公路高邊坡穩定分析方法及支擋優化設計

周懷恩

摘要 文章從公路高邊坡的穩定分析方法入手，論述高邊坡穩定性評價方法及現有問題，結合實際工程對錨固結構參數進行了深度優化，得到了最佳組合的錨固結構參數。研究結果表明，邊坡穩定性與錨固角成反比與錨固深度成正比，同時當錨固結構的錨固角為10°，錨固深度為19 m時，邊坡處于最安全狀態。

關鍵詞 公路工程;高邊坡;穩定性分析;支護措施;錨固結構

中圖分類號 U416.14 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0124-03

0 引言

隨著我國經濟的蓬勃、快速發展，公路工程等一系列基礎設施也進入了空前的繁榮時期。與此同時，也對相應的公路工程建設提出了更高的要求，例如在山區及西部地區公路施工過程中，受特殊的地形、地貌及地質水文條件影響，不可避免地會遇到邊坡開挖、支擋防護等一系列工程難題，并造成巖土體擾動、破壞周邊環境以及誘發常見的地質災害等問題。以高邊坡穩定分析為依據，高邊坡設計理念為核心，統籌協調邊坡支護措施與周邊環境，選擇最為科學、有效的支擋優化方案對公路高邊坡工程施工及運營維護均有顯著意義。

1 高邊坡穩定分析方法及現有問題

1.1 高邊坡穩定分析方法

目前，高邊坡穩定分析方法從分析類型方面大致可分為定性分析方法、定量分析方法以及非確定性分析方法三大類[1-2]。具體如下：

（1）定性分析是指采用地勘或調研等工程勘察形式，對誘發高邊坡失穩的主要起因以及預期邊坡災害形式等進行系統分析的一種方法，通過與已變形或破壞的高邊坡失穩原因及破壞形式進行對比分析，進而以類比的方法獲知被評價高邊坡的穩定性。常見的定性分析方法有：自然歷史分析法、工程類比法以及邊坡穩定分析數據庫等。該法能夠綜合誘發高邊坡失穩的多種因素，并快速確定其所處狀態，被廣泛用作高邊坡穩定性的初步分析。

（2）定量分析方法目前主要有極限平衡分析法和數值分析法兩種。極限平衡分析法具有較強的理論基礎且能夠充分考慮多種荷載形式，在高邊坡穩定分析方面得到了廣泛應用。極限平衡分析的大致思路是通過不同劃分形式將滑坡體簡化為若干條形體后，通過力學關系計算得到相應的邊坡安全系數。常用的極限平衡方法有畢肖普法和簡布法等。受預先假定滑動面位置以及無法充分考慮支擋結構與巖土體間的力學及變形關系等因素的制約，限制了該方法在邊坡穩定分析方面的進一步發展。數值分析方法能夠合理的消除極限平衡法所存在的弊端，目前已成為高邊坡穩定分析主流方法，具體思路如下：采用不同求解方法確定公路高邊坡力學及其響應特征后，分析巖土體邊坡中不同位置處的力學及變形演化規律，求得對應位置處的邊坡安全系數，以此作為依據判斷公路高邊坡當前所處的穩定狀態。常用的數值分析方法有：有限元分析法、有限差分法、離散元法等。表1列出了不同數值分析方法在邊坡穩定分析方面的特征。

（3）非確定性分析方法是以統計學理論為依據所提出的一種可用于高邊坡穩定分析方法。由于誘發高邊坡失穩的影響因素眾多，同時這些因素大多具有顯著的隨機性和不確定性，很難通過量化關系獲取所需的模型參數。從參數的隨機分布出發，以非確定性分析方法為依據，通過統計分析，對高邊坡進行穩定性評價是一種行之有效的方法。常見的非確定性分析方法有可靠度分析方法、灰色理論法、神經網絡法等。但受樣本選取難度大、容量大等且適用性較差缺點，僅在樣本豐富的情況下適用。

