尾砂礦區道路高陡邊坡優化計算分析

韓海霞++李婷婷++錢行

摘 要：為研究尾砂礦復雜地貌區的高陡邊坡的穩定性，利用Geostudio軟件對某一地段的典型高陡邊坡的穩定性進行分析，并針對避免二次征地的問題，提出削坡方案，將邊坡的坡比由1：1.75削成1：0.5，為進一步提高邊坡的穩定性，采用加筋支護的形式進行邊坡支護。結果表明：邊坡的安全系數隨邊坡的開挖而降低；加固后的邊坡安全系數有所增大。為類似地區的高邊坡的穩定性提供參考和建議。

關鍵詞：路堤高邊坡；邊坡支護；穩定性分析；數值模擬；尾砂礦

在公路的修建過程中，難免會存在路堤的開挖的狀況，在設計和施工的時候可以采用坡度較大的邊坡。喻軍華對巖質高邊坡開挖與支護過程進行了系統的分析，但其理論與分析方法不宜用于土質邊坡的穩定性分析；劉欣欣針對在季節性凍土地區邊坡穩定性進行了研究，但對南方較少出現季節性凍土的土質邊坡并不實用；廖小平（2003）根據邊坡的不同類別與不同的邊坡滑移方式分析了類土質邊坡的穩定性與破壞形式，并闡述了其理論基礎，但并沒有針對某一算例進行定量分析，對實際施工具有較少的借鑒意義。針對以上不足，本文提出了針對南方某一地區存在的路堤高陡土質邊坡進行穩定性分析，并對其進行優化處理。

1 工程概況

南京某繞越公路東北段地貌類型屬垅崗狀沖洪積傾斜平原區，路線經過區勘探深度范圍內地層為第四系全新統、上更新統松散沉積物、第三系中新統雨花臺組砂礫層及白堊系浦口組泥巖。由于后期人為剝露，局部區域主要土層為：粘土、粉質粘土層、圓礫、卵石層、強風化泥巖和中風化泥巖。地層上部堆積著灰黃色、灰色黏土，該層土層頂埋深0.00～3.10m、平均0.54m；層頂標高9.90～55.90m、平均36.83m；厚度2.50～7.50m、平均4.00m。由于上部分布著黏土，其塑限、液限相對較高，中部分布著顏色較雜，黃灰色為主的圓礫、卵石，該層土層頂埋深0.00～11.70m、平均5.12m；層頂標高1.30～63.60m、平均30.25m；厚度0.25～33.10m、平均12.22m。下部分布著磚紅色、棕紅色，堅硬的泥巖。

其中，K18+075～K18+180段路基附近有一較大采砂坑，沿路線方向長度一百多米，坑深26.5m～31.1m，設計路堤路肩距坑邊約5～6m，設計路堤頂面高度距坑底約20m，因此該路基邊坡屬于高邊坡，若采用常規折線形放坡或臺階式放坡，坑底坡址處將超過建筑紅線，引起二次征地問題。

2 方案分析

本標段以原始方案為基礎，分析原始方案的高陡邊坡的穩定性，由于原始方案的占地面積較大，因此采用削坡的方式，削坡是分級進行的，初期是將邊坡由1：1.75削成1：1，后期是將邊坡由1：1削成1：0.5。但是邊坡的開挖可能導致邊坡的一部分土體在結構和含水率方面會發生變化成為擾動土，因此，在削坡的過程中要充分考慮擾動土的各項參數變化及其影響，以觀察在此情況下的邊坡的穩定性的相應變化。之后對削坡后的邊坡采取支護的方式來提高邊坡的安全系數，提高邊坡的穩定性，邊坡的支護考慮到當地土層的性質和經濟的問題采用回填土加筋收坡的防護結構形式。土樣的基本參數如表1，計算斷面模型如圖2.1。

2.1 原始邊坡穩定性分析

在本方案中不考慮孔隙水的影響，滑動體從左到右共劃分為30個土條，編為1～30號。計算迭代次數最大為2000次，迭代誤差小于0.01%則認為達到收斂，滑動面與土條形狀由系統自動選取，建立原始方案分析模型。原始高陡邊坡的邊坡安全系數是1.895。根據規范可知，該邊坡的穩定性較好。

