公路邊坡穩(wěn)定性分析及加固措施設(shè)計(jì)研究

陳馳 李穎

收稿日期：2023-10-31

作者簡(jiǎn)介：陳馳（1985—），男，博士研究生，工程師，研究方向：高速公路建設(shè)與營(yíng)運(yùn)養(yǎng)護(hù)工程管理技術(shù)。

摘要 在公路建設(shè)過程中，挖坑回填會(huì)打破原有的自然狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)情況。文章采用有限差分計(jì)算軟件研究邊坡穩(wěn)定性，并分析在不同錨索傾斜度、布置間距及錨索長(zhǎng)度下對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響作用。研究發(fā)現(xiàn)：邊坡錨固段長(zhǎng)度最佳應(yīng)在6 m左右；傾斜角越大，其穩(wěn)定性越差，當(dāng)傾斜角為10 °時(shí)，此時(shí)為最優(yōu)錨固傾斜角，可以得到最大加固強(qiáng)度；隨著布置間距加大，邊坡安全系數(shù)會(huì)隨之越低，最優(yōu)布置間距在5 m左右。通過對(duì)錨索相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，能夠有效地改善邊坡穩(wěn)定性，保證加固方案的科學(xué)性。

關(guān)鍵詞 路基邊坡；穩(wěn)定性分析；錨固優(yōu)化

中圖分類號(hào) U416.14文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）01-0064-03

0 引言

為了保證工程建設(shè)的順利開展和安全運(yùn)行，路基邊坡的穩(wěn)定性至關(guān)重要。道路邊坡穩(wěn)定性容易受到地形地質(zhì)情況和施工工藝等多種因素影響，特別是在山地道路施工過程中，常出現(xiàn)大面積回填、大開挖等施工，會(huì)使原有地質(zhì)條件發(fā)生變化，從而導(dǎo)致滑坡、塌方等安全事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。因此，如何選擇既經(jīng)濟(jì)合理又切實(shí)可行的邊坡加固措施，就成了土木工程行業(yè)迫切需要解決的問題。當(dāng)前，邊坡加固措施有多種，主要以預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿、植草、擋土墻等加固法為主。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)工作人員已通過理論計(jì)算、計(jì)算模型和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等措施對(duì)其錨固機(jī)理、加固效果和設(shè)計(jì)思想等方面進(jìn)行了深入研究，并取得一系列具有重要價(jià)值的研究結(jié)果。然而，目前我國(guó)道路工程設(shè)計(jì)中，仍然采用“工程類比”方法進(jìn)行，為保證其安全性能滿足要求，往往采用較為保守的設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致造價(jià)高昂，因此，研究不同類型道路下的邊坡穩(wěn)定性，并對(duì)其進(jìn)行合理的加固處理，對(duì)于提高我國(guó)道路工程建設(shè)水平有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 邊坡穩(wěn)定性分析

1.1 極值平衡法

在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中，應(yīng)用最多的是極限平衡法，該方法屬于數(shù)值計(jì)算法。雖然基于力學(xué)模型建立的分析方法能夠?qū)吰路€(wěn)定性進(jìn)行量化分析，但僅能得到各潛在邊坡區(qū)域的應(yīng)力變形情況。盡管該計(jì)算方法適用于均質(zhì)邊坡，但針對(duì)涉及復(fù)雜介質(zhì)和邊界的滑坡體，只能給出一個(gè)大致的估算值，且分析結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況存在很大差異[1]。

1.2 極限分析法

極限分析法使用時(shí)前置條件是假設(shè)做功相同，即邊坡自重和外部荷載做功之和與摩擦阻力做功一致。該方法主要用于求解極限荷載數(shù)值和邊坡安全系數(shù)，在該方法使用過程中，邊坡被假設(shè)為符合流動(dòng)規(guī)律的塑性材料。

通過對(duì)邊坡進(jìn)行極限分析，能夠得到其處于理想情況下的穩(wěn)定臨界值，也就是安全系數(shù)數(shù)值。另外，如果實(shí)際施工中存在多重荷載和滲流等情況，該計(jì)算方法不可使用。因此，該計(jì)算方法一定要重視適用性，不可盲目使用。

1.3 數(shù)值計(jì)算法

在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中，數(shù)值計(jì)算法通常有離散單元法、FLAC3D法和有限元計(jì)算法等，各種計(jì)算方法的應(yīng)用情況各有不同，優(yōu)缺點(diǎn)也不同。離散單元法和FLAC3D法在解決離散問題、不連續(xù)問題以及大形變問題等方面具有重要意義。該方法能夠反映巖層的破裂特性，但其理論依據(jù)比較復(fù)雜，有必要建立相應(yīng)的模型，且模型需要離散化設(shè)計(jì)；有限元計(jì)算法是一種廣泛應(yīng)用且理論較為成熟的計(jì)算方法。

數(shù)值計(jì)算法能夠較好地反映巖土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及滑坡與支擋工程的相互作用。流形元法是一種集有限元計(jì)算法和離散單元法的優(yōu)點(diǎn)相融合的高效求解方法，該方法能夠計(jì)算從連續(xù)至非連續(xù)的巖層大形變過程，能更精確地刻畫巖層的破裂與失穩(wěn)特性，在解決復(fù)雜邊坡問題方面有著獨(dú)特的優(yōu)越性。

