道路高邊坡穩(wěn)定性分析計算及錨索框架梁組合防護方式分析

溫志勇

（金寨縣重點工程建設管理處，安徽 金寨 230051)

0 引言

道路高邊坡穩(wěn)定性分析是邊坡工程中的重要研究課題，邊坡防護技術在道路工程中發(fā)揮著重要作用。隨著交通行業(yè)技術的發(fā)展和進步，高等級道路的修建越來越多，對高等級道路工程而言，邊坡穩(wěn)定性更為重要，邊坡防護技術一方面要保證高邊坡具有足夠的穩(wěn)定性，另一方面也要追求綠色環(huán)保與美觀，和道路主體的協(xié)調(diào)[1-2]。在高等級道路修建過程中，大多通過機械開挖的方式對原有坡體進行開挖卸荷，大機械的擾動是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素，隨著支護手段的進步與發(fā)展，逐漸形成了多支護手段配合應用的高邊坡支護方式，相較于傳統(tǒng)支護方式，多手段配合支護在保證邊坡穩(wěn)定性的同時，能夠兼顧美觀，減少造價，避免大挖大填，已經(jīng)逐步成為道路工程中重要的手段。邊坡穩(wěn)定性分析的理論方法隨著理論的進步也在不斷地發(fā)展與完善，結合計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬計算方法應用越來越廣泛。本文就道路高邊坡的防護形式進行分類討論，并結合穩(wěn)定性分析的理論計算方法和數(shù)值模擬方法進行研究，該研究結果對道路工程中的高邊坡防護有一定的工程實踐意義。

1 高邊坡穩(wěn)定性分析

高邊坡在重力作用下通常處于靜力平衡狀態(tài)，外力的作用可能會改變邊坡土體微元的力學平衡狀態(tài)，外力作用包括地震作用、降雨下滲、開挖卸荷等各個方面的外力改變，邊坡穩(wěn)定性的分析方法是通過不同手段獲取土體微元的受力模式，進而求得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。目前對于邊坡穩(wěn)定性分析的理論方法有極限平衡法和強度折減法，極限平衡法常用于理論計算，強度折減法計算過程復雜，計算量較大，通常應用于數(shù)值模擬計算中，本文結合兩種計算方法，對某邊坡進行穩(wěn)定性分析。

1.1 極限平衡法

極限平衡法的核心思想是邊坡巖土體的力學平衡，該方法以摩爾-庫倫強度準則為基礎，邊坡體在自重條件下，土顆粒之間通過粘聚力平衡自身重力，工程上將邊坡體人為劃分成若干土條，對每個土條進行受力分析，并在土條上建立力學平衡關系式，進而求解邊坡穩(wěn)定性系數(shù)[3]。該方法存在一定的局限性，主要在于滑動面的確認上，極限平衡法計算邊坡穩(wěn)定性分析時需先假定某一滑動面，滑動面的確定具有一定的主觀性，假定的滑面可以是折線，也可以是圓弧線或者對數(shù)螺旋線[4]。在此基礎上學者對危險滑面的確定進行了修改和補充，其中，畢肖普將抗剪強度和實際剪應力的比值定義為安全系數(shù)，通過安全系數(shù)這一有明確物理意義的參數(shù)來確定邊坡穩(wěn)定性的方法是條分法的重要應用，這種方法力學模型簡單，計算方便，在邊坡穩(wěn)定性計算中得到了廣泛的應用。條分法邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算模型如圖1所示。

圖1 條分法示意圖

以重慶市沙坪壩區(qū)G319公路邊坡為基本算例，該邊坡后沿高43m，長46m，前沿高18.86m。邊坡出露地表土體為紫褐色第四季素填土，土體含水率較低，邊坡表面呈顆粒散狀，鉆孔獲取邊坡內(nèi)部土體，內(nèi)部土體較為濕潤，粘聚力較大。重慶地區(qū)夏季室外溫度較高，長期的日照使邊坡表面土體有沙化的趨勢。邊坡深處由于地下水的存在，土體通過毛細作用吸收地下水，孔隙負水壓減小，粘聚力增大，土石交界面受地下水長期浸泡作用，巖體逐漸分解軟化，因此在巖土交界面處，兩種介質的力學性質差異很大。在重力作用下，邊坡在該界面處易發(fā)生失穩(wěn)破壞，通過鉆孔取芯獲取原狀土及交界面處巖土體，并結合室內(nèi)物理剪切試驗最終確定基本算例邊坡土力學參數(shù)，如表1所示。

表1 高邊坡穩(wěn)定性計算參數(shù)指標表

以上結果為邊坡堆積體原狀土室內(nèi)剪切試驗力學參數(shù)結果，結果顯示：土石交界面處粘聚力和內(nèi)摩擦角均較小，飽和狀態(tài)下更小，地下水位上升時，土石交界面力學參數(shù)較小，易發(fā)生剪切破壞，因此選取此力學參數(shù)進行穩(wěn)定性驗算。

