公路高邊坡穩定性與抗滑樁優化設計分析

張建

（中國公路工程咨詢集團有限公司、中咨華科交通建設技術有限公司，北京 100195）

0 引言

公路高邊坡的加固方法較多，常見的有擋土墻、錨桿框架梁、三維網植草護坡、圬工防護、預應力錨桿（索）等，需結合不同地質、地形環境采用不同的加固方案。公路高邊坡的錨固防護多采用離心模型、理論公式、現場監測等方法進行工程類比分析，但據此采用的高邊坡防護設計方案一般存在較大的安全冗余度，會增大施工防護的成本。為此，結合實際工程需要，優化公路高邊坡安全防護方案有重要意義。

1 公路高邊坡加固方法

1.1 抗滑樁加固法

抗滑樁是樁型結構，能夠防止公路高邊坡巖土體沿滑動面滑動，且能提供較大的阻抗作用?？够瑯都庸谭ㄖ饕捎瞄L方形截面構造，適用于完整度較好、裂隙發育較小、滑動面傾角小的路基滑坡。抗滑樁的加固效果和樁體布置間距、尺寸、排列方式等密切相關。因此，在設計中主要采用單排、豎排布設方式，布設于巖土滑體較薄、受力較小的位置[1]。

1.2 錨桿（索）加固法

錨桿（索）加固法主要是將粗鋼筋、鋼絞線等受拉結構端部固定在公路邊坡巖土體中，受拉結構的另一端需要銜接于邊坡表面。錨桿（索）能夠承擔水、土壓力造成的路基邊坡推力，利用錨固力保證邊坡結構的穩定性。錨桿（索）需要布設在高邊坡潛在滑動面的較深位置，其埋設深度可達到數十米，加固效果較為顯著。在現場邊坡噴錨施工中，多采用預應力錨桿和掛網噴錨結合的形式，且需要在高邊坡表面構建聯系梁，以提高高邊坡的整體穩固性。

1.3 護坡

高邊坡護坡主要是為了防止外界環境對坡面產生風化和沖刷，避免邊坡巖土體在侵蝕下出現塌落和崩解。公路高邊坡護坡面層的高度較高、厚度較小，是非承重受力結構，不承受巖土體荷載作用，主要適用于穩定性良好的高邊坡防護。護坡主要分為錨桿掛網噴漿護墻、片石護墻兩種。錨桿掛網噴漿護墻的護坡效果相對較好，且施工機械化程度較高，施工中需要構建泄水孔；片石護墻則主要配套于擋墻工程，在坡腳及擋墻上部坡面的防護中應用較廣。

1.4 土釘加固法

土釘加固法需要在公路邊坡中構建拉筋，以改善巖土體結構內力，主要適用于黏性土、雜填土、黃土、粉土等強度較差的路基邊坡，一般需要和預應力錨桿結合。土釘加固法需要采取短臺階逐級下挖施工方式，單臺階切坡厚度需要控制在2m 以內，且切坡需要在后續邊坡表層防護施工中保持穩定，加固后的邊坡坡面、坡頂變形較小。土釘加固法具備施工簡單、成本較小等優點，鉆孔及混凝土噴射設備移動靈活，相較于抗滑樁、護坡等方案的經濟投入更小[2]。

2 工程概況

廣西某山區公路設計標準為Ⅱ級公路，雙向六車道，設計車速80km/h，設計起止點為K0+000—K37+250，設計全長37.25km。項目沿線山勢陡峭，地質、地形環境較為復雜，路段K6+500—K7+500 一側存在高度為100～120m 的深厚堆積體邊坡。對現場進行地質勘查檢測，地層巖性特征如下：場地大范圍分布崩坡積層，內部成分較為復雜，均勻性較差，內部含有碎裂巖體、碎石、粉質黏土等。其中，粉質黏土主要為棕黃色，可塑，局部軟塑；碎石主要包含泥巖和砂巖，粒徑分布在5～25cm 之間，碎石、砂巖多為中風化，泥巖為中—強風化，巖芯完整，呈長柱狀。地質剖面如圖1 所示[3]。根據路線設計的相關要求，擬對該區域進行坡腳切角開挖，同時設計錨索抗滑樁，以確保公路路基邊坡的穩定性，不考慮地下水作用，設計安全系數大于1.3。

圖1 地質剖面示意圖（單位：m）

3 有限元模型分析

3.1 模型構建

項目選取斷面K7+000 作為典型斷面開展FLAC2D 有限元模型分析，模型計算參數如表1 所示。模型中巖土體采用實單元模擬，四邊形劃分網格，模型總共包含18569 個節點，10251 個單元；土層之間界面設置為連續，巖土開挖處采用空單元模擬。邊界條件設置如下：模型底部固定水平、豎向位移，左右兩側邊界固定水平位移。土體本構采用摩爾庫倫模型。

