錨桿加固路塹高邊坡開挖過程穩定性分析

摘要：為研究路塹高邊坡施工階段開挖過程及錨桿加固對邊坡穩定性的影響，文章以廣西某高速公路90 m高路塹邊坡工程為例，采用Midas GTS軟件建立邊坡三維模型，分析了開挖過程中錨桿加固前后邊坡位移場及穩定性的演化規律。結果表明：隨著邊坡自上而下開挖，各特征點的水平位移和豎向沉降逐漸增大，且豎向沉降整體上高于水平位移。無支護狀態下，邊坡開挖穩定性系數由1.59逐漸下降至1.24；錨桿支護狀態下，隨邊坡開挖步數增加，潛在滑動面由局部淺層破壞轉化為整體性深層失穩，邊坡穩定性呈先下降后回升、隨后逐漸降低的趨勢，最終安全系數為1.39。采用錨固加固措施可有效抑制邊坡變形，提高邊坡的整體穩定性。

關鍵詞：道路工程；邊坡開挖；錨桿支護；穩定性分析

中圖分類號：U441+.4A210693

0引言

隨著我國高速公路建設的迅速發展，公路不斷向山區延伸，不可避免地形成眾多的路塹高邊坡。路塹高邊坡的穩定狀態受到開挖卸荷、氣候作用、地質條件、防護措施等因素影響。其中，邊坡開挖卸荷導致邊坡失穩破壞的現象時有發生，研究路塹高邊坡在開挖過程中支護前后的變形及穩定性演化規律，對保證公路施工期間及后期運營安全具有指導意義［1-2］。

徐風光等［3］研究了不同邊坡坡度、高度和巖土參數條件下12個典型路塹邊坡的開挖卸荷變化過程，揭示了邊坡開挖誘發的應力、應變特征及卸荷松弛損傷劣化效應。劉振華等［4］利用有限元軟件模擬了不同支護狀態下土質高邊坡開挖過程中位移場、應變場及穩定性的變化規律，發現錨桿和框架梁協同作用支護效果最佳。王杜等［5］采用有限差分法模擬了含軟弱夾層路塹邊坡的開挖過程，研究表明軟弱夾層變形的突然增加帶動了邊坡的整體失穩。萬全等［6］探討了不同開挖工況下邊坡合理開挖的施工工藝，結果表明開挖深度過大易形成剪切破壞帶，而深度過小易造成對邊坡的持續擾動。上述研究主要采用數值模擬的手段來研究施工開挖對邊坡穩定性的影響，但針對90 m高度及以上的土質高邊坡施工開挖過程變形及穩定性發展規律鮮有報道。鑒于此，本文以廣西某高速公路90 m高的土質高邊坡工程為研究對象，利用Midas GTS軟件，建立三維有限元數值模型，探討錨桿支護結構下路塹高邊坡開挖過程位移場及穩定性的變化規律，以期為類似土質高邊坡開挖施工及邊坡災害防治提供技術支持。

1工程概況

廣西某在建高速公路K35+890～K36+150段左側路塹高邊坡，開挖深度較大，坡頂距設計路面標高豎向最大高度達90 m，坡向約40°，屬于逆向切層坡。邊坡表面為第四系覆蓋層，覆蓋著5～18 m厚度的角礫土，灰黃色-黃褐色，稍濕，中密，結構較疏松，碎石含量約為60%，母巖成分以硅質巖碎塊為主；下伏主要為強風化硅質巖，黃褐-棕黃色，強風化，薄層狀構造，節理裂隙發育，破碎程度較高。該邊坡地下水埋藏較深，主要為基巖和松散堆積層孔隙水，地下水位對該邊坡開挖無顯著影響。根據室內試驗，得到邊坡土層相關物理力學參數如表1所示。

邊坡開挖地質剖面及開挖順序如下頁圖1所示。該邊坡共分為9級開挖，自上而下開挖Ⅰ～Ⅸ區域，每級高10 m，邊坡平臺高1.5 m，邊坡坡率均為1∶1.5。根據邊坡地形、地質條件及穩定性驗算結果，考慮坡面局部楔形體滑塌及掉塊影響，本邊坡防護方案為：第1～7級坡采用錨桿格梁防護，每級布置3根32 mm錨桿，縱向間距為4 m，入射角度為25°，其余坡面采用植被混凝土進行坡面防護和綠化。

2數值模型的建立及計算步驟

2.1數值模型的建立

數值模擬采用有限元軟件Midas GTS進行計算，建立與實際工程相同的三維網格模型（見下頁圖2）。邊坡模型總長260 m，左側高135 m，右側高47.6 m，模型寬度取32 m。有限元模型共32 436個節點，30 856個單元。

模型底部為剛性約束，坡面為自由邊界，其余各面均受法向位移約束。角礫土和強風化硅質巖采用摩爾-庫侖本構模型，錨桿采用彈性本構模型模擬。邊坡按照自上而下的先后順序分9步進行開挖，在開挖計算過程中對邊坡開挖面上特征點（A、B、C、D、E、F）進行了實時監測。

2.2數值計算步驟

根據實際邊坡的開挖步序，數值計算步驟為：（1）初始狀態下進行初始應力場平衡，并將位移場和速度場清零；（2）開挖區域Ⅰ的坡體，計算至平衡狀態，同時勾選強度折減法計算邊坡穩定性；（3）重復數值計算步驟（2），依次開挖Ⅱ～Ⅸ區域坡體；（4）進行數值模擬后處理，提取相關數據。

