蘭州南繞城高速公路路塹高邊坡框架錨桿支護效果評價*

王江榮， 梁永平， 趙睿， 蒲曉妮， 劉碩， 靳存程

(蘭州石化職業技術學院 信息處理與控制工程學院， 甘肅 蘭州 730060)

蘭州南繞城高速公路途經黃土高原丘陵溝壑區(黃土覆蓋厚度較大)，全長約58.74 km，設計速度80 km/h。受黃土高原山區特殊地形的限制和經濟、技術的局限，設計采用許多深挖路塹人工高邊坡。路塹高邊坡失穩會造成嚴重的經濟損失、生態環境破壞，需對欠穩定且已采取加固措施的深挖路塹高邊坡進行安全穩定性評估，并提出支護結構優化建議。現有邊坡穩定性定量分析法主要有剛體極限平衡法、滑移線場法、數值分析法(有限差分法、有限元分析等)、現場監測法及物理模型法等，常用邊坡支護結構有框架梁錨桿支護、腰梁錨桿支護、錨噴、錨墻、重力擋土墻、鋼筋穩固擋墻和土釘墻支護等。工程實踐表明，框架錨桿支護對濕陷性黃土高邊坡具有很好的支護效果，不僅能改善土體的應力狀態和穩定性，還能節約工程材料、提升施工進度。該文以蘭州南繞城高速公路典型深挖路塹高邊坡ZK38+960為研究對象，采用GeoStudio軟件分析不同腰梁錨固位置對邊坡安全穩定性的影響及不同錨桿傾角(錨固角)下框架錨桿全坡支護的效果，確定最優錨固方案。

1 工程概述

蘭州南繞城高速公路位于隴西黃土高原西部，屬于青藏高原向黃土高原的過渡帶。地形地貌總體為南北高(黃土溝梁區)、中間低(河谷盆地區)，大部分為海拔1 500～2 000 m的黃土覆蓋丘陵、盆地，黃土覆蓋厚度較大。深路塹主要位于黃土溝梁區，地形起伏較大(相對高差一般達80～180 m)，挖方深路塹較多，高邊坡主要分布于ZK38+900—ZK39+300、YK38+903—YK39+240，中樁最大挖方深度43.69 m，邊坡處最大挖方深度46.34 m。選取典型深挖路塹工程ZK38+960右側邊坡為研究對象(見圖1)，該邊坡采用分級放坡，每級坡高8 m；挖方坡率，從下到上第1級為1∶1，第2～5級為1∶0.75；第1、2級平臺寬2 m，第3、4級平臺寬分別為8、4 m；邊坡總高度約40 m(以路面為基準)。

圖1 ZK38+960工程地質橫斷面(單位：m)

1.1 工程地質條件

根據ZK38+960工程地段地質調繪，深挖路塹地層按其時代及成因可分為上更新統風積黃土(Q3eol)和上更新統沖洪積黃土、中更新統沖洪積黃土(Q3al+pl)。工程地質特征描述如下：

(1) 風積黃土(Q3eol)。淺黃色，干燥～稍濕，硬塑，土質較均勻；主要由粉粒組成，大孔隙發育，含砂量較高。其為黃土梁上部主要地層，具濕陷性，厚度一般大于20 m。

(2) 沖洪積黃土(Q3al+pl)。淺黃色，稍濕，硬塑，土質較均勻；主要由粉粒組成，含砂量較高，較密實，局部顯層理。為黃土深挖路塹主要地層之一，厚度15～40 m。

該挖方段落揭露巖土層中未見地下水，故研究中不考慮地下水。

1.2 自然地理條件

該挖方段落所在黃土山梁溝谷位于黃河谷地之南，南部石質山地以北。該地帶黃土梁基底多為下白堊統河口群，黃土層隨山梁海拔高度降低而逐漸增厚，基底巖層僅在局部溝谷中出露。另外，該地帶地表形態破碎，植被稀疏，梁峁為旱作農業區和荒山荒坡。

1.3 氣象水文

該挖方段落所在區域平均海拔高度1 520 m。屬中溫帶大陸性氣候，降雨稀少，冬無嚴寒、夏無酷暑，氣候溫和，年均氣溫11.2 °C，年均降水量327 mm，全年日照時數平均2 446 h，無霜期180 d。