（1）符合西醫(yī)FAP診斷標準；（2）符合中醫(yī)腹痛·脾胃虛寒證診斷；（3）年齡4～13歲；（4）腹痛程度根據(jù)疼痛數(shù)字評價量表（numerical rating scale，NRS）［8］判定，NRS評分≥4；（5）知情同意過程符合規(guī)定，法定代理人或與受試兒童（≥10歲）共同簽署知情同意書。

式中：

K——邊坡穩(wěn)定系數(shù)；

φF為土力學變量，即折減之后的土力學參數(shù)；F S為折減系數(shù)，隨著折減系數(shù)的變化，土力學參數(shù)值會呈現(xiàn)彈性變化過程，當強度折減至某一值時，土坡發(fā)生整體失穩(wěn)，在此之前的折減系數(shù)即為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

R i——第i塊土體上的抗滑力，kN/m。

αi——第i條塊滑面傾角，°；

ψi——第i塊段的剩余下滑力傳遞至第i+1塊時的傳遞系數(shù)；

Li——條分法同一傾斜角度的土條長度，m；

式中：

Ci——第i條塊滑體的粘聚力標準值，kPa；

有多少人當初把武俠書放進桌下偷看，一抬頭竟忘了今夕是何夕；有多少人披個床單，拿根木棍就幻想自己是大俠；還有每年暑假不斷檔的電視劇。

強度折減法是邊坡穩(wěn)定性分析中的另一種重要的方法，一般用于數(shù)值模擬中的有限元計算和有限差分計算。強度折減法的基本原理是在數(shù)值模擬中，改變邊坡內(nèi)摩擦角和粘聚力，使邊坡安全系數(shù)不斷減低，降低之后的力學參數(shù)重新帶入模型中進行計算，直到模型達到極限強度進而發(fā)生剪切破壞[5]，發(fā)生破壞前的安全系數(shù)就是邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，強度折減法的基本計算公式為：

通常情況下邊坡屬于永久性結構物，在公路相關規(guī)范中，邊坡安全系數(shù)根據(jù)其重要性劃分為四個等級：穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定、不穩(wěn)定。在不同工況下，邊坡安全性的劃分標準不同，但均以穩(wěn)定性系數(shù)來衡量，選取表1中暴雨工況下邊坡土力學參數(shù)計算獲得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。根據(jù)工程的重要性及《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30-2015）將安全系數(shù)定為：正常工況F s1=1.25；暴雨工況F s2=1.15，并依安全系數(shù)為標準，將穩(wěn)定系數(shù)劃分為四個區(qū)間：當穩(wěn)定系數(shù)K≥F s為穩(wěn)定，F(xiàn) s＞K≥1.05基本穩(wěn)定，1.05＞K≥1.0為欠穩(wěn)定，K＜1.0為不穩(wěn)定。堆積體穩(wěn)定性計算結果見表2。

Ci、φi數(shù)據(jù)結果由室內(nèi)剪切試驗獲取。

表2 天然工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算表

計算得知該公路邊坡安全系數(shù)為1.141，根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》中規(guī)定，暴雨工況下安全系數(shù)在1.05～1.25之間（含1.05）時，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 強度折減法

φi——第i條塊滑體的內(nèi)摩擦角標準值，°。

? Paul M．Schwartz，“Property，Privacy，and Personal Data”，Harvard Law Review，117，2004，pp．2056 ～2128．

T i——第i塊土體上的向下的分力，kN/m，當滑動分力向上時，該值為負數(shù)；

FLAC3D數(shù)值模擬軟件的計算方法即是采用以上的強度折減法，結合上述邊坡情況，建立數(shù)值模擬模型，通過強度折減法計算得到該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)如圖2所示。

圖2 強度折減法邊坡穩(wěn)定性系數(shù)求解結果

1.3 兩種方法計算所得穩(wěn)定性系數(shù)的比較

極限平衡法和強度折減法計算獲得該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)差別不大，暴雨工況下邊坡均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。從結構安全性出發(fā)，雖然該邊坡在暴雨工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但仍然具有失穩(wěn)破壞的風險。極限平衡法對滑面的選取具有一定的主觀因素，強度折減法是通過計算機設定邊界條件控制邊坡狀態(tài)，與實際工程二者均有一定的差異性，不能完全保證工程案例分析的準確性。邊坡在實際道路工程中極為重要，對于理論計算處于基本穩(wěn)定的高邊坡，必須采取必要的防護措施。

