順層邊坡穩定性分析及優化設計研究

賈鵬云

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030012)

1 工程概況

1.1 邊坡概況

該深挖路段位于天鎮—大同段高速公路K11+738。邊坡最大高度48.3 m。路段位于構造剝蝕基巖中山區，該地形單元為大同盆地西部的陰山山系清涼山山脈,區內基巖大面積暴露,地勢起伏很大,微地形以壩基巖性山嵴線和基巖沖溝為主，路線沿邊山半坡展布，其范圍內地面標高1 215.0～1 383.0 m，相對高差168.0 m。

1.2 工程地質條件

(1)地層巖性

②Q、Q地層巖性為卵石、粉土、碎石等，Q碎石和Q、Q卵石多呈灰褐色，主要顆粒成份為片麻巖和麻粒巖，強～弱風化，混合土充填，分布于溝谷底部；Q粉土為褐黃色，松散～稍密、稍濕，局部有輕度濕陷性，厚度2.0～8.0 m。

(2)地質構造

深挖路段地處內蒙斷塊之南緣，桑干河新裂陷北部，區內地質構造復雜。次級構造為云門山～清涼山塊隆構造主體呈東西或北東東～南西西走向，延伸長度大于50 km以上，南部分別與天鎮～陽高新裂陷，相對的新裂陷盆地隆升高度約300～500 m左右，地貌變化主要出現在基巖山嶺，區內鑲嵌有西洋河山間寬谷，地形起伏較大，溝塹縱橫，地層主要為中晚太古代區域變質巖，各期侵入巖脈。根據收集的區內天鎮、陽高、大同及區域地震資料，歷史記錄以來，項目區內共發生的5級以上地震次數有39次，其中最大地震發生于1986年10月18日，最大震級為6.1級，伴隨5級以下余震共6 000余次。根據《中國地震動峰值加速度度區劃圖》分析，該段地震動峰值加速度為0.10 g，地震烈度為Ⅵ，場地穩定性稍差綜合評價穩定性稍差。

(3)水文地質

根據地質調查，路段內沖溝無地表水存在，也未見泉水出露，大氣降水為山體地下水主要補給源，但由于坡體較陡，植被極不發育，加之巖體風化程度較高，節理裂隙發育，使得地下水排泄通暢，未滯留在巖體上部，地下水的類型主要是基巖裂隙水，局部沖溝出現少量第四系潛水，地下水埋深變化較大，水文地質條件簡單。

2 邊坡穩定性分析

2.1 邊坡模型的建立

該段邊坡巖性主要為片麻巖，巖層產狀為260°∠35°，路線走向174°，巖層視傾向與路塹左側高邊坡坡向一致，形成順層邊坡且巖層傾角較大。自然斜坡處于穩定狀態，但是，在人工開挖活動作用及不同開挖角下局部將有可能發生滑移以及失穩。

選取代表性的K11+738段剖面進行計算。

根據上述幾何形式，可以構建數值計算模型，其中計算模型中巖體是彈塑性材料，采用Mohr-couloumb屈服準則，片理面等結構面采用面接觸的couloumb滑動模型。

2.2 計算方案

根據邊坡開挖和治理設計的要求，對該順層邊坡采用兩種方案進行計算。

①自然斜坡的穩定性計算

②不同放坡坡比下的穩定性計算，考慮地震烈度為Ⅵ，具體方案見表1。

表1 計算方案表

(1)計算參數選取

參數選取如下:巖體參數:密度=2.65 g·cm,=18 GPa,=9.6 GPa,粘聚力=350 kPa，摩擦角=45°。 結構面參數:=2 GPa/m,=1 GPa/m，粘聚力=5 kPa，摩擦角=30°。

(2)不同放坡角邊坡穩定性分析結果見表2。

表2 不同放坡角穩定性計算結果表

2.3 邊坡敏感性分析[2]

(1)片理面抗剪強度參數對邊坡的穩定性影響敏感程度最大，其中，內摩擦角比內聚力對穩定性敏感程度反應更大。

(2)從地震烈度對邊坡穩定性影響可以看出，地震烈度小于5時，變化緩慢，大于5，穩定性系數降低的明顯。

(3)放坡角對穩定性的影響，在自重情況和考慮地震的情況下，隨著開挖坡角的增大而降低，變化的趨勢基本一致，大于55°邊坡穩定系數降低且小于1。

(4)從巖體密度對邊坡穩定性影響可以看出，穩定性系數隨巖體密度增大而緩慢減小，巖體密度對穩定性的敏感程度最低。

(5)總之，就敏感性而言，片理面內摩擦角最大，巖體密度最小。其余介于中間。設計時要充分考慮放坡角對邊坡穩定性的影響，為設計提供科學依據。

3 邊坡優化設計及加固方案

3.1 最優坡角的確定

根據實際道路工程中的邊坡樣本統計的基礎上，典型路塹邊坡坡度統計值。

另外，在采礦、水電工程中，根據工程實踐研究調查發現，對于120 m高的巖質邊坡，總體坡角緩于55°可以穩定，對于16 m高的邊坡，總體坡角應緩于53°。

邊坡設計中涉及的因素很多，諸如開挖工程量和加固設計工程量以及占用土地量，工期等因素。其中，開挖坡角是最重要的問題。所謂的最優設計坡角，就是在保證邊坡在正常服務期間保持安全穩定運營的前提下，實現開挖與加固最經濟技術效益的最大邊坡角度。因此，最優坡角的研究正是通過協調與邊坡設計相關的系統各組成部分相互關聯,以求得系統整體達到最佳狀態的最大邊坡角度。

