山區(qū)公路路基邊坡危險(xiǎn)性及防治措施研究

文/馮志剛

1 前言

公路路基邊坡是山區(qū)公路工程需要特別考慮的內(nèi)容，也是直接決定項(xiàng)目安全性的重要因素，因此就需要制定合理的防治措施。同時(shí)施行防治措施后，也應(yīng)對(duì)邊坡的可靠性進(jìn)行分析，目前常用的方法有有限元軟件法以及傳統(tǒng)分析法，其各自有著不同的優(yōu)勢(shì)與局限，因此兩者的比對(duì)就顯得尤為重要。

2 山區(qū)公路路基邊坡危險(xiǎn)性常見(jiàn)防治措施

在確定公路路基邊坡防治措施時(shí)，應(yīng)當(dāng)基于工程實(shí)際情況而展開(kāi)，同時(shí)滿足防治的基本原則。對(duì)于同一邊坡應(yīng)當(dāng)制定多個(gè)不同的防治方案，并對(duì)不同方案的經(jīng)濟(jì)性、可行性做出論證，比對(duì)得到最優(yōu)的方案。在實(shí)際的山區(qū)公路路基邊坡防治工作中，一般采取深層處理與淺層處理相結(jié)合的方式完成施工。

2.1 擋土墻

實(shí)踐表明，擋土墻能夠很好地約束土體的橫向側(cè)移，起到控制邊坡穩(wěn)定性的作用。具體來(lái)看，擋土墻根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為若干個(gè)不同的類(lèi)型，其中比較常見(jiàn)的有重力式擋土墻、錨桿擋土墻以及樁板式擋土墻等。對(duì)于具體的工程，擋土墻的類(lèi)型、位置、尺寸都應(yīng)當(dāng)密切聯(lián)系工程實(shí)際情況來(lái)確定，對(duì)不同的方案進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，分析其?jīng)濟(jì)性、可行性，選擇其中最佳的方案。重力式擋土墻以及衡重式擋土墻具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，其中前者主要通過(guò)自身重量來(lái)平衡土體的側(cè)向壓力，而后者則利用了墻體后的填土重量來(lái)提升穩(wěn)定性。半重式擋土墻一般采用混凝土澆筑，并在墻體背后埋設(shè)適量鋼筋，這一類(lèi)擋土墻有著更輕的重量，能夠在地基承載力較低的地區(qū)發(fā)揮良好作用。

在擋土墻的構(gòu)造要求上，其背面坡角一般可取15o，且上下墻體的高度之比最好為2/3。墻頂最小寬度應(yīng)當(dāng)大于0.6m，在部分地形變化較大、環(huán)境條件復(fù)雜的地區(qū)，墻頂還需要加設(shè)護(hù)欄進(jìn)行保護(hù)。擋土墻施工一般是在天然地基上進(jìn)行的，因此這就對(duì)地基承載力提出了一定的要求，對(duì)于部分承載力不足的工程可以采取擴(kuò)大基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。此外，對(duì)于地形起伏大的工程，可以采取臺(tái)階基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；而在涉及軟土地基時(shí)，則可采取拱形基礎(chǔ)。值得注意的是，在臺(tái)階基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中一般應(yīng)當(dāng)將寬高比控制在1/2，同時(shí)由于受到偏心作用的影響，地層臺(tái)階的寬度需要大于1.5m，而其他臺(tái)階高度也應(yīng)大于1.0m[1]。

2.2 抗滑樁

抗滑樁在我國(guó)有著悠久的應(yīng)用歷史，并在我國(guó)路基邊坡的防治工作中得到了廣泛的應(yīng)用，且隨著我國(guó)工程建設(shè)需求的不斷提高，逐漸衍生出了П 形鋼架抗滑樁、排架抗滑樁以底部錨桿抗滑樁等。在抗滑樁實(shí)際工作中，結(jié)構(gòu)主要抵抗水平作用，其設(shè)計(jì)一般在彈性地基梁之上進(jìn)行?？够瑯兜脑O(shè)置主要為直線或者曲線，不同樁之間的間距需要根據(jù)土壓力、樁長(zhǎng)等參數(shù)來(lái)確定，一般在6～10m 的范圍內(nèi)。在地形地勢(shì)復(fù)雜、土壓力較大的工程中，可按照梅花樁的分布進(jìn)行雙排布置。此外，樁的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)伸入到穩(wěn)定巖層之下，且最大單樁壓力需要低于地基承載力?？够瑯兜氖┕ひ话悴扇∪斯ら_(kāi)挖的方式完成，且為便于施工作業(yè)，樁的橫向最小尺寸一般需要大于1.2m。

