暴雨工況下的已加固黃土高填方路基邊坡穩定性評價

王江榮，梁永平，任泰明，趙 睿

(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)

隨著我國“一帶一路”戰略的深入推進和西部大開發步伐的不斷加快，在我國西部黃土高原丘陵溝壑地區建成(或者正在建)了許多高速公路。因復雜的地質環境和地貌特征在路基工程建設中出現了大量高填方(有的具有超大土方量)路基邊坡，而高填方路基邊坡易受地基固結沉降、路基自身壓縮變形、填方體強度不足或填料的不均性和不良性、雨水滲入、不合理的防水或排水設施以及外荷載等因素影響出現失穩現象[1- 4]。因此，研究或評價高填方路基邊坡的穩定性具有重大的實現意義，它關乎著人民生命財產安全和生態環境健康發展，現已得到工程技術人員、道路建設門部和道路安全管理部門的高度重視。為了使高填方路基邊坡長期處于穩定狀態，必須采取必要的加固技術(即擋土支護結構技術)控制其變形，防止其失穩滑坡。現有的加固技術主要有格構+錨桿、重力式擋墻、抗滑樁、樁板墻(錨索樁板墻)、錨定板擋墻、卸荷板擋墻、扶壁式擋墻、加筋土擋墻、懸臂式擋墻、錨桿(索)擋墻等[5]，至于采用何種加固技術應根據路基邊坡安全等級要求及邊坡工程實際靈活選取，且可多措并舉。而對于已加固高填方路基邊坡穩定性準確評價有助于在建和建后運營期公路邊坡的安全維護，做到防患于未然。基于此，本文采用有限元巖土軟件Midas/gts[6]對蘭州南繞城高速公路鄰接蘭州金城公園段已加固(下部采了錨桿擋土墻防護技術、中上部采了格構+錨桿護坡技術)典型高填方路基邊坡的安全穩定性進行評價，得出的結論供公路建設部門和公路安全管理部門參考和借鑒。考慮到降雨(特別是持續強降雨)是誘發邊坡失穩的重要因素，因此在對所選已加固高填方路基邊坡進行安全穩定性評價時重點考慮暴雨工況。

1 工程概況與地質條件

1.1 工程概況

蘭州南繞城高速公路是連云港至霍爾果斯國家高速公路(G30)主干線的組成部分，位于青藏高原向黃土高原過渡的隴西黃土高原上，地形地貌總體為南北髙(黃土溝梁區)，中間低(河谷盆地區)，公路建設地區大部為海拔1500～2000m的黃土覆蓋丘陵、盆地等，黃土覆蓋厚度較大。沿途出現了大量高填方路基邊坡，其中以鄰接蘭州金城公園路段(北側面向公園)最具代表性，如圖1所示。根據圖1所示填方邊坡的實際情況和依托的地質地形條件，選擇合理的邊坡繪制計算剖面圖如圖2所示。

圖1 鄰接金城公園的蘭州南繞城已加固高填方路基邊坡

圖2 高填方路基剖面圖

1.2 地層巖性及物理力學參數

①填土：填料主要為Q2黃土，厚度20～35m。

下面給出相關地層物理力學參數，見表1。

表1 巖土物理力學參數

1.3 氣象水文條件

研究對象所在區(蘭州西固區)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，區內海拔平均高度1520m， 年均氣溫11.2°C，年均降水量327mm，全年日照時數平均2446h，無霜期180d以上。另外，該地區處于隴西中部黃土丘陵中徑流區，植被覆蓋度大部分在15%以下，年徑流深5～10m，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。因連霍高速是交通運輸部規劃的國道主干線，包括本研究路段在內沿途均有良好的排水系統(建設時充分考慮了排水設施)，暴雨或強降雨過后不宜形成積水。

