公路路塹高邊坡穩定性分析及防護措施研究

秦海燕

(甘肅省甘南公路事業發展中心舟曲公路段，甘肅 甘南 747000)

0 引 言

在人類工程和經濟活動中，邊坡扮演著重要的角色，是一種較為廣泛的地質地貌環境，按成因分類可分為人工邊坡和自然邊坡。邊坡通常會在某些自然因素以及人為的擾動的作用下而產生失穩破壞，常見的破壞形式有滑坡、崩塌以及泥石流等。邊坡的失穩破壞對人員生命安全以及財產威脅巨大，嚴重時還有可能引發一系列的地質災害[1,2]。隨著人類活動涉及到的空間不斷延伸，各類工程規模迅速增大，工程中所遇到的邊坡種類也越來越多，邊坡穩定性問題也變得越來越突出。

邊坡穩定性分析是土木工程領域重要的研究方向，邊坡工程涉及的建筑、橋梁、道路等眾多領域，對邊坡穩定性評價結果的正確與否和邊坡工程項目質量緊密聯系。為了安全和科學的指導實際項目順利進行，需要對工程邊坡進行準確的穩定性分析和評價。如果對邊坡穩定性分析不夠準確，甚至邊坡分析得出了錯誤的結論，不僅會影響到工程質量，甚至有可能引發工程事故，造成重大經濟損失[3,4]。邊坡失穩破壞產生的危害都是災難性的，所以準確的邊坡穩定性分析方法對工程項目有著極為重大的影響。

1 邊坡穩定性的分析方法

邊坡穩定性分析和評價通常可分為以下兩大類：(1)定性的分析方法。定性分析主要包括自然歷史分析、工程地質類比法、圖解法、邊坡分析專家系統。(2)定量的分析方法。定量的分析方法是基于某種假設，按一定的原則，計算得出安全系數，最后根據該系數對邊坡進行綜合穩定分析和評價。本文主要采用定量分析的方法來完成具體邊坡的穩定性分析，指導邊坡支護防護措施設計。

通過理論和實際研究，邊坡工程的定量分析方法一般可以運用常規的極限平衡法以及基于有限元分析的強度折減法。由諸多學者的研究和筆者實際工程檢驗，基于極限平衡法計算的邊坡穩定性系數較有限元強度折減法計算的結果相對更加保守，所以本文邊坡穩定性分析采用極限平衡法[5-7]。

極限平衡法在邊坡穩定性分析中應用較為廣泛，基于快速高效的計算原則，土質邊坡大多采用圓弧法法，它的核心原理是將滑動的巖土體條劃分為一系列的單個土條，然后對所劃分的土條進行受力分析，通過簡單的公式計算就可以得出邊坡的穩定安全系數。選擇合適范圍的滑體和滑面的形態進行分析研究是極限平衡法的關鍵所在，然后選擇合理準確的滑面計算參數，進而就可以分析研究滑體上附加的各種荷載[8,9]。基于這種核心思想的理論分析方法很多，比如簡化Bishop法、Janbu法以及Sarma法等。

1.1 簡化Bishop法

簡化Bishop法是一種適合弧形滑動的邊坡穩定性分析方法，相對Fellenius條分法改進了條分法的計算精度，計算的安全系數也更符合實際，在公路工程中常常被采用。

經過一系列的推導得出Bishop法計算邊坡安全系數的公式如下

(1)

式中：Fs為邊坡安全系數；ci為黏聚力；bi為寬度；ui為孔隙水壓力；Wi為自重；φ為滑面摩擦角；αi圓弧底面傾角；R為圓弧滑面半徑；Qi為作用力；ei為圓弧底面剪力。

1.2 Janbu法

Janbu法是用來分析松散均質邊坡中，受基巖面限制而產生兩端弧形、中間位平面或折線的符合破壞面滑動的穩定性分析方法。

1.3 Sarma法

Sarma分析法具有更真實的模擬滑坡力學分析能力，可適用于評價何種破壞模式下的邊坡穩定性，如平面狀的滑動破壞、楔形狀的滑動破壞、弧形狀的滑動破壞等，而且此法可以任意分塊，不需要條塊邊界垂直，適用各種特殊滑動面的邊坡滑動破壞分析。但是采用此法計算安全系數需用迭代法，計算較為復雜。

極限平衡法原理簡單易懂，計算結果可靠，很容易被工程技術人員熟練地掌握和應用，由結果也很直觀的反映出邊坡的危險滑動面，更好地指導工程技術人員提出有征對性的加固處理措施，故而廣泛地應用于工程領域。

2 工程實例分析

某公路路塹高邊坡位于陜西省，邊坡高度約為40 m，邊坡所在道路為新改建國道，道路等級為一級公路。邊坡山頂周圍有大型高壓輸電塔，由于路線無改線優化空間，為保障大型高壓輸電塔安全，邊坡坡頂距電塔必須滿足一定的安全距離，大型高壓輸電塔成為路塹邊坡設計的關鍵性因素。

根據《公路路基設計規范》(JTGD30—2015)對公路邊坡穩定性評價要求，要求各等級公路路塹邊坡穩定系數不小于表1所列穩定安全數值。

表1 各等級公路路塹邊坡要求的穩定安全系數

對于邊坡破壞的影響區域范圍內，如果存在高壓電塔時，規范要求邊坡的穩定安全系數取大值。根據上述要求，該路塹邊坡坡頂存在高壓電塔，邊坡開挖后的穩定安全系數不能小于1.3。