該挖方段落處于隴西中部黃土丘陵中徑流區，植被覆蓋度大部分在10%以下，年徑流深5～10 m，地表水貧乏，多為間歇性河溝，只有暴雨時有水流通過，溝道流域面積較小。

綜上，將計算工況設為天然狀況(僅考慮滑體自重)。另外，因該挖方段落內無全新世活動斷裂，不考慮斷裂及地震對路塹邊坡工程的影響。

2 數值模型及土體參數

利用AutoCAD軟件按圖1中路塹右側各級坡率、各級坡高及平臺寬度建立二維幾何模型并導入GeoStudio軟件中。采用SIGMA/W模塊進行網格劃分，全局單元尺寸為1.5 m，節點數為9 859個，單元數為3 206個。模型底邊長125 m，縱向高約62 m，坡角處有一條排水構。土層自上而下依次為風積黃土和沖洪積黃土(見圖2)。

圖2 ZK38+960工程典型深挖路塹高邊坡幾何模型及土體結構

以模型左下方直角頂點為坐標原點O、模型底邊所在直線為X軸、路塹邊坡剖面為坐標平面建立平面直角坐標系。模型邊界條件為不允許左右兩側有水平方向位移、底邊界有水平和垂直方向位移。

2.1 基本假設

作如下假設：1) 將巖土體視為理想彈塑性體，即受力及應變均為彈塑性；2) 將邊坡土體受力和變形視為平面應力應變問題；3) 各土層為均質體，其變形為各向同性；4) 不考慮邊坡土體的構造應力作用，初始應力場僅考慮土體自重應力；5) 不考慮土體變形的時間效應及地下水作用；6) 邊坡開挖和削坡一次完成；7) 所有錨桿均膠結良好，全長與周圍土體緊密連接形成一個整體。

2.2 計算參數

取黃土原狀土樣及擾動土樣進行室內試驗，試驗結果見表1。其中抗剪強度參數采用快剪方式獲得，體積模量K和剪切模量G通過楊氏模量Es和泊松比μ按以下公式計算：

(1)

(2)

表1 路塹邊坡巖土體的物理力學參數

利用GeoStudio進行數值模擬時，選用摩爾-庫倫準則作為彈塑性屈服條件，忽略邊坡土體的膨脹角及抗拉強度。

2.3 無支護條件下邊坡數值模擬分析

在GeoStudio 2018軟件中的SIGMA/W和SLOPE/W材料窗口輸入材料參數，并加載到數值模型相應的土層中。執行SIGMA/W運算并將所得應力(單元或節點處的應力σx、σy及剪應力σxy)導入SLOPE/W模塊進行耦合計算，得到各土條塊底部中點的σx、σy及σxy，進而計算各土條底部的正應力和剪應力，再由各正應力計算相應土條的抗剪強度和抗剪力，依土條底傾角及土條重力計算各土條的下滑力，輸出邊坡應力等值分布云圖、最危險潛在滑裂面和穩定性系數(見圖3)。

圖3 天然工況下路塹邊坡應力等值分布云圖及潛在滑裂面

由圖3可知：天然工況下，路塹邊坡的應力等值線非水平，說明豎向應力受到上覆自重和剪應力的復合影響，其中坡腳處因剪應力相對集中而影響較大；路塹高邊坡的安全穩定系數僅為1.114，邊坡處于基本穩定狀態。但考慮到蘭州南繞城高速公路的性質與級別，路塹邊坡的最小安全穩定系數應不小于1.25甚至更高，故需采取支護加固措施。

3 邊坡支護方案設計及效果分析

由于黃土具有大孔隙、弱膠結、垂直節理發育、遇水易濕陷、遇震易液化等特點，對于黃土高邊坡，錨桿布置要充分考慮潛在滑移面(通過模型計算預判)，要求錨桿長度較大。根據ZK38+960路塹邊坡工程實際及安全等級要求(安全穩定系數Fs≥1.25)，結合易施工性、經濟性、錨固力強及GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術規范》的要求，選擇預應力錨桿(鋼絞線)作為支護結構。采用4φ15.2 mm鋼絞線錨桿，長度30 m，錨固段長度12 m，錨固段鉆孔直徑150 mm；每孔施加500 kN預應力，錨桿與水平面俯角(即錨固角)為40°。