最優坡角確定的原則。

首先，保證邊坡在正常服務期間能夠安全穩定運營，這是邊坡設計的最根本的原則。其次，在滿足穩定性要求外，在經濟效益上，要注意考慮邊坡的地形條件、施工方案、支護措施的對設計的影響。另外，要充分利用工程地質類比法對相似工程的借鑒和學習。除了定性分析外，要采用數學的統計等方法和定量計算總結出經驗。

最優坡角的確定應該滿足安全和經濟兩個目標。即:確定穩定狀態下最優坡角和開挖支護狀態下經濟最優坡角。穩定最優坡角的確定基于兩個方面:一、通過邊坡穩定性分析，滿足規范要求的最大坡角。二、根據巖體質量指標評分標準，引用邊坡坡角與的關系。

綜合考慮穩定最優坡角。經濟最優坡角的確定，主要基于考慮開挖和支護費用的最優。

從開挖坡角的角度進行費用分析，開挖與加固兩者是反比的關系，當兩者之和為最小時，所對應的邊坡角為經濟最優坡角，即主要考慮開挖邊坡的費用和加固支護的費用。

綜上根據穩定最優坡角和經濟開挖坡角，最后最優坡角確定為52°，即總體坡角為52°。根據工程地質類比法等相關規范也均滿足。即坡度為1∶0.75。

3.2 加固方案的比選

對于該段邊坡的防護，分別考慮以下四種方案進行比選，主要考慮技術、經濟和施工工期等進方面，通過比選從中選出最優的防護和加固方案。

方案一：消坡加砌片石護坡。該方案在技術上比較可取，經濟上，由于消坡治理邊坡時，要將邊坡坡角削至稍小于或等于巖層的內摩擦角，即:30°，坡面采用漿砌石層護面。但是，開挖量大，占地增加6.2畝，開挖工程規模增加12.3萬方。

方案二：抗滑樁加漿砌片石護坡。抗滑樁是目前治理大型滑坡或邊坡失穩的基本方式。該方案技術上可行，根據穩定性的分析邊坡整體穩定，采用該方案處治過于保守，處治方案不經濟合理，且工程施工工期長，工期延長3個月。

方案三：混凝土擋墻加漿砌片石護坡。擋墻主要是目前治理中小型滑坡較為有效的措施和方法。該段邊坡為順層邊坡，通過穩定性分析知道，總體穩定不存在滑動的可能性，僅僅是局部巖體不穩，故擋墻的使用不合適。

方案四：錨桿加噴網支護。該方案是治理巖質滑坡以及邊坡的有效方式。同上述其他方案和錨索加噴網支護相比技術可行、施作簡單、快速等優點。

綜上，該段邊坡采用錨桿加噴網支護是一種經濟、快捷、簡便、可行的能夠控制邊坡坡面局部破壞的方案。

3.3 加固方案的設計

(1)總體加固方案

根據穩定性分析結果，該段邊坡采用砂漿短錨桿，以錨為主，錨噴網結合的支護方案。

根據最優的總體開挖坡角，為了減少開挖以及加固工作量，按照類比法采用分層開挖與預裂爆破、錨噴(網)加固。

分層開挖后，采用低臺階水平開挖，臺階爆破采用預裂爆破，防治爆破對邊坡的破壞與振動。

(2)支護參數選取

結合相近工程采用類比法進行設計。錨桿直徑設計為25 mm(二級螺紋鋼)，鉆孔孔徑為100 mm，砂漿強度M30。錨桿長為8 m。另外，鋼筋網為φ10 mm，網格為20 cm×20 cm，噴混凝土C20的厚度為15 cm。

4 結 論

(1)片理面抗剪強度參數對邊坡的穩定性影響敏感程度最大，其中，內摩擦角比內聚力對穩定性敏感程度反應更大。就敏感性而言，片理面內摩擦角最大，巖體密度最小,其余介于中間。

(2)優化設計來講，經過穩定坡角和經濟坡角的比選，結合工程地質類比經驗，最后選擇52°為最優坡角。

(3)邊坡的設計是一個信息化的過程，通過勘察階段和施工階段兩個階段獲取更多的信息及時反饋、調整設計方案進行優化設計，開展信息化施工，對于工程建設不僅可以降低成本，同時，對邊坡治理也能達到更合理的目的。

(4)綜上數值模擬分析結合工程實例研究表明，對順層邊坡穩定性分析過程中，參數選取而已，巖層傾角、層面內摩擦角、粘聚力等的合理選擇顯得尤為重要。結合邊坡加固支護來講，要選擇合理坡角、降低坡高，同時要提高滑面的、值。