2 邊坡錨固機(jī)理

2.1 邊坡錨固措施

在天然條件下，邊坡既要承擔(dān)滑坡面以上巖層的切向力和滲透作用，又要承擔(dān)其他荷載作用。滑坡面巖層的抗剪強(qiáng)度主要取決于邊坡穩(wěn)定性，要加強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性，將錨固措施應(yīng)用于邊坡治理中。

錨固措施是指在坡面上鋪設(shè)錨桿或錨索，使之與坡體及周邊巖體密切相連。錨固段可產(chǎn)生摩擦力、滑動(dòng)阻力及抗拉強(qiáng)度，從而共同承擔(dān)邊坡荷載，提高抗滑性能[2]。

通過對(duì)錨索數(shù)量和布置位置進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，建立一個(gè)穩(wěn)固的支撐體系，能夠有效地增強(qiáng)邊坡抗傾覆性能。錨固力的存在能夠維持邊坡力系統(tǒng)的平衡，進(jìn)而確保邊坡穩(wěn)定性。錨固力必須與滑動(dòng)面的受力相匹配，確保其抗滑力大于下滑力，從而避免對(duì)邊坡產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，即為錨固力的作用原理，計(jì)算公式詳見式（1）：

∑ΔN×f+∑C×ΔL≥∑ΔT×r （1）

式中，∑ΔN、∑C和∑ΔT——錨索受力差值和、剛度值總量及額外荷載總量；ΔL、f和r——長(zhǎng)度之和、摩擦性能及錨索和土層的間距。

式（1）由左右兩個(gè)部分構(gòu)成，其中，式左為整體抗滑作用力，該作用力是基于三個(gè)部分而產(chǎn)生的，分別是摩擦性能、受力性能和剛度性能；式右為額外荷載引起的滑移作用力。這樣可以明顯發(fā)現(xiàn)，如果式左的計(jì)算結(jié)果大于或等于式右的計(jì)算結(jié)果，那么能夠確定整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

錨索通常作為治理邊坡坍塌問題的有效方法，該方法是把錨索嵌入至可靠巖層，然后與巖層產(chǎn)生反應(yīng)，基于可靠巖層的錨固性能，將邊坡作用力慢慢地向巖層深處轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的。該加固技術(shù)的重點(diǎn)在于確定錨固點(diǎn)的位置和數(shù)量。如果可以將錨固點(diǎn)安置合理，那么錨索便可以發(fā)揮出可靠作用，邊坡也將更加穩(wěn)定。

經(jīng)仁龍[3]對(duì)某國(guó)道公路邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，研究結(jié)果表明：錨索支護(hù)措施能明顯減小邊坡的變形量，并能阻止塑性區(qū)產(chǎn)生貫穿區(qū)域，從而增強(qiáng)滑坡的穩(wěn)定性?；跇O限平衡法、數(shù)值模擬法計(jì)算方法，雷越等[4]對(duì)南陽(yáng)市內(nèi)鄉(xiāng)西站附近巖層邊坡進(jìn)行分析，得到了邊坡安全系數(shù)，并通過正交試驗(yàn)法確定了邊坡錨桿最優(yōu)錨固組合。由上述研究可以發(fā)現(xiàn)，錨索的布置必須基于不同的施工環(huán)境，不可按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，進(jìn)而確保錨索能夠有效發(fā)揮作用。

2.2 計(jì)算模型建立

擬建項(xiàng)目場(chǎng)地處于西南地區(qū)，車道類型為雙向車道。該項(xiàng)目基于先進(jìn)的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，目的在于提高該地區(qū)的交通能力。在該項(xiàng)目中，存在一個(gè)超大邊坡，其高度和坡度分別達(dá)到了38 m和60 °。邊坡面的總高度達(dá)到了30 m，共劃分為3個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)為10 m，并設(shè)置寬度2 m的平臺(tái)。該設(shè)計(jì)方案既能保證邊坡穩(wěn)定性，又能降低土方工程量。

3 錨固措施優(yōu)化設(shè)計(jì)

錨索的使用能夠顯著提高邊坡穩(wěn)定性，從而減小邊坡坡面位移值。基于工程施工經(jīng)驗(yàn)可知：錨索傾斜角、布置間距和錨索長(zhǎng)度對(duì)加固作用有著顯著影響。在保證邊坡穩(wěn)定及充分發(fā)揮錨索作用的目標(biāo)下，需要對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而得到合理的錨固參數(shù)[5]。

3.1 傾斜角設(shè)計(jì)

錨索傾斜角是優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。錨索傾斜角較大時(shí)，會(huì)對(duì)錨索的錨固效果產(chǎn)生不利影響。在錨索施工之前，必須先對(duì)其進(jìn)行灌漿，以確保灌漿的飽和度滿足設(shè)計(jì)要求。錨索的傾斜角與水平角應(yīng)大于10 °。但是，如果錨索的傾斜角太大，則對(duì)錨固作用不利，所以設(shè)計(jì)中對(duì)錨索傾斜角范圍應(yīng)設(shè)置在10 °～35 °。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮各種情況，選取最佳的傾斜角，以達(dá)到拋錨的目的。