1.2 高邊坡穩定分析方法現有問題

目前高邊坡工程中常用的邊坡穩定分析方法，能夠為邊坡失穩提供一定的判據和預測，但目前仍存在以下問題有待進一步解決，即邊坡安全系數的含義有待完善、邊坡潛在滑動面位置的確定以及多場耦合在邊坡分析中的實現等。

（1）安全系數在傳統意義上被定義為潛在滑動面上的抗滑力與滑動力的比值。然而目前安全系數定義已經被擴展至宏、微觀安全系數、經驗安全系數等方面，諸如以強度指標儲備的強度折減法作為安全系數等，這與傳統定義存在一定的出入。上述安全系數的提出一定程度上豐富了邊坡穩定性評價的發展，但所提出新的安全系數缺乏一定的物理含義或含義不明確，有待對安全系數的提出開展更為系統和完善的研究。

（2）邊坡分析的主要目的是確定其潛在滑動面，特別是針對高邊坡而言，其滑動面一旦發生破壞，造成的破壞難以預估。如何準確地預測公路高邊坡潛在滑動面的位置至關重要。現有的滑動面確定方法主要有變分法和搜索法等。由于變分法在求解安全系數時所確定的潛在滑動面在數學方面缺乏一定的嚴謹性，搜索法在確定潛在滑動面時也會遇到數值問題，上述方面在確定高邊坡潛在滑動面時仍存在缺陷，結合數值計算方法或提出新的滑動面預測方法是解決該問題的新途徑。

（3）邊坡失穩往往是由于外界條件改變而誘發土體參數發生改變造成的。科學、合理確定模型參數取值以及模擬外界條件環境因素變化對于邊坡穩定分析是極為重要的。作為邊坡穩定分析中最普遍被涉及的物理場、滲流場和應力場的流固耦合模擬，才能夠較為真實地反映邊坡真實情況。對于位于特殊氣候或地質構造趨于多變或地震頻發區域的邊坡，對其穩定分析時還須考慮溫度場耦合或動態有限元分析。只有在確定巖土體準確的力學參數條件下，充分考慮實際工程中可能遇到的多場作用，以多場耦合形式來求解公路高邊坡穩定問題才更為科學、合理。

2 實例分析

2.1 工程背景

湖北某高速公路路線全長160 km，所處地區路線高程變化大，水文地質條件復雜，且地形條件極其復雜，途徑多處高邊坡地帶。為保證公路建設的順利實施，在設計時必須綜合上述因素進行考慮，以期達到最佳的高邊坡治理效果。路線全段采用一級公路建設標準，路基寬度設計為33.5 m，設計時速為100 km/h，通過對該工程案例中的公路高邊坡進行優化設計與分析能夠為相關高邊坡支護設計提供一定的借鑒。

2.2 高邊坡設計原則

高邊坡治理設計過程中往往需要秉持著“預防為主、不留后患、經濟并行、綜合治理”的設計理念[3-4]。預防為主作為高邊坡設計過程中的首要原則，不僅能夠最大限度減少工程量，同時避免額外的施工成本投入。對于設計過程中遇到特殊巖土體或地質災害多發地帶，應盡可能選擇改線，避開不利于公路施工及后期運營的地段。若無法實現改線避讓時，避免采用高填深挖邊坡，應采用隧道工程替代邊坡工程。邊坡治理應一次根治，在對巖土體邊坡潛在地質災害進行準確地分析與預估后，方能進行高邊坡工程設計。通過對所提出的設計方案進行多方論證后，選定高邊坡工程最為科學、合理的防治措施。一旦確定了高邊坡治理方案后，嚴格按照相關規范對高邊坡進行施工，避免出現工程安全事故。經濟并行是高邊坡治理設計的一大核心問題。在高邊坡治理過程中，不僅要確保所提出的治理方案科學有效，同時應盡可能減少施工成本以及施工時間等。設計過程中在滿足預防為主、不留后患的條件下應盡可能提出多種治理設計方案，從技術和經濟層面進行優化比選，從而確定出最佳的高邊坡治理設計方案。綜合治理主要是針對誘發高邊坡地質災害的潛在因素，設計中不僅要以消除主要因素為目的，同時又要輔以其他措施對次要因素也進行相應治理，實現從全方面達到治理公路高邊坡地質災害的目的。此外，在確保高邊坡安全基礎上，也應考慮邊坡治理的生態指標以及美觀程度。