2.1 場地工程地質條件

邊坡所在路段處于山嶺重丘地帶，地形起伏較大，自然坡角最大約40～50°。山體表面植被覆蓋，生長松樹、桉樹及各種灌木植物。本次勘察的鉆孔孔口高程在59.12～96.44 m之間，地勢高低起伏。

通過鉆探資料及實地地質調繪成果，邊坡土層分類主要由第四系殘積層(Qel)砂質黏性土及石炭系(C3dh)沉積砂巖及其風化層組成。各巖土層分述如下。

(1)第四系中更新統殘積層(Q2el)

粉質黏性土(地層編號⑧1)：土樣呈褐紅色，可塑狀態，主要以黏粒為主。土質分布不均勻，局部含有少量風化顆粒，系巖石風化而成的殘積土。厚度0.50～10.10 m，為Ⅲ級硬土。

(2)石炭系(C3dh)沉積砂巖

根據巖層的風化程度以及裂隙發育情況，結合本次野外勘察，揭露全、強風化兩層(帶)，其描述如下。

①全風化砂巖(地層編號[17]1)：巖芯呈灰黃色，原巖結構較為破壞，風化嚴重且巖質軟，遇水易軟化崩解。巖芯力學評定質量等級為Ⅴ級，為極軟巖。場地范圍內層狀分布，層厚0.50～4.00 m，層頂深度在1.50～12.00 m之間，層頂高程在47.12～90.80 m之間。

②強風化砂巖(地層編號[17]2)：巖芯呈灰黃色，砂質結構，節理裂隙較發育，巖芯主要呈半巖半土碎塊狀，敲擊易碎，巖芯力學評定質量等級為Ⅴ級，為極軟巖。該層風化不均，軟弱夾層大量發育。場地范圍內層狀分布，鉆入層厚8.20～46.60 m，層頂深度在0.80～13.40 m之間，頂板高程在46.12～89.30 m之間。

2.2 巖層參數選取

本文的案例中，各土層物理力學指標采用標準統計值進行計算，根據巖土工程勘察報告，相關參數指標按表2取值。

表2 邊坡巖層力學參數表

2.3 穩定性分析及支護方案比選

邊坡的坡率應根據相近工程的類比和力學計算，同時結合生態景觀要求綜合確定。邊坡坡率是高邊坡的支護處治的關鍵性因素，很大程度上決定了工程的規模和費用。由于邊坡山頂周圍有大型高壓輸電塔，為保障大型高壓輸電塔安全，邊坡坡頂距電塔必須滿足一定的安全距離。在保證足夠的安全距離的前提下，該邊坡極限開挖后，第一級和第二級采用1∶0.75的坡率；第三級和第四級采用1∶1坡率。邊坡開挖后斷面圖如圖1所示。

圖1 極限開挖邊坡斷面圖

通過理正邊坡綜合治理軟件，計算開挖邊坡穩定安全系數為1.122，穩定性不滿足規范的要求，極限開挖邊坡需進行支護處理。

方案一：通過以往工程經驗，對邊坡“固腳、強腰”采用弱削方、強支擋，邊坡開挖處治后的穩定性較好。本項目在極限開挖邊坡的坡率下，第一級坡面采用格梁+錨固支護，第二級坡面采用格梁+錨索支護，第三級坡面采用格梁+錨固支護，第四級坡面結合生態環保景觀采用三維網植草防護。

方案二：盡可能保證開挖邊坡坡頂遠離高壓電塔，采取強支護結合減小邊坡坡率。第一級邊坡采用抗滑樁+錨索支護， 第二級采用格梁+錨固支護，第三級和第四級采用三維網植草防護。

采用理正邊坡綜合治理軟件，運用極限平衡法計算方案一和方案二的邊坡穩定性，方案一的邊坡安全系數為1.351，方案二的邊坡安全系數為1.348。

按照實際80 m長度邊坡計量，結合估算成本，兩種方案綜合比選如表3所示。

表3 邊坡開挖處治的方案綜合比選

通過上述對比可知，方案一和方案二對邊坡支護處理后，邊坡安全系數基本相同，全部滿足規范要求。方案二下，由于第一級邊坡采用抗滑樁板墻+錨索支護，邊坡垂直狀，坡頂距高壓電塔安全距離較方案一更大。但是在取得相當的處理效果情況下，方案一施工工藝較常規，且總體建安費用更低，方案一對比方案二優勢較為明顯。綜合比選，本邊坡設計階段采用方案一處理方式。經過對比也不難看出，第一級邊坡采用格梁錨桿“固腳”取得的效果和抗滑樁支護效果相當，且具有經濟優勢和施工優勢。在實際工程應用中，邊坡采用緩坡率+格梁錨桿固腳效果明顯。

3 結 語

(1)以陜西某公路邊坡為例，通過理正綜合治理分析軟件，采用極限平衡法，計算兩種邊坡支護方案的邊坡安全系數，綜合對比選取最優的方案，指導邊坡的后續優化設計。

(2)第一級邊坡采用緩坡率+格梁錨桿固腳效果明顯，且經濟性較好，具有一定實際應用價值。

(3)基于“減載、固腳、強腰、排水”的原則，對地形地貌陡峻的路段采用弱削方、強支擋結合綠色生態坡面植被，既有一定的經濟效益，又滿足環保景觀生態要求，對往后此類邊坡工程治理提供了相關的經驗，同時具有一定的借鑒作用。