3計算結果及分析

3.1邊坡豎向沉降變化規律

圖3和圖4分別展示了邊坡特征點A～F無支護開挖和錨桿支護開挖過程中豎向沉降的變化曲線。由圖3和圖4可知：特征點A～E隨邊坡開挖過程的持續，豎向沉降逐漸增大，但每一開挖步數的增加速度不盡相同，處于相對較高位置先擾動而變形，邊坡開挖至相應特征點時，其沉降會驟然增加，且沉降變化主要集中在特征點A～C的角礫土層；特征點F因上部邊坡滑動和路基卸荷回彈效應，開挖至最下層時引起路基隆起作用。邊坡無支護開挖的最大豎向沉降為63 mm，而錨桿支護開挖的最大豎向沉降為48.5 mm。

3.2邊坡水平位移變化規律

圖5和圖6分別展示了邊坡特征點A～F無支護開挖和錨桿支護開挖過程中水平位移的變化曲線。由圖5和圖6可知：特征點A～E隨邊坡開挖過程的持續，開挖卸荷對邊坡變形的影響程度越大，水平位移逐漸增大，特

征點A和B的位移量顯著高于其余特征點，無支護開挖和錨桿支護開挖的最大位移均位于B點，最大位移分別為27 mm和20 mm。特征點F因路基中部受到坡體擠壓變形影響，水平位移為負值，并穩定在2～3 mm。

3.3邊坡開挖過程穩定性分析

圖7為邊坡在開挖過程中支護前后的穩定性系數變化規律，由圖7可知：在放坡開挖狀態下進行邊坡開挖，邊坡安全系數呈逐漸降低趨勢，由1.59下降至1.24，放坡開挖完成后邊坡整體穩定性系數不滿足Fs＞1.25的設計要求，該邊坡處于基本穩定狀態，需采取必要的支護措施。采用錨桿支護后，增強了邊坡自穩能力和土體強度，從而提高了邊坡穩定性。邊坡開挖穩定性系數呈先下降后回升，隨后逐漸降低的趨勢，邊坡穩定性系數最終下降至1.39。放坡開挖+錨桿支護的開挖方式比放坡開挖完成后邊坡穩定性系數提高了12.1%，邊坡穩定性滿足規范要求。

究其原因是，邊坡開挖前期對邊坡產生擾動，造成坡體應力、應變重分布，穩定性系數逐漸下降；開挖至第2步后，錨桿及時對每級邊坡進行加固，此時錨桿對滑體穩定性起主導作用，且開挖土體減輕了邊坡的自重，從而使邊坡整體穩定性有所提高，開挖至第4級邊坡時穩定性系數達到最大值1.68；隨著向下大范圍繼續開挖，邊坡持續受到開挖擾動和卸荷作用，加上下滑力增大，邊坡穩定性系數逐漸降低。

圖8為錨桿支護下邊坡開挖不同步數的剪切應變增量云圖。由圖8可知：邊坡開挖步數前半段，邊坡滑動面主要集中在角礫土層，剪切滑動面表現為局部的淺層破壞；開挖后半段，錨桿將滑動體的下滑力傳遞到邊坡內部，剪切應變增量逐漸向坡腳和深層擴展，剪切滑動面表現為整體的深層破壞。

4結語

（1）在路塹高邊坡自上而下開挖作業過程中，各特征點的水平位移和豎向沉降呈現出逐漸增大的趨勢，且豎向沉降整體上高于水平位移。路基中部因卸荷回彈效應，產生向上隆起的現象。

（2）在放坡狀態下進行邊坡開挖，邊坡穩定性系數呈逐漸降低趨勢，由1.59下降至1.24，處于基本穩定狀態，需要采取必要的支護措施提高邊坡穩定性。

（3）在錨桿加固邊坡后，邊坡開挖過程中穩定性系數呈先下降后回升、隨后逐漸降低的趨勢，最終安全系數為1.39，較邊坡放坡開挖完成時的穩定性系數提高12.1%。

（4）邊坡開挖前半段，剪切滑動面表現為局部的淺層破壞；開挖后半段，錨桿將滑動體的下滑力逐漸傳遞到邊坡內部，剪切滑動面表現為整體的深層破壞。

參考文獻［1］ 程詠春，郭鐵春，仇成龍.高路塹邊坡開挖穩定性與變形在線安全監測研究［J］.路基工程，2019（5）：141-144.

［2］黃俊輝，劉新榮，許彬，等.多級高陡邊坡開挖過程數值模擬及穩定性研究［J］.公路交通科技，2022，39（3）：44-53.

［3］徐風光，廖小平，王浩.典型路塹邊坡開挖卸荷應力變化特征與松馳規律［J］.公路交通科技，2022，39（3）：9-20.

［4］劉振華，付江.基于土質高邊坡的加固方法研究與數值模擬分析［J］.蘭州工業學院學報，2017，24（4）：14-18.

［5］王杜，王朦，李者，等.含軟弱夾層路塹邊坡開挖變形及穩定性分析［J］.交通科學與工程，2022，38（3）：26-32.

［6］萬全，何忠明，付志利.基于FLAC3D的高速公路高邊坡合理開挖施工工藝研究［J］.公路工程，2014，39（3）：65-68.

作者簡介：陳亮勝（1996—），碩士，助理工程師，主要從事道路與橋梁施工管理工作。