黃土地區(qū)公路邊坡支護(hù)方法研究及數(shù)值模擬分析

任　和

（甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州 730050）

黃土地區(qū)公路邊坡支護(hù)方法研究及數(shù)值模擬分析

任和

（甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州 730050）

甘肅省作為西北黃土高原的重要省份，是典型的以山地為主要地形的省份。針對該省公路建設(shè)中常出現(xiàn)的黃土邊坡問題，本文論述了邊坡支護(hù)應(yīng)該考慮的主要因素及理論根據(jù)，并針對性的提出黃土邊坡支護(hù)的方法及適用條件。通過運(yùn)用MIDAS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了在不同工況下，邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)和坡體的位移及剪切變形。為今后黃土地區(qū)邊坡工程的支護(hù)提供一定的參考，并總結(jié)出一些有益的結(jié)論。

黃土 公路邊坡 支護(hù)方法 數(shù)值模擬

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各項建設(shè)都取得了舉世矚目的成就。公路建設(shè)一直以來都是我國交通建設(shè)的重點之一，我國的高速公路里程已超過10萬公里，超越美國成為世界第一。其他等級公路的發(fā)展也十分迅速。同時中國是一個多山的國家，我國山地面積大約占國土面積的33.45%。在山區(qū)修建各種建筑物，往往涉及到各類邊坡加固的問題。作為西北黃土高原的重要省份，甘肅是典型的以山地為主要地形的省份。全省山地和丘陵占總土地面積的78.2%。基本上各等級的公路均會出現(xiàn)邊坡、高邊坡處理問題。因此，對于黃土地區(qū)邊坡支護(hù)方法的研究十分必要。

1　研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)70年代，法國首先在邊坡中使用土釘墻這樣的柔性支擋結(jié)構(gòu)，并研究了設(shè)計方法，編制了法國國家規(guī)范。美國聯(lián)邦公路局經(jīng)過大量工程實踐和研究給出了土釘墻設(shè)計手冊，使得土釘墻等柔性支擋結(jié)構(gòu)在高速公路邊坡上得到大量應(yīng)用。我國香港為了治理滑坡、泥石流等災(zāi)害，從上世紀(jì)90年代開始使用土釘墻、復(fù)合土釘墻等聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)防治邊坡病害，并編制了采用土釘墻結(jié)構(gòu)治理軟填土邊坡的標(biāo)準(zhǔn)。朱延鵬［1］等研究了黃土地區(qū)邊坡框架預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。為此類工程提供了一定的參考和建議。李忠［2］等提出了框架預(yù)應(yīng)力錨桿邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算方法。但是，在我國這些柔性支擋結(jié)構(gòu)大多都用在了像基坑和隧道等臨時支護(hù)當(dāng)中，而在像邊坡等永久支護(hù)使用相對較少，使它的使用范圍受到了限制。

表1　挖方邊坡形式及適用條件

表2　土體參數(shù)

2　常用的公路邊坡處理方法

2.1邊坡支護(hù)主要考慮的因素

（1）黃土本身的性質(zhì)。黃土一般孔隙率大，含水量不高，處于非飽和狀態(tài)。

土體強(qiáng)度:由金典土力學(xué)的摩爾庫倫理論，土體的抗剪強(qiáng)度為公示（1）。

所以土體本身的強(qiáng)度主要取決于粘聚力 c和內(nèi)摩擦角φ。蘭州地區(qū)的黃土粘聚力 c的值一般取20左右，內(nèi)摩擦角φ的取值一般在20-30之間。

滲透系數(shù):用有效飽和度表示的非飽和土的滲透系數(shù)的表達(dá)式如公式（2）和公式（3）［3］。

D為空隙分布的分維。

雨水的滲透會導(dǎo)致土體的基質(zhì)吸力下降，邊坡的安全系數(shù)明顯降低。

（2）邊坡的幾何特征。坡面坡度。坡度直接影響到坡面水流的對坡體的沖刷能力。沖刷作用越強(qiáng)，則對邊坡的破壞作用越強(qiáng)。坡長。坡長越長，則水力坡降越大，水流到坡低積累的動能越大，從而水流對坡底的侵蝕作用越大［3］。考慮在坡長路徑上水流總量的累積，則破壞能力更強(qiáng)。

