山區(qū)公路高邊坡穩(wěn)定性分析及施工質(zhì)量控制措施

肖麗霞

（廣東恒泰公路工程有限公司，廣東 梅州 514087）

0 引言

隨著公路工程建設(shè)規(guī)模日益擴大，越來越多的山區(qū)丘陵地帶開始建設(shè)公路，此時為了滿足路線線形指標的要求，會不可避免地出現(xiàn)大填大挖現(xiàn)象，形成許多高邊坡。影響高邊坡穩(wěn)定性的因素較多，如果處治方案設(shè)計不當就可能出現(xiàn)滑塌失穩(wěn)，造成交通事故和人員傷亡。因此，工程技術(shù)人員必須針對高邊坡進行重點設(shè)計。近年來，國內(nèi)外很多學者開展了對高邊坡的研究，但都未形成系統(tǒng)性的理論和技術(shù)來指導公路高邊坡施工。因此，進一步研究山區(qū)公路高邊坡穩(wěn)定性及施工控制措是十分必要的。

1 公路高邊坡變形特點及對其穩(wěn)定性的影響因素

對高邊坡穩(wěn)定性進行分析之前，應(yīng)當收集現(xiàn)場施工資料，正確評價高邊坡的變形特點和對其穩(wěn)定性的影響因素。

山區(qū)公路高邊坡的變形主要可劃分為蠕動階段、微滑階段、劇滑階段、固結(jié)階段，對其穩(wěn)定性的影響因素較復雜，可分為內(nèi)部因素和外部因素。其中，內(nèi)部因素既是高邊坡破壞的內(nèi)在條件，包括地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)等；也是高邊坡破壞的觸發(fā)條件，包括地下水、地表水、降雨、地震、人工加載和開挖等。在分析高邊坡穩(wěn)定性之前，應(yīng)盡快找出主導因素，制定經(jīng)濟合理的加固方案。

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造決定了巖層的產(chǎn)狀和發(fā)育程度，出現(xiàn)褶皺、斷層等，這些節(jié)理裂隙的隨機組合，會對高邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，容易出現(xiàn)崩塌和滑坡等病害。

1.2 地層巖性

地層巖性是影響高邊坡穩(wěn)定性的決定性因素，巖性決定邊坡巖體的強度、抗風化能力、抗崩解性及相同構(gòu)造力作用下節(jié)理發(fā)育程度。一般坡體巖性越差，邊坡穩(wěn)定性越差。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料，第四系的沖洪積，第三系的砂頁巖、板巖、千枚巖、片麻巖等，由于地層巖性軟弱，在水和其他外界力作用下，容易出現(xiàn)滑動破壞。

1.3 水

水是高邊坡破壞的關(guān)鍵誘因。如果邊坡巖體表面存在裂縫，就可將其視為邊坡坡體的吸水通道，地表水或雨水就會通過裂縫滲入坡體內(nèi)部，不僅增加巖土體重度，加大滑塊下滑力，還會軟化巖土體，降低滑帶巖土的抗剪強度指標，從而大幅度降低高邊坡的穩(wěn)定性，導致坡面侵蝕、坡體滑塌等病害。因此，大多數(shù)高邊坡在施工后不會立即失穩(wěn)，往往是遇到連續(xù)降雨才被破壞。

1.4 其他外力作用

在地震烈度Ⅶ及以上區(qū)域，應(yīng)考慮地震對高邊坡穩(wěn)定性的影響。地震動荷載產(chǎn)生的縱波和橫波會反復沖擊邊坡，降低高邊坡結(jié)構(gòu)面的抗剪強度，還可能產(chǎn)生新的軟弱結(jié)構(gòu)面，不利于邊坡穩(wěn)定。