坡面采用鋼筋砼梁，錨桿水平距離為3.4 m，沿坡面的豎向距離為3.33 m，腰梁框架與框架梁全坡支護的有效梁寬均為40 cm，梁厚均為50 cm，其中全坡支護框架梁呈長方形布置，尺寸為3.4 m×3.33 m。框架梁采用C30砼澆筑，為使注漿密實，防止錨桿錨固力損失，水泥砂漿應具備較好的和易性，做好防銹處理并加入適量膨脹劑。當框架梁或腰梁錨固在錨桿時，錨桿產生的錨固力(在黃土邊坡土體中使用錨桿，錨固力主要來自砂漿與孔壁之間的摩擦力)可增強邊坡各土條塊的抗剪力，提高邊坡的安全穩定性。

按不同錨固角度(15°、20°、25°、30°、35°、40°)設計支護方案：1) 每級邊坡坡頂處采用腰梁錨桿支護；2) 每級邊坡2/3坡高處采用腰梁錨桿支護；3) 每級邊坡1/2坡高處采用腰梁錨桿支護；4) 每級邊坡1/3坡高處采用腰梁錨桿支護；5) 每級邊坡1/3坡高、2/3坡高處同時采用腰梁錨桿支護；6) 框架錨桿全坡支護。

3.1 無支護時位移分析

路塹開挖過程全部完成后，在無支護條件下利用有限元軟件計算邊坡的水平位移和豎向位移，結果見圖4。

圖4 無支護時開挖完成后位移等值云圖(單位：m)

從圖4可以看出：1) 向坡外的最大水平位移為0.632 09 m，向坡內的最大水平位移為0.228 36 m，向坡外的水平位移均大于向坡內的水平位移，最大水平位移出現在剪應力較集中的第一級邊坡上，與實際相符。另外，水平位移對邊坡穩定性影響較大，潛在滑裂面通常出現在等值線的密集區。2) 路塹邊坡頂部以“水平”位移為主，伴有“豎向”位移變形，因工程區濕陷性黃土普遍發育，具有Ⅲ～Ⅳ級自重濕陷性，開挖完成后頂部(削頂，植被遭到破壞)豎向最大位移為-4.448 3 m。綜上，無支護時邊坡開挖存在失穩風險，不滿足工程需求，需采取加固措施。

3.2 不同支護方案下邊坡穩定性分析

按不同腰梁錨桿位置分別計算邊坡的安全穩定系數。錨桿自由段采用桿單元模擬，彈性模量為2.0×108kPa，截面面積為0.000 560 m2；錨固段采用梁單元模擬，等效彈性模量為2.9×107kPa，截面面積為0.006 63 m2，慣性矩為7.0×10-6m4。砼框架梁(腰梁)產生的土體抗剪強度忽略不計。

3.2.1 不同錨固位置的邊坡穩定性分析

僅分析錨固角為40°的情形，分別計算每級邊坡坡頂處腰梁錨桿支護、每級邊坡 2/3 坡高處腰梁錨桿支護、每級邊坡 1/2 坡高處腰梁錨桿支護、每級邊坡 1/3 坡高處腰梁錨桿支護、每級邊坡 1/3與 2/3 坡高處同時腰梁錨桿支護、框架錨桿全坡支護下邊坡安全穩定性系數，結果見圖5和表2。

從圖5可看出：剪應力自上而下遞增，最大剪應力集中在邊坡底部，并向坡腳偏移，雖未形成貫通剪切帶，但對邊坡穩定性影響較大。

圖5 腰梁錨桿不同錨固位置和框架梁錨桿全坡支護下邊坡穩定系數及平面剪應力等值云圖(單位：kPa)