（3）氣候特征。主要指降水，降水的強(qiáng)度及持續(xù)時間，單位時間降水量越大，持續(xù)的時間越長則破壞作用越大。

2.2邊坡處理的工程方法

（1）自然放坡。根據(jù)現(xiàn)場的工程條件和工程經(jīng)驗選擇適當(dāng)?shù)倪吰滦问剑?］，如表1所示。

（2）結(jié)構(gòu)支護(hù)。1）重力式擋土墻。依靠墻身自重來平衡土壓力。一般用毛石砌筑。其優(yōu)點是形式簡單、取材容易。一般適用于2～6m高的小型挖填方邊坡。2）土釘支護(hù)。土壓力主要靠土釘平衡。由鋼筋混土面板及加固土體的土釘組成。其優(yōu)點是造價低，斷面尺寸較小；適用6～12m高的挖方邊坡，可做成多級超高邊坡。3）錨桿支護(hù)。土壓力主要靠錨桿平衡。錨桿由自由端和錨固端組成。優(yōu)點是造價低，斷面尺寸較小；適用8～15m高的挖方邊坡，可做成多級超高邊坡。4）框架預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)。土壓力主要靠錨桿平衡。由鋼筋混土框架擋土結(jié)構(gòu)和錨桿組成。適用8～15m高的挖方邊坡，可做成多級超高邊坡。5）多種支護(hù)方式組合進(jìn)行邊坡支護(hù)。這樣做最大的優(yōu)點就是能夠根據(jù)不同的工程狀況，最大限度的做到經(jīng)濟(jì)合理。

3　數(shù)值模擬

3.1軟件介紹

本次模擬所用的軟件是MIDAS-GTS.GTS（Geotechnical and Tunnel analysis System）是包含施工階段的應(yīng)力分析和滲透分析等巖土和隧道所需的幾乎所有分析功能的通用分析軟件。

3.2模型的建立

模擬邊坡為兩級，總高度為30m。模擬其在正常狀態(tài)下及降雨作用下的坡體穩(wěn)定性。降雨作用主要是考慮降雨后土體飽和。土體的重度增加。在模型中簡化為第一填土層的重度增加。土體的參數(shù)選用甘肅地區(qū)典型的土體參數(shù)，如表2所示。不同工況下的模型如圖1和圖2。

3.3模擬結(jié)果

模擬邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)在正常工況為0.4625，沒有達(dá)到規(guī)范規(guī)定的1.15-1.25的要求。而在非正常工況下為0.4375，也沒有達(dá)到規(guī)范規(guī)定的1.05-1.15的要求。正常工況下，土體的位移為5.4e-4。非正常工況為8.6e-4。土體變形和土體的剪切變形也很明顯。位移云圖詳見圖3和圖4。變形圖詳見圖5和圖6。

4　結(jié)語

（1）邊坡工程在公路建設(shè)中非常普遍，尤其是在甘肅這樣的大面積黃土覆蓋、以山地為主要地形的西部地區(qū)，在道路建設(shè)過程重視邊坡工程十分必要。（2）邊坡工程的支護(hù)方法很多，具體工程中要具體分析。因地制宜的找到安全、經(jīng)濟(jì)、適用的支護(hù)方法。（3）影響邊坡穩(wěn)定的因素很多，為了保證邊坡工程的安全，在進(jìn)行邊坡支護(hù)的設(shè)計時，一定要綜合考慮各方面的因素。降水的影響在進(jìn)行邊坡支護(hù)的時候應(yīng)重點考慮。及時用相關(guān)軟件對邊坡進(jìn)行模擬十分必要。

［1］朱彥鵬，王秀麗，周勇.支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計計算手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］李忠，朱彥鵬.框架預(yù)應(yīng)力錨桿邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算方法及其應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，21（24）：3922-3926.

［3］黃潤秋.中國巖石高邊坡工程及其研究，2007.

［4］《工程地質(zhì)手冊》編委會.工程地質(zhì)手冊（第四版）［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.