山區路塹邊坡穩定性分析與加固方案

■張步龍

（福建省交通規劃設計院，福州 350004）

0 引言

近年來隨著我省高速公路的不斷建設，發達地區以及平原地形較為平坦地區的高速公路已基本建成，高速公路建設逐漸向地形地質條件復雜的山區延伸[1]，超過30m的挖方路塹邊坡逐漸普遍，山區公路邊坡穩定性和安全問題日益凸顯[2]。本文以福建省閩北某高速公路K288+689～K289+066路塹高邊坡為例，根據外業調查及勘察資料，對該路塹邊坡進行了極限平衡法、二維有限元變形特征分析，總結出邊坡潛在滑動面特征及變形特征，并提出相應的綜合處治措施。

1 工程概況

擬建高邊坡位于閩北某山坡，屬剝蝕丘陵地貌，設計為雙向4車道，路寬約26m，路面設計標高約516m，左、右側邊坡最大高度約為15～70m。地形起伏，山坡坡面走向與路軸線方向夾角約80°，山坡自然坡度約10～25°，相對高差約20～30m，山坡坡面植被發育。典型地質橫斷面如下圖1。

2 地質條件

擬建區域位于閩西北隆起帶與閩西南坳陷帶的過渡帶上，南平-寧化大斷裂帶的北部,經地質測繪并結合區域地質，未見斷裂帶發育，亦沒有活動性斷裂構造通過。場區地下水類型為基巖裂隙水，受地形及巖性影響，僅為淺層風化裂隙水，水量較小，主要接受大氣降水及地下水側向補給，水量受降雨影響較大。

圖1 段落典型地質橫斷面

據福建地震地質勘察院出版的 《湄重高速公路三明境明溪城關至楓溪段線路工程地震安全性評價報告》，工程場地設計基本地震加速度值為0.05g，場區地震基本烈度為6度，場地加速度反應譜特征周期全線為0.35s。

2.1 巖土層特征

根據鉆孔和現場工程地質測繪揭露，本場區地層主要為第四系坡積土（Qdl）；下伏晚震旦系（上統）蓋洋群（Z2s+lt）變質砂巖及其風化層。本深挖區主要巖土層特征現分述如下。

2.2 節理裂隙

擬建邊坡地形起伏，基巖埋藏深，通過對K288+821、K288+887、K289+012處控制性橫斷面勘察可知，線路右側會形成高約50m的邊坡，坡體上第四系坡積土（Qdl）；下伏晚震旦系（上統）蓋洋群（Z2s+lt）變質砂巖及其風化層，其巖層片理產狀①為 31°∠50°，3～5 條/m，節理裂隙②為 295°∠65°，3～5 條/m， ③為 220°∠30°，1～3 條/m，其右側邊坡赤平投影如圖所示。從圖2結合赤平投影法綜合分析可知，巖層片理①及節理裂隙②、③走向與邊坡走向呈較大角度相交，對天然斜坡穩定性影響較小，但擬開挖邊坡結構面結合差，坡體上部發育厚層全-碎塊狀強風化變質砂巖，結構較松散，且受推覆構造影響，坡體巖石破碎，主要成碎塊狀，在不利工況下（爆破、暴雨等）或邊坡開挖后若不及時加固支護，易產生掉塊、小規模溜滑等現象，對邊坡穩定較不利。

圖2 赤平投影

表1 主要巖土層特征表

3 邊坡穩定性分析與評價

3.1 極限平衡分析及參數

本文借助GEO-Slope軟件，對其進行極限平衡法和有限元計算[3]。根據挖方路塹橫斷面特點，選取典型K288+887橫斷面建立計算模型。K288+887橫斷面布置為：路塹中心挖深8.4m，路面寬26m。通過綜合考慮地形地貌、水文、地層巖性及其結構面等情況，右側邊坡采用6級刷方， 邊坡坡率分別為 1∶0.5、1∶0.75、1∶0.75、1∶1.0、1∶1.25、1∶1.25，單級坡高8m，每級間設置2m平臺，形成路塹邊坡高約48m。

根據勘察報告及相關規范，并結合工程經驗綜合確定各層巖土體計算參數如表2。

表2 巖土體計算參數表

由計算結果可知，刷方后路塹邊坡最危險滑動面前緣位于坡腳巖層分界面，滑動面后緣位于挖方坡頂往斜坡上部約10m，滑動面下半部分沿碎塊狀強分化巖層與中風化巖層交界面展開。邊坡安全系數為1.154，該邊坡不滿足《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）對高速公路路塹邊坡穩定安全系數不小于1.20的規定[4]，故需對該邊坡采取相應的加固措施。