表2 腰梁錨桿不同錨固位置及框架梁錨桿全坡支護下路塹邊坡安全穩定系數

由表2可知：6種支護方案均能滿足工程需要，安全穩定性系數均大于1.35，達到GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術規范》中一級安全邊坡的要求。采用單腰梁錨固支護時，邊坡安全穩定性系數隨腰梁錨固位置變化而變化，腰梁錨固位置從每級邊坡坡頂向坡腳位置轉移時，邊坡安全穩定性系數呈遞增趨勢，由1.377增長到1.549，說明各級邊坡坡腳處平面剪切應力相對較集中，如果在靠近坡腳處采取錨固措施，其錨固效果優于其他位置(遠離坡腳)特別是坡頂處；每級邊坡在1/3與2/3 坡高處同時實施腰梁錨固支護時，穩定性安全系數比1/3坡高處單腰梁支護提高14.3%，錨固效果優于單腰梁支護，表明增加腰梁錨桿支護數量能顯著提高邊坡的錨固效果。而框架梁錨桿(錨桿數量進一步增加)全坡支護方案優于以上所有腰梁錨固支護方案，邊坡安全穩定性系數達到1.816。蘭州南繞城高速公路路塹邊坡大多采用這一方案。

3.2.2 不同錨固角對邊坡穩定性安全系數的影響

在其他條件不變的情況下，計算框架錨桿全坡支護下錨桿傾角為15°、20°、25°、30°、35°、40°時邊坡的安全穩定性系數，結果見圖6、表3。

從圖6可看出：剪應力自上而下遞增，最大剪應力集中在邊坡底部，并向坡腳偏移，但未形成貫通剪切帶。

圖6 不同錨固角對應的邊坡穩定性安全系數及剪切應力等值云圖(單位：kPa)

表3 不同錨固角框架錨桿全坡支護下 邊坡安全穩定系數

從位移等值線云圖(限于篇幅，略)來看，水平位移和垂直位移保持了支護前的狀態，幾乎無增量，說明支護措施起到了良好效果。

由表3可知：錨桿錨固角變化時，框架錨桿全坡支護下邊坡安全穩定系數產生變化。錨固角由20°變到40°時安全穩定系數呈遞減趨勢，由10°變到20°時安全穩定系數呈遞增趨勢，錨固角為20°時邊坡安全穩定系數最大，為1.986，說明框架錨桿全坡支護的最佳錨固角為20°。考慮到具體施工，只要錨固角在10°～40°范圍內均能滿足邊坡安全規范要求，從而增強錨桿支護的靈活性，有利于從經濟性、易施工性、安全性等方面優化支護方案。對于其他腰梁錨桿支護，錨固角同樣可在10°～40°靈活選擇。

4 結論與展望

根據蘭州南繞城高速公路深挖路塹邊坡工程ZK38+960橫斷面圖建立路塹邊坡幾何模型，對邊坡在不同支護條件下的安全穩定性進行有限元分析，比較不同腰梁錨固位置對邊坡安全穩定性的影響，分析不同錨桿錨固角下框架錨桿全坡支護對坡體的支護效果。主要結論如下：1) 無支護條件下邊坡穩定性系數為1.114，開挖完成后邊坡處于基本穩定狀態，但與工程安全等級規范要求(穩定性系數≥1.25)有不少差距，需采用支護加固措施。2) 支護位置沿坡面從坡頂變至坡腳時，單根腰梁錨桿支護效果呈遞增趨勢(由弱變強)，且離坡腳越近支護效果越明顯；采用雙腰梁錨桿支護即在1/3 、2/3 坡高位置同時支護的效果優于單根腰梁錨桿支護。3) 全坡框架錨桿支護效果優于任何腰梁支護。框架錨桿全坡支護效果與錨桿錨固角成非線性關系，在10°～40°范圍內隨錨固角的增大安全穩定系數先增后減，最佳錨固角為 20°。在實際施工中，錨固角可在10°～40°靈活選取(均能滿足安全規范要求)。

該文僅從安全穩定系數角度對不同支護方式的支護效果進行分析，限于篇幅未涉及支護條件下的水平變形、豎向變形、剪切應變、隆起變形等，也沒有考慮地震、降雨等因素。另外，文中在假設路塹邊坡一次性開挖完成的基礎上討論支護問題，與實際邊開挖邊支護存在一定偏差。后續研究將加以完善。