紅砂巖公路邊坡柔性支護技術研究

摘 要：紅砂巖具有易風化、易崩解的工程特性，為保證紅砂巖路基邊坡的穩定性，以常（寧）-祁（東）高速公路邊坡為研究對象，開展柔性支護技術研究。采用ABAQUS軟件建立邊坡模型，分析常祁高速公路邊坡未防護時的邊坡穩定性，并結合經濟與景觀效應，設計公路邊坡柔性支護方案，研究常祁高速公路邊坡柔性支護前后邊坡穩定性的變化。研究結果表明，常規邊坡適合采用植生袋柔性防護，高陡邊坡適合采用放緩坡比+植生袋柔性防護，填挖交界邊坡適合采用加筋擋土墻+灌草植物防護，期望該研究成果可為其他紅砂巖公路邊坡柔性防護提供技術支撐。

關鍵詞：紅砂巖；公路邊坡；柔性支護；數值模擬

中圖分類號：U412.1" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2023）08-0016-03

0 引言

在我國，紅砂巖約占陸地總面積的8.63%，不均勻分布于各省地區，是工程建設特別是公路、鐵路建設常遇的特殊巖土體[1]。紅砂巖屬易風化軟巖，抗風化能力弱，大量紅砂巖在開挖后暴露于大氣環境，風化程度增加會導致巖石結構形式改變，空隙率增大，進而發生不同程度的破碎崩解，粒徑逐漸減小，極易造成路基邊坡不穩定，因此在實際工程中需要對紅砂巖公路邊坡進行加固處理[2]。本文以湖南省常（寧）-祁（東）高速公路邊坡防護為例，研究了紅砂巖公路邊坡柔性支護技術措施。

1 概述

1.1 試驗段選取

常祁高速是湖南“七縱九橫”高速公路網規劃中華容-常寧高速公路的南段，也是茶陵-常寧高速公路的西段，起于祁東縣歸陽鎮，順接婁衡高速公路，終于常寧市蓬塘鄉，接京港澳復線高速公路。高速公路主線全長32.123 km，雙向4車道，設計速度100 km/h。

結合前期調研成果，選取常祁高速沿線典型邊坡類型進行穩定性分析，具體路段為高陡邊坡K0+457～K0+580段與K13+500～K13+623段、常規邊坡K15+365～K15+495段、填挖交界邊坡K17+240～K17+370段和K32+460～K32+580段。

1.2 氣象特征

常祁高速所在地區為夏季高溫多雨、冬季溫和少雨的亞熱帶氣候。試驗區內常年均氣溫17.9℃，全年最高氣溫集中于6～8月，月平均最高氣溫34.5℃。全年最低氣溫集中于12～2月，月平均最低氣溫3.8℃。年極端氣溫最高為41.3℃（8月），極端氣溫最低為-5.9℃（1月）。常年均降水量1 237 mm，月平均最高降水量194.5 mm，年均相對濕度保持在76%左右。

2 常祁高速公路邊坡柔性支護方案

2.1 公路邊坡穩定性基本情況

邊坡防治措施的采取，應根據邊坡穩定性分析和預測、破壞的危險性及風險性的預估確定。正常工況下，根據邊坡穩定性分析結果，高速公路邊坡分為如表1所示的4類。設計時邊坡應達到穩定狀態，對除Ⅰ類邊坡外的其余3類邊坡進行處理[3，4]。

其中，Ⅰ類穩定邊坡穩定性好，抗降雨能力強，邊坡不會失穩。Ⅱ類基本穩定邊坡穩定性較好，抗降雨能力強。在一般降雨或長時間大雨情況下，一般不會失穩，但在長期風化營力作用下，穩定性逐步降低，遇到超常大雨或暴雨可能局部失穩。Ⅲ類欠穩定邊坡穩定性較差、抗降雨能力差，在雨季一般降雨條件下不會失穩，但在長時間大雨或暴雨情況下邊坡可能失穩。Ⅳ類不穩定的邊坡穩定性差、抗降雨能力差，在雨季長時間作用下強度降低時，可能失穩發展成滑坡、形成災害。

2.2 常祁高速公路邊坡模型建立

2.2.1 研究方法

本文研究選取強度折減法進行邊坡穩定性安全系數計算[5]，選取一個初始折減系數Fi，而后進行土體強度參數折減計算得到新的強度參數cf和φf，但假定彈性模量E和泊松比v不變。強度參數折減計算采用公式（1）（2）。

采用強度折減參數cf和φf開展有限元模型計算，并基于計算結果調整折減系數Fi，實現迭代計算分析，當土體邊坡計算達到保持穩定的臨界狀態時結束計算，由此得到邊坡穩定安全系數Fs，即迭代計算最后得到的折減系數。Fs值越大，所分析的邊坡越穩定。

在運用強度折減法進行邊坡穩定性分析時，可用3個評判依據來判斷邊坡師是否失穩：①軟件進行折減計算時，數值不收斂。②關鍵點位移發生突變。③有從坡頂到坡腳貫通的塑性區。

2.2.2 基本假定

采用ABAQUS軟件分析不同工況下公路邊坡穩定性，為簡化模型分析過程，做出如下假設：①土體均為均質材料。②不考慮邊坡的水文效應，即降雨、徑流及蒸騰作用，確保邊坡穩定性分析處于正常工況下。③邊坡的初始應力場僅受自身重力荷載。