人類的某些活動也會破壞高邊坡坡體原有應(yīng)力場或地下水平衡，導致邊坡破壞，如在坡腳下修建房屋、采石挖土等，使得坡體下部失去支撐。

2 公路高邊坡穩(wěn)定性常用分析方法

公路高邊坡穩(wěn)定性分析的方法有定性分析和定量分析兩大類。

2.1 定性分析

高邊坡穩(wěn)定性的定性分析方法主要有工程類比法和圖解法。其中，工程類比法屬于經(jīng)驗法的范疇，是將待分析的路基邊坡與具有類似坡形、高度、工程地質(zhì)條件的邊坡進行對比，以判別當前邊坡的穩(wěn)定性；圖解法最早由泰勒提出，將影響邊坡穩(wěn)定的各個因素（如地下水、坡角、坡高等）與安全系數(shù)繪制在一張圖表上，供設(shè)計人員查詢。該方法具有使用方便、結(jié)果直觀等優(yōu)點，但精確度較差。

2.2 定量分析

邊坡穩(wěn)定定量分析方法主要有極限平衡法、不平衡推力法、有限元法等。

2.2.1 極限平衡法

極限平衡法是傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法，是通過計算滑動面上的抗滑力（矩）與滑動力（矩）之比來判斷邊坡安全性。常用的極限平衡法假設(shè)條件及滑面形態(tài)如表1 所示。

表1 不同極限平衡法特征

計算方法滑面形態(tài)條塊間作用力平衡條件力力矩瑞典條分法簡化畢肖普法簡布法Sarma法圓弧相互作用力為0圓弧僅存在水平推力任意任意Spencer法任意僅存在法向力滑體水平加速度法向力和切向力恒定水平 否 否 是 是 是豎直 否 是 是 是 是單一 否 否 是 是 是整體 是 是 是 是 是

《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）推薦的公路邊坡穩(wěn)定性極限平衡計算方法為簡化畢肖普法，計算公式如下：

式（1）中：

b

表示第

i

條塊寬度，（m）；

c

表示第

i

條塊黏聚力，kPa；

φ

表示第

i

條塊內(nèi)摩擦角，（）；

W

表 示第

i

條塊重力，kN；

Q

表示第i 條塊豎向作用力，kN；

α

表示第i 條塊底滑面傾角，（°）；

m

表示計算系數(shù)，無量綱。

2.2.2 不平衡推力法

公路高邊坡沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑動時，可采用不平衡推力法分析其穩(wěn)定性，它只考慮各條塊的靜力平衡，不考慮其力矩平衡，且對滑動面形狀較敏感，如果當相鄰滑面段傾角變化較大時，計算出的安全系數(shù)偏大。建議高邊坡滑體在進行條塊劃分時，相鄰滑面段的傾角差值不宜＜10。邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算公式如下：

式（2）中：

W

表示

i

條塊豎向作用力與自重之和，kN；

c

表示第

i

條塊黏聚力，kPa；

φ

表示第

i

條塊內(nèi)摩擦角，（）；

l

表示第

i

條塊底面長度，m；

F

表示邊坡安全系數(shù)，無量綱；

E

表示第個條塊傳遞至第

i

個條塊的作用力，負值不傳遞；

ψ

表示滑坡推力傳遞系數(shù)。利用式（2）逐個條塊計算出抗滑力與滑動力的矢量和，剩余推力為0 時所對應(yīng)的

F

即為邊坡安全系數(shù)。

2.2.3 有限元法

近年來，隨著計算機硬件性能的提升和有限元理論的日益完善，越來越多的公路工程在設(shè)計期間開始使用有限元軟件，如ANSYS、Midas、FLAC3D、PLAXIS 等。有限元法計算精確度高，不僅能夠充分考慮邊坡的不均勻性（將邊坡坡體劃分為若干區(qū)域，分區(qū)賦予不同的地層參數(shù)），還可以根據(jù)研究需要自定義邊坡巖土體的本構(gòu)模型，并在施加邊界條件后計算出路基任一點的變形及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