2.3 高邊坡防護方案確定

長期以來，巖土工程界針對公路高邊坡失穩破壞的防治積累了大量的經驗，形成了以錨噴、釘、擋、護等為主導的邊坡災害防治措施[5]。支擋防護、護坡防護以及植被防護均被視為高邊坡支擋措施。目前廣泛采用的護坡防護措施有人工削坡、錨桿（索）支護結構、格構梁結構、SNS主動網以及掛網噴射混凝土防護結構等。其中的護坡防護措施往往并非單一形式，一般采用其中兩種或三種綜合運用，達到高邊坡防護的目的。由于該工程中各標段間設計和安全性存在明顯的差異，在實際公路工程項目中，應綜合統籌地提出科學、合理的公路高邊坡支擋防護設計優化方案。通過進一步對工程建設過程中所涉及的公路高邊坡工程進行詳細調研和穩定分析，確定當前邊坡開挖過程中存在一定的安全隱患，對部分邊坡進行相應的治理。其中最主要的治理加固措施采用預應力錨索邊坡防護形式。該文后續的支擋防護優化設計主要針對錨固結構進行分析。

2.4 支擋防護優化設計

為進一步優化預應力錨索結構設計，采用有限元數值模擬的方法對預應力錨的錨固角和錨固深度進行了細致化研究，模擬采用的地層物理參數見表2。模型長、寬、高分別為280 m、70 m和136 m，邊坡分為5級開挖，每級開挖高度為7 m，臺階寬度為2.0 m，如圖1所示。由于數值模擬考慮了錨固角和錨固長度兩種因素，具體的模擬工況為錨固角為10°、15°和20°，錨固長度為15 m、17 m和19 m。

圖2和圖3分別給出了從數值模型中提取的不同錨固角、錨固長度與邊坡位移的結果。

由圖2可以看出，隨著錨固角的增大，邊坡位移逐漸增大，這說明一味增大錨固角可能會導致邊坡更快失穩。圖3表明錨固深度越大，邊坡位移越小。這是因為錨固深度可能深入到了存在潛在滑移風險的地區，通過加固能顯著降低邊坡位移。綜合上述分析結果，設計中錨固結構的最優參數為錨固角為10°，錨固深度為19 m。此外，通過對比上述組合形式下邊坡的安全系數發現此時的穩定系數最小，這也進一步表明該組合下邊坡處于最安全狀態。

3 結語

該文從高邊坡穩定分析方法、高邊坡治理設計理念和高邊坡支擋措施及設計優化角度出發，總結分析了目前我國高邊坡穩定分析及邊坡治理過程中的問題。指出為提高公路高邊坡工程施工及后期運營過程中的安全性，必要的邊坡支擋結構必不可少。通過對高邊坡實例工程進行數值模擬從而對錨固結構的參數進行了優化分析，以期為公路高邊坡安全建設提供保障。

參考文獻

[1]賈宏偉. 公路高邊坡穩定分析方法及支護優化設計[J]. 交通世界， 2020（22）： 60-61.

[2]李靜. 高速公路路塹邊坡穩定分析及治理方法綜述[J]. 黑龍江交通科技， 2013（2）： 68.

[3]高國林. 路基高邊坡防護施工技術研究[J]. 交通世界， 2020（22）： 72-73.

[4]趙龍海. 對公路高邊坡防護工程施工技術的分析與研究[J]. 綠色環保建材， 2020（6）： 145+149.

[5]陳孝勇. 路基高邊坡防護工程施工技術研究[J]. 青海交通科技， 2019（6）： 41-43.