2.2.3 計算參數

根據試驗段土樣室內試驗結果、測試規范、現場情況等綜合情況，得到不同路段邊坡土體物理力學參數如表2所示。

2.2.4 模型建立

針對不同路段邊坡的實際情況，建立計算模型，以工況1為例的巖體邊坡模型如圖1所示。

2.3 常祁高速公路邊坡柔性支護方案

通過分析不同工況邊坡穩定性，建立邊坡計算模型，將不同參數代入模型計算，得到不同工況下各邊坡的安全系數值，并根據表1對各工況邊坡穩定情況進行分類，得到結果如表3所示。

基于文獻搜集和技術經濟性分析可知，放緩坡比法施工簡便、經濟、安全可靠，在有條件的情況下，可通過放緩邊坡削掉一部分不穩定巖土體，使其穩定性滿足要求。

因為植物防護比工程防護單位面積投資小，施工速度快，在邊坡穩定的條件下采用植物防護措施可降低建設成本、縮短建設工期。

在防護功能同等的條件下，噴混植草綜合單價約為漿砌片石的1/2，客土噴播約為其1/3，三維網植草和濕法噴播的綜合單價更低。因此，生態防護技術具有明顯的經濟效益[6]。

結合邊坡防護經濟效應和各工況邊坡穩定情況，考慮施工期和運營期邊坡支護方案對公路附近生態系統的影響，為了提高邊坡穩定性，并美化環境，對常祁高速不同路段邊坡采取不同的柔性支護方法，具體方案如表4所示。

3 常祁高速公路邊坡柔性支護穩定性分析

對各工況邊坡重新建模后，將相關參數重新輸入計算模型中，得到結果如表5所示。

由表5可知：在未進行邊坡防護時，各工況邊坡安全系數由大到小排序為工況3gt;工況1gt;工況2gt;工況5gt;工況4。工況3安全系數最大，其值為1.445；工況4安全系數最小，其值為1.174。

在進行邊坡防護后，各工況的邊坡安全系數均有了明顯提升，且排序也變為工況5gt;工況4gt;工況1gt;工況2gt;工況3。工況5安全系數最大，其值為2.972；工況3安全系數最小，其值為2.165。

各工況邊坡安全系數提升幅度由大到小的順序為：工況5gt; 工況4gt; 工況1gt; 工況2gt; 工況3，工況5安全系數提升比例最高，為153.2%。工況3安全系數提升比例最低，為49.9%。其原因為加筋擋土墻是在土體中加入拉筋，利用拉筋和土體的摩擦作用，改善土體的變形條件，提高土體邊坡穩定性[7]。噴播灌草防護主要通過根系與土體間的摩擦作用，將植物根系看作加入土體內的拉筋，與加筋擋土墻作用原理一致[8]，二者的結合相對于工程防護與植物防護可起到更好的效果。

如果僅考慮防護效果，加筋擋土墻+噴播灌草防護對紅砂巖邊坡的防護效果最好。但如果從多方面考慮選取防護方法，加筋擋土墻雖然施工工藝簡單、取材方便、防護效果好，但相對于坡比法、植生袋、噴播灌草而言成本高且不夠美觀，僅適用于邊坡較不穩定的路段。

噴播灌草防護屬于植物防護的一種，是現階段高速公路邊坡防護中最常用的防護方法，其防護效果好、成本低、可美化環境，可大量運用在高速公路路基邊坡防護中。

4 結束語

本文以常祁高速公路為例，綜合防護效果、經濟、美觀等方面考慮，常規邊坡適宜采用植生袋柔性防護技術加固。高陡邊坡應先放緩坡比，再用植生袋柔性防護技術加固。填挖交界邊坡穩定性較差，需增加加固結構，適宜采用加筋擋土墻和灌草植物防護結合。本研究可為其他紅砂巖公路邊坡柔性防護施工提供技術支撐。

參考文獻

[1] 王志會.紅砂巖路基填筑技術研究[D].西安：長安大學，2018.

[2] 胡定，樊忠武，胡毅夫.常吉高速公路紅砂巖邊坡加固支護方法研究[J].湖南交通科技，2016，42（3）：10-14.

[3] 周平，李鈾，朱長歧，等.高速公路邊坡穩定性分類研究[J].中南公路工程，2005（1）：16-20+24.

[4] 周楷峰，葉軍，李博.基于相似性度量的聚類分析在邊坡穩定性分級中的應用[J].紹興文理學院學報（自然科學），2018， 38（2）：65-71.

[5] 杜聰.基于ABAQUS強度折減法的邊坡穩定性分析[J].交通科學與工程，2018，34（2）：31-34+90.

[6] 呂金昕.公路邊坡生態防護設計及防護技術分析[J].太原城市職業技術學院學報，2020（3）：179-181.

[7] 段小健，申夢龍，方存星.山區高速公路高填路基加筋擋土墻施工技術[J].交通世界，2022（21）：114-116.

[8] 朱琪.灌草混交根系提高高速公路邊坡殘余抗剪強度研究[D].長沙：中南林業科技大學，2018.