3 公路高邊坡穩(wěn)定性算例分析

以某山區(qū)公路因變更設(shè)計開挖的高邊坡為研究對象，分析了不同工況下，高邊坡的安全系數(shù)變化規(guī)律。

3.1 工程概況

研究對象為設(shè)計變更后形成的高邊坡，樁號為K50+696—K50+825 段左側(cè)，地質(zhì)情況較為復雜，根據(jù)已開挖的邊坡現(xiàn)狀觀察，局部出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象，易引起斜坡巖層發(fā)生大規(guī)模的順層滑動，存在較大安全隱患。原拱形骨架植草防護及加固方案無法滿足其邊坡穩(wěn)定要求，為確保施工及運營安全，需提高邊坡的安全系數(shù)儲備，因此設(shè)計單位變更了高邊坡處治方案，如圖1 所示。

圖1 變更后高邊坡加固方案

3.1.1 氣候條件

該區(qū)屬南亞熱帶與中熱帶過渡性季風氣候區(qū)，降雨量充沛，多年平均降雨量為1700mm，最大年降雨量為2390mm，最小年降雨量為1200mm，降雨時間主要集中在4～9月，占全年降雨量的77%。

3.1.2 地層巖性

根據(jù)地勘鉆孔資料，坡體從上至下分別為強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖，各層巖體的物理力學計算參數(shù)如下：強風化花崗巖容重18kN/m、黏聚力25kPa、內(nèi)摩擦角28、與錨固體黏結(jié)力68kPa；強風化花崗巖容重20.5kN/m、黏聚力27kPa、內(nèi)摩擦角29、與錨固體黏結(jié)力86kPa；強風化花崗巖容重22kN/m、黏聚力30kPa、內(nèi)摩擦角35、與錨固體黏結(jié)力92kPa。

3.1.3 地震

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）確定場地所處區(qū)域基本地震峰值加速度為0.10g，反應(yīng)譜特征周期為0.40s，基本地震烈度為7度，在分析邊坡穩(wěn)定性時，需要考慮地震力的作用。

3.2 計算模型建立

擬采用數(shù)值計算軟件FLAC3D5.0 來計算高邊坡的安全系數(shù)，模型建立流程主要包括CAD 導入幾何模型—定義路堤、路床、地基材料屬性—施加荷載及邊界條件—確定網(wǎng)格尺寸、劃分網(wǎng)格—初始模型地應(yīng)力—邊坡安全系數(shù)計算—結(jié)果分析。

邊界條件：邊坡頂和坡面為自由邊界，可以發(fā)生X/Y/Z 三個方向的變形；邊坡底面為不透水邊界，只約束X、Z 方向，可發(fā)現(xiàn)豎向變形；模型初始條件至考慮地應(yīng)力場。

網(wǎng)格劃分：高邊坡巖土體選擇solid 實體單位模擬，在綜合考慮計算精確和計算效率前提下，邊坡表面尺寸加密，網(wǎng)格尺寸取0.1m，其他部位網(wǎng)格尺寸取0.5m，共劃分出3328 個節(jié)點，3416 個節(jié)點。同時，采用梁單元模擬網(wǎng)格梁，pile 單元模擬預應(yīng)力錨索。網(wǎng)格梁的加固作用是通過在網(wǎng)格梁與巖體間設(shè)置剛性連接來實現(xiàn)；錨索的加固作用是利用巖石與錨索間的接觸面來模擬。

3.3 計算結(jié)果分析

在完成高邊坡建模、劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件等工作后，為深入研究高邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律，利用FLAC3D 進行多次迭代計算，得到高邊坡加固前后在正常工況和非正常工況下的邊坡安全系數(shù)。正常工況指天然狀態(tài)下的邊坡，非正常工況指暴雨條件下的邊坡，其計算參數(shù)按0.8 倍進行折減。

3.3.1 加固前邊坡穩(wěn)定性

為模擬降雨對公路高邊坡穩(wěn)定性的影響，最大降雨強度取當?shù)貧庀蟛块T的發(fā)布值，降雨歷時分別為20min、40min、60min、80min、100min、120min，得到未加固邊坡在天然狀態(tài)和暴雨條件下安全系數(shù)，如圖2所示。

圖2 不同降雨工況下邊坡安全系數(shù)