在垃圾焚燒發(fā)電廠中，煙氣成分復雜，為延長催化劑使用壽命，SCR系統(tǒng)通常布置在袋式除塵器后端；為增強SCR系統(tǒng)穩(wěn)定性，通常將袋式除塵器出口150℃的煙氣經(jīng)過煙氣再熱系統(tǒng)加熱至170℃以上，再進入SCR系統(tǒng)脫硝。SCR系統(tǒng)常用的煙氣再熱系統(tǒng)是蒸汽-煙氣加熱器（SGH）與煙氣-煙氣加熱器（GGH）+蒸汽-煙氣加熱器（SGH） 2種方式，通常采用SGH加熱煙氣，SCR催化劑運行溫度為170～200℃；采用GGH+SGH加熱煙氣，SCR催化劑運行溫度為220～240℃。

所謂問題引領教學，是指在教學中要將“有層次、結構化、可擴展、能持續(xù)”的核心問題貫穿整個教學過程，把學生的思維引向深入，從而最大限度地激發(fā)其探究數(shù)學知識本源，理解數(shù)學內(nèi)容本質，感悟和運用數(shù)學思想與方法，培育其良好的數(shù)學素養(yǎng)。[1]

2 錨索框架梁組合防護方式

高邊坡常見的防護和加固的方法有很多，比如擋土墻、預應力錨索、錨桿、抗滑樁、抗滑擋墻和支撐滲溝等。本文僅簡單介紹預應力錨索中錨索框架梁組合防護方式。

反映測量誤差Zk的噪聲模型不再遵循高斯噪聲,因此不能使用卡爾曼濾波器.兩個傳感器節(jié)點i和j之間距離測量可表示為

錨索框架梁結構是由錨索結構和框架梁結構組合起來的防護方式，錨索框架梁中的預應力錨索結構將邊坡表面的框架梁結構深入錨定至巖層深部[6-7]。錨桿作為一種長細結構的受力體系，能夠深入巖層，提供強大的錨固力，通常情況下以精軋螺紋鋼作為錨桿的錨固筋，長度上由錨固段長度、自由端長度以及外錨段長度共同組成，在施工前，需要檢測錨桿物理力學性能，確定錨桿的極限承載能力，并且對錨桿的長度及錨固角度進行相應的受力分析及設計[8-9]。

框架梁結構布置于邊坡表面，用于對邊坡結構表面進行防護，邊坡坡表經(jīng)過削坡處理，會存在一定的不穩(wěn)定塊體，框架格構梁的作用一方面作為錨桿結構的錨固點，另一方面可將邊坡表面的不穩(wěn)定塊體進行加固，框架格構的結構形式有多種，常見的結構以“田”字格為主，同時兼顧美觀性，錨索框架梁組合結構支護形式如圖2所示。

二是開展博士后技術服務行活動。選擇在油田生產(chǎn)、科研單位，建立相對固定的博士后服務基地，定期組織活動，并保持日常工作聯(lián)系，隨時提供服務。現(xiàn)場幫助基層解決生產(chǎn)、科研工作中的技術難題，博士后高端人才資源被充分利用；實現(xiàn)博士后與基層技術人員、科研項目與生產(chǎn)一線的完美銜接，解決科研與實際生產(chǎn)相互脫節(jié)問題。

圖2 錨索框架梁組合結構支護形式

錨索框架梁的防護和加固工藝流程主要包含以下步驟：測量放樣-坡面修整-鉆孔-錨桿安裝-注漿-框架梁施工-錨桿張拉-封錨。測量放樣是通過測量手段獲取坡面參數(shù)信息，測量放樣過程中對特殊土質及巖質邊坡可采用室內(nèi)物理模型實驗獲取物理力學參數(shù)，進而為錨桿張拉提供數(shù)據(jù)；坡面修整過程主要是破除開挖過程中的不穩(wěn)定塊體，防止施工過程中，邊坡表面發(fā)生局部垮塌現(xiàn)象，同時，坡面整修可將坡體表面部分巖土體破除，降低邊坡自重，提高邊坡穩(wěn)定性；錨桿一般采用鉆孔安裝，鉆孔深入巖層內(nèi)部，為錨桿提供足夠錨固長度，錨桿安裝到位后通過注漿密實填充，達到錨固性能，錨桿安裝到位后，框架梁同步施工，錨桿通過框架梁錨固在其節(jié)點處，錨固之前，框架梁必須達到足夠的強度以提供錨固所需的受力要求[10]。

3 結束語

邊坡穩(wěn)定性分析在道路工程中具有重要的意義，大機械的使用在道路工程中產(chǎn)生了較多的高邊坡，道路高邊坡的穩(wěn)定性關系到道路安全及國民經(jīng)濟。本文從傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析方法入手，對比分析極限平衡法和強度折減法兩種邊坡穩(wěn)定性計算方法，并結合某高邊坡算例，用兩種方式計算該邊坡的穩(wěn)定性，計算結果相近，最后介紹高邊坡最常見的防護及加固措施——錨索框架梁結構。本文關于高邊坡的穩(wěn)定性分析及防護措施的研究，對道路工程中的高邊坡防護工程具有一定的工程實踐意義。