2.2 邊坡優化后的穩定性分析

2.2.1邊坡削坡后的穩定性分析

初步削坡后的邊坡增加擾動土層，此時邊坡的安全系數為1.415。可以看出，相較于原始邊坡，初步削坡后的邊坡的安全系數大大降低，但是根據規范，其安全系數仍然處于較好的范圍，符合規范的要求。

再次削坡由于邊坡的再次開挖，造成擾動土體的進一步擴大，導致邊坡邊緣處的土體性質變差。再次削坡后的邊坡的潛在滑動面如圖2.2所示，安全系數是1.069，根據規范可知該邊坡的穩定性較差，且再次削坡后的邊坡滑動面由上下邊坡的共同滑動變為了只有下邊邊坡的滑動。滑動體明顯向前移動，其穩定性有明顯的而降低。因此，為了滿足邊坡整體穩定性的要求，還需對回填土邊坡進行支護處理。

2.2.2支護邊坡的穩定性分析

工程實踐中削坡后的邊坡的穩定性較差，因此，需對回填土進行支擋防護。常用的支擋結構有抗滑樁、擋墻等結構形式。然而，考慮到原始砂礫土層與下臥泥巖較好的工程性能，以及土層中卵石的大量分布，若采用傳統的抗滑樁支護方式，現場鉆孔以及機械施工較為困難；而重力式擋墻等支護形式雖然可以實現對回填土層的收坡作用，但相對較小穩定安全系數的提高，其工程造價性對昂貴。因此，考慮到邊坡最不利滑動面位于回填擾動砂礫土層中，現場施工中可采用回填土加筋收坡的防護結構形式。

加筋土復合體是通過筋土間剪切作用將拉應力傳遞到相鄰拉筋上的，而土體僅承受壓應力及剪切應力，使加筋土體成為具有一定自承約束的復合結構。 最初，加筋土加固機理采用簡單摩擦加固機理模型進行分析，參見圖2.3。之后，加筋土“粘聚力理論” 分析模型逐漸發展起來，并得到進一步完善。工程實踐與室內研究表明，對于土石混合料、碎石土、堆石體等填料加筋效果較為顯著，可顯著提高散體材料工程性能。

本工程中加筋后的邊坡相比于無支護邊坡，其安全系數由1.069提高為1.452，有明顯提高，且滑動面明顯后移，滑動體體積明顯增大，因此調動滑動體的所需要的力也進一步增大，從而進一步提高了邊坡的穩定性。

加固支護后的邊坡土條的抗剪強度明顯提高，這是由于在設置土工格柵后，危險滑動體的體積增大，土條的高度增加，對滑動面的壓力也同時增加，由于在摩爾-庫倫理論中抗剪強度與正應力成正比，所以增加正應力可以更好地發揮土體的抗剪能力，從而提高邊坡的穩定性。

原始邊坡與優化后的邊坡數據如表2。

3 結論

本方案以原始高陡邊坡的穩定性分析為基礎，考慮到原始邊坡占地面積太大可能引起二次征地的問題，設計出邊坡的優化處理。初步采用削坡的方式，其中削坡分兩部分進行，由1：1.75到1：1再到1：0.5，邊坡的安全系數隨著邊坡的開挖而有所降低，穩定性下降。由于削坡后的穩定性較差，因此對回填土邊坡進行加筋支護以提高邊坡的穩定性。加筋支護后的邊坡比原始邊坡在占地面積的長度上要減少10m，同時比較各個邊坡在不同方法下的安全系數可以得出加筋支護方案的安全系數較高，穩定性較好，故支護方案是合理可行的。

參考文獻

[1] JTGD30—2004.公路路基設計規范[S]

[2] 喻軍華.巖質高邊坡開挖與支護過程分析[D].浙江：浙江大學建筑工程學院，2003

[3]劉欣欣.季節性凍土地區邊坡穩定性分析[D].重慶：重慶交通大學巖土工程，2013

[4] 廖小平.類土質路堤邊坡變形破壞類型及其穩定性分析[J].巖石力學與工程學報，2003（S2）：2765-2772

作者簡介

韓海霞，河南省鄭州市，現就讀于鄭州大學土木工程學院，研究方向：邊坡與基坑工程。