表1 模型計算參數

3.2 計算結果分析

3.2.1 天然邊坡

針對天然邊坡，采用FLAC2D 強度折減有限差分法，對邊坡開挖影響進行穩定性分析，項目同時進行M-P 法的安全系數計算。結果表明，有限元計算得到天然邊坡安全系數為1.25，開挖邊坡的安全系數為1.24，而M-P 法計算得到的開挖邊坡安全系數為1.21。兩者安全系數較為接近，誤差較小，有限元法計算的安全系數要大于后者，主要歸因于M-P 法需要針對邊坡條塊進行受力假定，沒有充分考慮巖土結構應力的分散關系，且黏土層會造成整個邊坡巖土體內部結構應力分布的復雜化；采用有限元法和M-P法計算得到的安全系數均無法滿足目標安全系數（1.3）的要求。邊坡中黏土層強度較低，對邊坡整體安全系數的影響不可忽視。現場開挖時對相關監測點位進行位移監測，得出：邊坡內部存在3 個位移突變點，其中，1 號突變點位于黏土層上側的位置，2 號突變點位于邊坡巖土體的交界面，3 號突變點位于黏土層下側的位置。實測和計算獲取的邊坡臨界滑裂面如圖2 所示[4]。

圖2 邊坡臨界滑裂面對比圖（單位：m）

3.2.2 錨索抗滑樁邊坡加固

依據上述分析，項目采用錨索抗滑樁對邊坡進行加固?？够瑯吨饕贾迷谠O計公路的一側，具體布置如圖3 所示。采用有限元模擬計算時，抗滑樁采取樁單元模擬，錨索采用錨索結構單元模擬，錨索加固系統采用彈簧來模擬軸向強度，錨索和巖土體之間的界面摩擦、黏結強度主要采用彈簧—滑塊單元模擬；抗滑樁長度設計為55m，截面尺寸1.5m×1.5m，單根抗滑樁上需要布置7 根錨索，錨索錨固角度設計為20°；錨索和巖土體之間接觸參數設置如下：錨固段單位長度黏結力設置為1.5×106N/m，錨固段剛度設計為1.2×1010N/m2，錨索預應力通過在兩端施加1500kN的拉力來實現。項目同樣采用有限元法對錨索抗滑樁加固后的邊坡開展穩定性分析，獲取安全系數為1.31，滿足目標安全系數的要求?？够瑯对O置后，樁后土體存在較大變形，樁后土體塑性破壞，且滑坡面直接透過樁頂部位置，因此需適當提升抗滑樁樁長[5]。

圖3 抗滑樁加固示意圖（單位：m）

3.3 樁體內力

對抗滑樁樁體內力進行分析有助于優化樁身設計尺寸，抗滑樁樁身剪力計算可通過樁體樁前樁后巖土體推力、抗力之差獲得，樁體剪力隨深度變化如圖4（a）所示，抗滑樁彎矩隨深度變化如圖4（b）所示。結果表明，邊坡存在黏土層的位置有較小的破壞強度，滑裂面多產生在黏土層附近，此時樁體推力明顯增大。此外，樁底部位置由于承受明顯的固定作用力，其內部剪力也相對較大。樁體最大剪力出現在深度30m、50m 處，達到15000kN；樁體彎矩呈對稱狀分布，最大彎矩值出現在深度40m 位置，達到175000kN·m；樁頂和樁底位置的彎矩則相對較小，樁身彎矩出現反彎現象[6]。

圖4 抗滑樁樁身內力分布圖

3.4 樁長、樁徑對邊坡穩定性影響

該項目設置樁長分別為50m、55m（初始值）、60m、65m，樁徑分別為1.2m、1.5m（初始值）、1.8m、2.4m。分別構建上述模型，進行邊坡開挖穩定性分析，得到表2、表3 所示的安全系數。結果表明，在抗滑樁不同樁長下，保持模型中其余參數不變，樁長越長邊坡的安全系數越大。抗滑樁樁長為50m 時，安全系數不滿足目標要求，說明過小的樁長難以充分發揮抵抗土體的作用，容易產生樁體傾覆現象；但樁長過長容易造成施工成本增加。在保持樁長55m 的情況下，改變樁徑進行模型計算。結果表明，隨著樁徑的不斷增大，安全系數的增大效果不明顯。樁徑大于1.5m 時，邊坡的安全系數幾乎不變；樁徑小于1.5m時，安全系數不滿足要求。因此，需合理樁徑設計，以免材料浪費[7]。

表2 不同樁長下邊坡的安全系數

表3 不同樁徑下邊坡的安全系數

4 結語

公路高邊坡常見于復雜地形中，且高邊坡具有較大的路堤自重及復雜土層分布，使得邊坡加固設計難度較大，若設計不當，出現邊坡失穩現象，會嚴重影響公路工程施工質量。文章依托廣西某公路高邊坡開展抗滑樁加固分析，并對不同抗滑樁影響因素下邊坡的安全系數進行評估，獲取了可靠結論，能夠為類似項目建設提供一定的參考。