圖3 加固前計算結果

3.2 二維有限元分析

本文同時對典型K288+887橫斷面進行二維有限元計算，通過分析變形特征，并結合極限平衡法計算結果，分析邊坡穩定性影響因素及變形特點，進而指導該路塹邊坡加固處理措施的設計。

二維有限元模型邊界條件及網格劃分如圖4所示。模型左右兩側施加水平向約束，限制水平位移；模型底部施加鉸支約束，限制水平及豎向位移；邊坡坡面及路面為自由面。本模型土體單元類型采用四節點平面實體單元，根據極限平衡法計算結果及工程經驗，對砂土狀強風化變質砂巖層及碎塊強風化變質砂巖層進行網格加密處理，網格劃分后共得到956個單元，961個節點。

圖4 二維有限元數值模型圖

計算結果詳見圖5所示，由圖5模型最大剪應變云圖可以看出，最大剪應變集中出現于碎塊狀強風化巖層與中風化巖層分界面以上強風化巖層內部，說明該區域存在較大的潛在破壞；同時，邊坡開挖面坡腳處巖層交界附近的剪應變也較其他坡面處大，且與巖層內部最大剪應變集中區域連貫。因此，可以認為該路塹邊坡的潛在滑動面前緣位于坡腳第一、二級巖層交界處附近，然后沿強風化巖層與中風化巖層交界面滑動，這與極限分析平衡法的計算結果基本一致。

圖5 模型最大剪應變云圖

4 加固措施分析與計算

根據本文第3.1、3.2小節所得的結論，結合使公路與沿線自然及社會環境協調相融，最終實現“安全、環保、舒適、和諧”的設計目標。加固方案以預應力錨索（桿）加固為主，重點對坡腳潛在剪出口以及巖層交界面處的潛在滑動面進行加固，綠色植草坡面防護為輔。各級邊坡加固防護措施如表3，加固措施斷面設計詳見圖6。

表3 各級邊坡加固防護措施一覽表

圖7為施加加固措施后邊坡極限平衡法計算結果，圖8為加固后非正常工況Ⅰ下計算結果，如圖中所示，加固后路塹邊坡安全系數為1.264，滿足《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）對高速公路路塹邊坡在正常工況下安全系數不小于1.20的要求；同時加固后非正常工況Ⅰ下路塹邊坡安全系數為1.168，滿足規范對高速公路路塹邊坡在非正常工況Ⅰ下安全系數不小于1.10的要求。

圖6 加固斷面設計圖

圖7 加固后計算結果

5 結論

擬建高邊坡（K288+689～K289+066）存在路塹挖方邊坡高度大，坡體上部發育厚層強風化變質砂巖，結構較松散，且坡體巖石破碎，邊坡開挖后若不及時加固支護，易產生掉塊等現象。本文根據外業調查及勘察資料，對該路塹邊坡進行了極限平衡法、二維有限元變形特征分析，并提出了相應的治理措施，現形成以下結論：

在刷方后未采取加固措施的工況下，極限平衡法與二維有限元變形分析計算結果基本一致：即該路塹邊坡的潛在滑動面前緣位于坡腳巖層交界處附近，沿強風化巖層與中風化巖層交界面展開，滑動面后緣位于挖方坡頂往斜坡上部約10m。

依據上述特點，綜合考慮地形地貌、水文、地層巖性及其結構面等情況，本文針對坡腳潛在剪出口采用系統錨桿及預應力錨桿框架進行加固，針對坡體內巖層交界面處的潛在滑動面采用預應力錨索框架進行加固。加固方案以預應力錨索（桿）加固為主，綠色植草坡面防護為輔。

圖8 加固后非正常工況Ⅰ下計算結果

通過計算分析路塹邊坡穩定性及變形特征，可以針對性地對路塹邊坡進行加固防護，能夠有效地提高邊坡安全系數，確保路塹邊坡坡體穩定和交通運輸安全。

[1]潘建標.高填陡坡路堤穩定性分析及處治方案[J].福建交通科技,2017(5)：1-5.

[2]趙占群,楊強國,谷明成,等.四川得榮峽谷公路邊坡穩定性評價與防治措施建議[J].中國地質災害與防治學報,2016,27(2)：55-60.

[3]張良建,盧丙清,徐佩華,等.基于GEO-Slope方法的危巖體邊坡穩定性研究[J].地下空間與工程學報,2010,06(a02)：1587-1590.

[4]中華人民共和國交通部.JTG D30-2015,公路路基設計規范[S].北京：人民交通出版社,2015.