為了分析錨索傾斜角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的作用，利用控制變量法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)選。在相同錨索長(zhǎng)度（6 m）、豎向間隔（2 m）的前提下，利用計(jì)算軟件將錨索傾斜角分別設(shè)定為10 °、12 °、14 °、16 °、18 °、20 °。通過該分析方法，能夠更好地分析錨索傾斜度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，同時(shí)可以確定最優(yōu)錨固效果下的錨索傾斜角數(shù)值。這對(duì)實(shí)際工程中的邊坡穩(wěn)定性分析和錨固設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

如圖1所示為錨索傾斜角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，從圖1分析可得：當(dāng)錨索傾斜角逐漸增大時(shí)，邊坡的安全系數(shù)會(huì)逐漸減小，這表明邊坡的水平位移也具有類似的變化趨勢(shì)。由以上研究分析可得：巖層間有軟弱層是導(dǎo)致邊坡失去穩(wěn)定性的最主要因素；錨索的存在能夠有效改變邊坡的抗滑性能，使之沿著橫向進(jìn)行；當(dāng)錨索傾斜角逐漸變大，橫向力會(huì)逐漸變小。所以，基于圖1顯示的變化曲線能夠確定當(dāng)傾斜角為10 °時(shí)，邊坡安全系數(shù)最大。該方案能較好地解決邊坡失穩(wěn)問題，并能較好地指導(dǎo)施工。

3.2 錨索間距優(yōu)化設(shè)計(jì)

錨索布置數(shù)量取決于錨索間距，其會(huì)間接影響錨固效果，此外，錨索布置對(duì)施工成本的影響也很大。對(duì)錨固效果進(jìn)行評(píng)估時(shí)，必須綜合考慮其安全性與施工成本，所以，需在確保安全性能的前提下減少施工成本。因此，應(yīng)提出錨索間距的合理布置方案[6]。

在錨索優(yōu)化設(shè)計(jì)中，依然使用控制變量法，設(shè)置錨索傾斜角為10 °，錨固力為900 kN。將錨索間距的取值設(shè)定在2～6 m范圍內(nèi)。基于數(shù)值模擬，分析邊坡在不同間距下的安全系數(shù)，進(jìn)而得到安全系數(shù)變化圖，如圖2所示。

由圖2分析可得：錨索間距越大，邊坡安全系數(shù)越低。隨著間距不斷減小，錨索布置過于密集，會(huì)使巖層的抗剪能力減弱，進(jìn)而影響其承載力。由于錨索施工成本高，所以在施工過程中需要消減孔的數(shù)量。通過綜合分析安全系數(shù)和施工成本，確定錨索間距選定為5 m，這時(shí)候安全系數(shù)達(dá)到了1.42。

3.3 錨索長(zhǎng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)

錨索間距為5 m、錨索傾斜角為10 °時(shí)，對(duì)錨索長(zhǎng)度開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而確保錨固效果。通過對(duì)不同錨固段長(zhǎng)度（4 m，6 m，8 m，10 m，12 m）對(duì)安全系數(shù)的影響進(jìn)行分析，基于數(shù)值計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，得到如圖3所示的變化趨勢(shì)圖。

由圖3分析可得：當(dāng)錨索長(zhǎng)度逐漸變大時(shí)，安全系數(shù)也會(huì)隨之變大，但是其增長(zhǎng)速度會(huì)慢慢變小。這就說明在長(zhǎng)度超過6 m時(shí)，安全系數(shù)的增長(zhǎng)速度逐漸變小，所以基于實(shí)際情況，在分析其安全系數(shù)和施工成本的情況下，將錨索長(zhǎng)度選定為6 m。

4 總結(jié)

該文分析了邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算方法，對(duì)其錨固機(jī)理進(jìn)行了闡述，并研究了錨固參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，總結(jié)如下：

（1）傾斜角越大，邊坡安全系數(shù)越小，這表明傾斜角增大時(shí)會(huì)造成邊坡穩(wěn)定性降低。從增加抗滑能力的角度考慮，選取10 °為最優(yōu)錨索傾斜角，這種方法可以很好地解決邊坡穩(wěn)定問題，并具有指導(dǎo)性意義。

（2）邊坡穩(wěn)定性受錨索間距影響，錨索間距越大，邊坡安全系數(shù)越低。當(dāng)錨索間距較小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生群錨作用，從而使巖層抗剪強(qiáng)度下降，從而影響錨索承載力。在滿足邊坡安全性能和工程成本的前提下，確定錨索間距為5 m。

（3）邊坡的穩(wěn)定性隨錨索長(zhǎng)度的增加而增加。錨索長(zhǎng)度大于6 m后，其安全系數(shù)增大速度較小，綜合考慮安全性和施工成本下，確定錨索長(zhǎng)度為6 m。

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