一般而言，作用在抗滑樁上的推力大致呈現(xiàn)出梯形與三角形的組合形狀，且在滑動(dòng)體具有足夠剛度時(shí)推力分布趨向于矩形，相反若滑動(dòng)體的剛度較小則趨向于三角形。抗滑樁上的抗力分布大致呈現(xiàn)為拋物線形，且抗力的峰值一般位于滑動(dòng)體的上半部分，也可粗略看成梯形與三角形的組合。同時(shí)，根據(jù)推力的分布情況可以發(fā)現(xiàn)，抗滑樁的彎矩、剪力峰值出現(xiàn)在滑動(dòng)面的根部位置，若以該位置作為配筋參考，則設(shè)計(jì)相對(duì)比較保守[2]。

若采用雙排設(shè)計(jì)，則前排抗滑樁的推力大致為梯形分布，而后排抗滑樁的推力大致呈現(xiàn)為矩形分布。不同抗滑樁之間的間距不盡相同，因此在水平作用下前后排樁所承受的荷載往往也存在較大差異，一般而言前排樁主要分擔(dān)約30%～40%的荷載，而后排樁則承擔(dān)了約60%～70%的荷載。在樁截面形式的選擇上一般優(yōu)先采用矩形，且井口位置需要設(shè)置鎖扣，如有必要還應(yīng)當(dāng)設(shè)置護(hù)壁。而對(duì)于配筋而言，縱向主筋直徑應(yīng)當(dāng)大于16mm，抗剪箍筋的直徑應(yīng)當(dāng)大于14mm。

3 工程案例分析

本文以我國(guó)某山區(qū)公路工程為例展開(kāi)分析，該項(xiàng)目針對(duì)不同路段的地質(zhì)條件采取了不同的邊坡支護(hù)方案，下面分別采用MIDASGTS 軟件以及傳統(tǒng)分析方法對(duì)邊坡安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)這兩類(lèi)技術(shù)進(jìn)行比對(duì)。

3.1 邊坡工程概況

該工程項(xiàng)目位于山區(qū)，地質(zhì)條件屬于構(gòu)造剝蝕淺切割丘陵地貌，項(xiàng)目沿線最高邊坡為20m 的巖土質(zhì)邊坡，且其風(fēng)化嚴(yán)重，具有突出的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 工程地質(zhì)狀況

項(xiàng)目勘察位置在背斜西側(cè)，巖層具有單斜產(chǎn)出的特征，借助勘察人員的檢測(cè)與分析，未在勘查區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)斷層或活動(dòng)斷裂帶，其地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。對(duì)勘察區(qū)的巖體進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其產(chǎn)狀主要為310o∠32o，巖層面閉合且平直，層間未發(fā)現(xiàn)膠結(jié)與填充，判定為硬性結(jié)構(gòu)面。對(duì)勘察區(qū)北側(cè)出露基巖進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)兩組裂隙，其中一組裂隙的產(chǎn)狀為280o∠82o，裂隙界面閉合且平直，層間未發(fā)現(xiàn)膠結(jié)與填充，裂隙延伸長(zhǎng)度為1～3m，裂隙之間的距離為0.6～1.5m；第二組裂隙的界面閉合且平直，層間未發(fā)現(xiàn)膠結(jié)與填充，裂隙延伸1～2m，裂隙之間的距離為1～1.5m。根據(jù)當(dāng)?shù)赜涗浀牡刭|(zhì)資料可知，建設(shè)沿線未有斷層，整體地質(zhì)狀況比較簡(jiǎn)單。

勘察區(qū)北側(cè)以及東南側(cè)的土層較為松散，且該處處于低洼地帶，地表水系有向該處匯聚的趨勢(shì)，因此在降水量大的季節(jié)巖體可能儲(chǔ)存較多的孔隙水，需要對(duì)降水工作予以足夠重視。同時(shí)，根據(jù)勘察結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，勘察區(qū)及附近區(qū)域發(fā)生崩塌、滑坡等災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)較低。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011─2010）確定該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震設(shè)防烈度取為VI 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g。

3.3 路基邊坡治理措施

基于地勘報(bào)告，本項(xiàng)目對(duì)不同位置的邊坡選取了不同支護(hù)方法，具體如下：

邊坡高度10.5m，邊坡類(lèi)型為混合邊坡，其破壞模式為土體內(nèi)部出現(xiàn)圓弧形的滑移，并伴隨巖體分化剝落、坍塌掉塊，支護(hù)方案采用放坡+錨桿支護(hù)；邊坡高度8m，邊坡類(lèi)型為土質(zhì)邊坡，其破壞模式為土體內(nèi)部產(chǎn)生圓弧形滑移，支護(hù)方案采用重力式擋土墻；邊坡高度6m，邊坡類(lèi)型為巖土混合，其破壞模式為土體內(nèi)部出現(xiàn)圓弧形的滑移，并伴隨巖體分化剝落、坍塌掉塊，支護(hù)方案采用重力式擋土墻；邊坡高度6m 不等，邊坡類(lèi)型為巖土混合，其破壞模式為土體內(nèi)部出現(xiàn)圓弧形的滑移，并伴隨巖體分化剝落、坍塌掉塊，支護(hù)方案采用自然放坡。