1.4 邊坡支護結構設計

依據相關規范[7- 10]，結合現場實際，選擇錨桿擋土墻、格構錨桿聯合支護。公路路基左側(鄰接蘭州金城公園)邊坡分三級支護加固，自下而上第一級高為12m，邊坡與水平面傾角為75°，采用錨桿擋土墻支護；第二級高度18m，坡率為1∶1.75，采用拱形格構+錨桿支護；第三級高度15m，坡率為1∶1.5，采用拱形格構+錨桿支護，第二級與第三級間平臺寬2m；坡頂為公路且總寬度為24.5m。右側為單級坡，鄰接溝峪，坡率為1∶2，坡高為25m，采用拱形格構+錨桿支護。邊坡支護局部立面圖如圖3所示。格構梁的尺寸為0.3m×0.3m，相鄰格構梁的規格為2m×3m，框架梁錨桿長度為8m，擋土墻錨桿長度為24m，錨桿采用Φ25螺紋鋼且全長灌漿(黏結)，錨固角為25°。框架格構及擋土墻分別采用C30和C20混凝土澆筑，并給擋土墻錨桿預應力為200KN。拱形格構的彈性模量為30000MPa，泊松比為0.2，重度為24kN/m3；擋土墻的彈性模量為22000MPa，泊松比為0.2，重度為25kN/m3。錨桿的物理參數見表2。

表2 錨桿的物理力學參數設置

圖3 邊坡支護局部立面圖

2 邊坡數值模型建立

根據選定的高填方路基工程地質剖面(圖2)及相關參數、邊坡支護結構設計，利用Midas/gts巖土軟件建立邊坡三維有限元數值模型和支護結構數值模型，如圖4所示。為了提高分析結果的準確性， 模型外圍尺度作了適當延伸，其大小設定為320m×135m×20m(即模型底面長為320m，寬為20m，底面到路面的垂直距離為135m，)。模型網格劃分采用混合網格，以六面體為主，過渡部分為四面體(三棱錐)，邊坡部分的網格尺寸為0.6m，邊界上的網格為6m,共得到劃分節點數25420個，單元數38288個。結構單元的格構梁采用析取方法實現，錨桿直接采用植入式桁架單元模擬劃分。

圖4 三維邊坡數值模型及支護結構數值模型

模型的左右施加x方向約束，前后施加y方向約束，底部施加x、y、z方向約束，給路面添加20kPa的豎向荷載(以模擬車輛經過的情景)，為了增強邊坡穩定性，在坡腳及鄰近區添加100kPa的堆載反壓。在利用Midas/gts進行數值模擬分析時巖土本構模型采用經典摩爾-庫論屈服準則[11]。

3 模擬結果分析

降雨(特別是持續強降雨)是誘發邊坡失穩的重要因素，限于篇幅，本文僅考慮暴雨工況下已加固高填方路基邊坡的穩定性。通過數值模型計算邊坡的穩定性系數、位移、應力、塑性區、格構錨桿軸力及彎矩等，并對邊坡支護效果進行評價。利用巖土軟件Midas/gts模擬暴雨工況時，雨水從坡頂滲入邊坡土體，使土體處于完全飽和狀態，對此可以通過將水位設置到地表來模擬。作為對比，對有支護的天然工況情形僅給出計算結果。

3.1 邊坡穩定系數

從圖5可看出，采用強度折減法[12]計算出的暴雨工況下已加固邊坡穩定性系數為1.10(暴雨工況下無支護結構的邊坡穩定性系數為0.8，邊坡處于失穩狀態)，表明邊坡處于基本穩定狀態，說明加固方式(如圖6所示)有效(說明一點：在已實施加固措施的基礎上，在坡前距離坡腳9m地面區域內施加了100kPa堆載反壓，以此增大抗滑力，提高了邊坡的安全穩定性)。另外，潛在滑動面區域較加固之前有所增加，后續應在坡腳位置再次加強，以達到固腳強腰的效果。而天然工況下已加固邊坡的穩定性系數為1.8，說明降雨(暴雨或持續強降雨)大幅度降低了邊坡的穩定性，作好防水設施或排水系統非常重要。

