過程更加合理，計算結果更加符合實際。

3.1 計算參數的確定

計算參數取值見表1(僅以 K15+860，K26+420，K53+649三處邊坡為例，下同)。

表1 計算參數取值表

3.2 計算模型及工況的選擇

1)計算模型的建立。根據鉆孔資料，除 K45+300，K45+320需要考慮軟弱夾層的影響外，其他邊坡巖層均按均質考慮，僅考慮風化殼的差異，各邊坡計算參數，按表1取值。地表水在采取完善的防地表水措施后不再考慮;地下水在坡腳以下的巖質邊坡不再考慮。軟弱夾層產狀根據巖層真實產狀計算。地震采用7級烈度予以考慮。2)計算工況的選擇。按GB 50330-2002建筑邊坡工程技術規范規定，采用兩種工況計算對比。即:a.天然狀態;b.天然+地震(7級);對不能滿足穩定性要求的，采用錨桿加固方案對邊坡進行防護的還要驗算;c.錨桿+天然;d.錨桿+地震(7級)兩種工況時的穩定性。

3.3 計算結果及分析

3.3.1 極限平衡計算結果分析

1)計算結果。所有邊坡模型原點均選在坡腳與路面相交處。計算采用:a.天然狀態;b.天然+地震(7級)兩種工況，按照GB 50330-2002建筑邊坡工程技術規范，永久性超高邊坡按一級邊坡進行安全設計，設計安全系數為1.30。Bishop方法計算結果見表 2。2)計算結果分析。根據表2的結果，可以確定K15+860邊坡具有足夠的穩定性，在做好坡頂及坡面防水措施后可以不必采取加固措施，另兩個邊坡均不能滿足穩定性要求，必須進行加固。加固方案采用預應力錨桿加格構護坡方案。

表2 Bishop法計算結果表

3.3.2 FLAC法計算結果分析

邊坡穩定性安全系數的計算結果見表3。

表3 FLAC計算結果表

在地震荷載作用下，采用強度折減法計算出的加固前邊坡的安全系數為 1.3，加固后的安全系數為1.35，從圖1中可以看出滑坡面與簡化Bishop方法計算出滑坡位置基本一致。

在地震荷載作用下，采用強度折減法計算出的加固前邊坡的安全系數為1.18，加固后的安全系數為 1.44，從圖2，圖 3中可以看出滑坡面與簡化Bishop方法計算出滑坡位置基本一致。

在地震荷載作用下，加固前邊坡基本上無塑性區，加固后基本上也無塑性區，說明邊坡加固后處于安全狀態，并有較大安全儲備。

在地震荷載作用下，采用強度折減法計算出的加固前邊坡的安全系數為 1.02，加固后的安全系數為1.4，從圖4，圖5中可以看出滑坡面與簡化Bishop方法計算出滑坡位置基本一致。

3.3.3 極限平衡法及FLAC法計算結果對比分析

1)對于采用錨桿進行加固處理的邊坡。通過FLAC計算了在地震荷載作用下，高邊坡在錨桿加固前后邊坡的響應情況。計算結果表明:采用錨桿加固后，最大位移、最大剪應力較加固前減小。加固前塑性破壞區呈貫通態勢，加固后由于預應力錨桿的作用，塑性破壞區變小，且未貫通，并且最大位移較小，說明加固后，即使在地震的作用下，邊坡也處于安全狀態。

采用強度折減法計算了臨界失穩情況下高邊坡在地震荷載作用下，錨桿加固前后的安全系數。計算結果表明:采用錨桿加固后，臨界失穩時，加固后的滑坡速度要小于加固前的。

2)對于未采用錨桿進行加固處理的邊坡。通過FLAC計算了在地震荷載作用下，高邊坡的響應情況。計算結果表明:最大位移、最大剪應力較小，塑性破壞區未呈貫通態勢，說明即使在地震的作用下，邊坡也處于安全狀態。

采用強度折減法計算了臨界失穩情況下高邊坡在地震荷載作用下的安全系數。計算結果表明:滑坡面的位置與簡化Bishop方法計算出滑坡位置基本一致。

4 結語

1)巖質邊坡的穩定性評價工作必須建立在翔實的地質勘察、巖土力學參數試驗、現場施工條件調查的基礎上。

2)用極限平衡方法的Bishop法對邊坡進行穩定性研究，再運用FLAC3D軟件進行數值模擬，將其結果與Bishop法進行對比分析，此法計算過程更加合理，計算結果更加符合實際。

3)邊坡的防護應根據邊坡的巖體結構特征、穩定性狀況及潛在的變形失穩方式具體實施，由這一原則可知邊坡的地質勘察和分析是邊坡防護設計的基礎，應充分重視，同時安全耐久、經濟美觀也是邊坡防護的重要原則。

[1] 曾憲明，林潤德，易 平.基坑與邊坡事故警示錄[M].北京:中國建筑工業出版社，1999:203-207.

[2] 楊航宇，顏志平，朱贊凌，等.公路邊坡防護與治理[M].北京:人民交通出版社，2002.

[3] 陳宇基.公路邊坡穩定性分析與加固處理[J].山西建筑，2009，35(23):316-317.