3.4 MIDASGTS 對(duì)重力式擋土墻的分析

借助有限元分析軟件MIDASGTS 對(duì)邊坡2 段的擋土墻進(jìn)行分析。通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算可以得出邊坡右側(cè)位置的地基反力水平比較高，而其在X 方向上，力的水平較低。對(duì)重力式擋土墻的平面應(yīng)力、應(yīng)力圖進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，X 方向上擋土墻平臺(tái)及底部應(yīng)變程度最大，同時(shí)墻根處的應(yīng)力也最高。在X 方向上坡頂位置的土體最松散，但在豎直方向上坡頂、坡角以及平臺(tái)位置的應(yīng)力處于較低的水平。

根據(jù)MIDASGTS 軟件分析的結(jié)果來(lái)看，重力式擋土墻對(duì)于土體的約束作用比較顯著，能夠大大減小土體的滑移，僅在坡頂位置存在下滑的趨勢(shì)。同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)擋土墻的薄弱位置主要在擋土墻的墻根以及平臺(tái)處，這也是擋土墻主要的受力部位。而對(duì)邊坡工程而言，其最不利位置廣泛分布于擋土墻的各個(gè)部位，特別是墻體后的土體滑動(dòng)面十分薄弱，滑動(dòng)面整體呈現(xiàn)為圓弧形[3]。

對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行整理可以得出抗力與滑動(dòng)力之比約為1.72，因此邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)下。

3.5 兩種分析方法的對(duì)比

傳統(tǒng)分析主要是基于庫(kù)倫土壓力計(jì)算式來(lái)完成壓力計(jì)算，并借助極限平衡法來(lái)判定邊坡穩(wěn)定與否，最終得出傳統(tǒng)分析法下邊坡2 的安全系數(shù)為1.61，這與MIDASGTS 計(jì)算得到的1.72 相近，因此可以認(rèn)為兩者分析結(jié)論都為可靠。將MIDASGTS 軟件計(jì)算與傳統(tǒng)分析法進(jìn)行對(duì)比，可以得出以下幾點(diǎn)：

傳統(tǒng)分析所用的極限平衡法包含了復(fù)雜參數(shù)，因此在確定邊坡滑動(dòng)面時(shí)需要嚴(yán)格依據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行假設(shè)、推定。若過(guò)程中有多個(gè)組合面，那么還應(yīng)當(dāng)對(duì)其逐一計(jì)算、反復(fù)比對(duì)，得出最不利的結(jié)果。而在有限元分析下，則省去了確定邊坡滑動(dòng)面的工作，滑裂面一般出現(xiàn)在抗剪能力不足的位置，因此根據(jù)應(yīng)力分布圖能夠快速確定破壞面。

有限元軟件分析充分考慮了巖土的變形協(xié)調(diào)問(wèn)題，并對(duì)材料本構(gòu)關(guān)系中非線性的部分進(jìn)行考慮，此外還規(guī)避了假設(shè)未知參數(shù)的問(wèn)題，這就使得分析結(jié)果更加可靠、精準(zhǔn)。這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)分析法是以彈性假定為基礎(chǔ)而建立的，將巖土看作了完全線形的材料，因此傳統(tǒng)分析法的結(jié)果相對(duì)更加保守。

借助有限元分析能夠得到邊坡破壞的全過(guò)程，并且比較精準(zhǔn)地描述其塑性變化，進(jìn)而得到邊坡的破壞鉸分布情況，進(jìn)一步研究邊坡的破壞機(jī)理，這也是傳統(tǒng)分析法難以實(shí)現(xiàn)的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

山區(qū)公路路基對(duì)于工程整體安全性有著突出的影響，并根據(jù)工程實(shí)際情況選擇合適的防治方法，其中擋土墻和抗滑樁是我國(guó)實(shí)際工程中最為常見(jiàn)的兩類(lèi)技術(shù)。傳統(tǒng)分析法與有限元軟件法在邊坡穩(wěn)定分析中都具有很好的應(yīng)用效果，同時(shí)有限元軟件還有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)出了突出的應(yīng)用價(jià)值。