圖5 暴雨工況下已加固邊坡穩定性系數計算云圖

圖6 高填方路基邊坡加固局部圖

3.2 水平豎向位移

從暴雨工況下已加固邊坡的位移云圖(圖7)可知，最大位移出現在第一級邊坡與擋土墻頂部位置，最大總位移為0.361m；從水平位移云圖(略)知最大水平位移0.013m亦出現在此處；從豎向位移云圖(略)知，豎向沉降最大值出現在坡頂處，最大沉降量為0.199m；最大隆起出現在坡腳位置，最大隆起值為0.209m。因暴雨工況下無支護邊坡處于失穩狀態，用midas/gts做靜力計算時呈現不收斂現象，可推斷出最大總位移、最大水平位移及最大沉量等遠大于有支護的情形。綜合表明暴雨工況下支護結構發揮了重要作用，提高了邊坡的穩定性。

圖7 暴雨工況下已加固邊坡的總位移圖云圖

3.3 應力與塑性區

從應力云圖(僅給出最大主應力云圖，見圖8)與塑性區云圖(圖略)可知，邊坡在暴雨加固工況下應力最大值出現在邊坡擋土墻區域內，且最大主應力值為3.65MPa。塑性區域與加固之前的塑性區域范圍相近，但加固后的邊坡拉伸破壞區域大大減小，不存在卸載再加載區域。而在非加固條件下，當暴雨進程到65%時最大主應力值為3.59MPa，超過了混凝土C20的抗拉強度，邊坡已破壞；同時出現了卸載再加載的區域，拉伸破壞明顯。對比分析表明支護結構的維穩效果明顯。

圖8 最大主應力云圖

3.4 錨桿軸力及彎矩分析

暴雨加固工況下，格構梁的最大軸力較天然加固工況(最大軸力為1363kN)有了較大提升(最大軸力為2038kN)，且最大值位置出現在二級邊坡坡頂處(如圖9所示)。從剪應力云圖(如圖9所示)可看出，最大剪應力出現在二級邊坡頂端，且最大值為486kN。拱形格構梁位置的軸力、彎矩及剪力均較小。從彎矩云圖(略)可以出，最大彎矩亦出現在二級邊坡頂部的框架梁上，且最大值為200kN·m。另外，從錨桿軸力分布圖(略)可看出自下而上錨桿軸力逐漸減小，擋土墻內錨桿的最大軸力為378kN，一級邊坡錨桿最大軸力為165kN，二級邊坡錨桿最大軸力為30kN。數據表明支護內力均在安全范圍內，支護結構安全可靠。

圖9 格構梁的軸力分布圖

圖10 格構梁的剪應力云圖

4 結論及建議

以蘭州南繞城高速公路鄰接蘭州金城公園的已加固高填方路基高邊坡為研究對象，并采用有限元巖土軟件Midas/gts對典型已加固高填方路基邊坡建模分析。因暴雨或持續強降雨是誘發邊坡失穩的主要因素，故在暴雨加固工況的基礎上對所建三維模型從穩定性系數、水平豎向位移、應力、塑性區、格構錨桿軸力及彎矩等方面進行了模擬分析，得出以下結論：

(1)天然未加固工況下的穩定性系數為1.43，天然加固工況下的穩定性系數為1.8；暴雨未加固工況下的穩定系數降至0.8。根據潛在滑動面的位置確定加固方案，即在放坡的兩級邊坡上采用格構梁+錨桿的方式，在擋土墻布設錨桿加固，在坡前坡腳鄰近位置采用堆載反壓等方式對邊坡進行加固，暴雨加固后邊坡穩定性系數達到1.10，邊坡處于基本穩定狀態，后續需要在潛在滑動面或者剪出面增加抗滑樁或注漿加固等形式增強其抗滑力，增大邊坡穩定性系數。

(2)從暴雨加固工況下的支護結構軸力和彎矩來看，支護結構內力符合規范，即在安全范圍內。因最大剪出面位于擋土墻以及擋土墻前地面位置，所以為了邊坡的長期安全穩定可適度增加擋土墻內的錨桿密度，同時對擋土墻前地面位置(地基)進行適當加固。而一級坡和二級坡上的格構梁間距可適度增大，以此節約成本。

(3)盡管所建模型與實際高填方加固邊坡有偏差，但通過模型分析所得出的結論還是比較符合實際。蘭州南繞城高速公路于2018年年底建成通車，安全運營近兩年(曾出現過2～3次的強降雨)，沿途高填方路基邊坡是安全穩定的，但為了邊坡的長期穩定，需要作好后續防護加固工作。