計算結(jié)果表明：未降雨時，坡體最大水平位移出現(xiàn)在坡腳，達到了22.8mm，邊坡安全系數(shù)為1.16，安全系數(shù)不滿足規(guī)范，需進行加固處理。

隨著降雨歷時增加，高邊坡穩(wěn)定性逐漸降低。當降雨歷時＜20min 時，邊坡安全系數(shù)降低幅度較小，基本可忽略；當降雨歷時＞100min 時，邊坡安全系數(shù)驟降。這是因為降雨初期雨水沿著坡面漫流侵蝕邊坡表面，對坡體安全性影響較小。隨著降雨量提高，雨水逐漸滲入路基內(nèi)部，降低土體抗剪強度參數(shù)，邊坡抗滑力降低，從而導致邊坡安全系數(shù)減小。

3.3.2 加固后邊坡穩(wěn)定性

根據(jù)高邊坡的變更設(shè)計方案，對第一級和第二級邊坡采用預應(yīng)力錨索框架梁進行加固。

高邊坡錨固前后水平位移如圖3 所示。

圖3 邊坡錨固前后水平位移計算結(jié)果

計算結(jié)果表明：邊坡采取預應(yīng)力錨索框架梁加固后，其水平位移最大值有明顯降低，僅為9.1mm，降低率為61.2%，且整個坡面變形較連續(xù)。同時，加固后的高邊坡穩(wěn)定性有明顯提升，在天然狀態(tài)下的安全系數(shù)達到了1.36，暴雨工況下的安全系數(shù)為1.23，均滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）要求，這說明變更設(shè)計方案合理可行。

高邊坡安全系數(shù)提高和水平位移降低的原因主要有：第一，預應(yīng)力錨索框架梁中的錨索將內(nèi)力傳遞至邊坡內(nèi)部的穩(wěn)定巖土體，改變邊坡的原應(yīng)力狀態(tài)；第二，框架梁的存在增加了邊坡表層巖土體完整性，減小雨水入滲對邊坡強度的影響。

3.4 施工質(zhì)量控制措施

公路高邊坡施工應(yīng)嚴格依據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610—2019），遵循“分級開挖、分級防護、有利協(xié)調(diào)、信息化施工”的原則，制定完善的施工組織方案和質(zhì)量控制措施，選擇先進、合理、經(jīng)濟的施工工藝。

邊坡開挖：高邊坡開挖時應(yīng)開挖一級，防護一級，嚴禁一挖到底。由于邊坡表層巖土體較破碎，采用光面爆破效果較差，可通過淺孔爆破和中深孔爆破相結(jié)合的方法，爆破結(jié)束后將坡面修正至設(shè)計坡比。

防排水工程：排水阻滲是提高高邊坡穩(wěn)定性必須要做的措施（尤其是雨季施工）。在實際施工期間，應(yīng)根據(jù)邊坡所在位置的雨水匯流情況，并密切關(guān)注天氣預報，選擇合適的排水設(shè)施和尺寸，防止地表水沖刷坡面和下滲。

預應(yīng)力錨索框架梁：預應(yīng)力錨索框架梁的施工質(zhì)量對邊坡的處治效果有直接影響，施工時應(yīng)先施工錨索，再澆筑框架。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了公路高邊坡的變形特點、影響其穩(wěn)定性的因素及計算方法，并依托某實際案例進行安全系數(shù)計算，主要得到以下結(jié)論：第一，公路高邊坡穩(wěn)定性主要影響因素包括地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)、降雨、地震、人工活動等；第二，公路高邊坡穩(wěn)定性分析方法有定性分析和定量分析兩大類，前者包括工程類比法和圖解法等，后者包括極限平衡法、不平衡推力法、有限元法等；第三，高邊坡采取預應(yīng)力錨索框架梁加固后，其水平位移明顯降低，安全系數(shù)在天然狀態(tài)和暴雨工況分別提高至1.36、1.23，均滿足規(guī)范要求，說明變更設(shè)計方案合理可行。