路堤邊坡穩定與保護方法的探討

摘要 以一條高速公路的高邊坡為實例，文章首先利用Midas-GTS有限元軟件對其進行了穩定性分析，對其變形、破壞方式和發展過程進行了深入探討，并對其當前所處的階段和潛在滑動面的位置等進行了詳細分析；然后在此基礎上，根據有限元分析的結論，針對該項目特點，選擇了“植物-錨噴-排水”的綜合整治方案；最后采用條分法對該斜坡進行了穩定分析，根據結論可知其穩定效果良好，符合設計要求。

關鍵詞 高邊坡；穩定；保護措施

中圖分類號 U417 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0000-03

0 引言

高邊坡通常是指垂直高度在20 m以上的土壤和30 m以上的巖石。高速鐵路是一條狀結構，跨越了許多不同的地質體，所以其地質情況比較復雜。由于受天氣和地質等多種因素的制約，高邊坡具有很強的安全性，有些高邊坡在建設初期還很穩定，但是經過長期的運行后，由于降雨和巖層發育等多種原因，高邊坡往往會發生嚴重的滑坡，造成重大的經濟和社會經濟損失[1]。在這種情況下，該文對存在高危險性的斜坡進行了穩定分析，提出了防治對策，同時結合案例對高邊坡的穩定問題進行了研究，給出了具體的處理方案[2]。

1 項目概況

某公路的邊坡高56 m，寬72 m，高邊坡段長150 m。因該高邊坡坡面陡峭，降雨多，這一斷面在人工或天然干擾下很容易出現滑坡現象，給人們的生命和財產帶來巨大的危害。結果表明，該高邊坡的安全性達到了1級，其重要性指數達到了1.12。

1.1 地貌和地質情況

施工現場的地形是由構造剝脫的淺丘-溝壑組成的，沿途大部分都是以種植蔬菜和樹木為主的農田和森林，大部分都是原始地形。在該地區，探測點的最高和最低高程分別為381.86 m和330.23 m，相對高差為51.63 m，具有明顯的地貌特征，地形起伏很大。該巖層的產狀在9°～126°之間。在工程區的內巖層中存在兩個裂縫，其產狀和特征分別如下：（1）150°～180°，裂縫平面平坦，部分裂縫被泥漿填充，裂縫之間的距離為1～2 m，這種構造界面的黏結力較弱，屬于硬構造界面。（2）260°～300°，斷面平整、平滑，間距為2～3 m，主要呈封閉狀態，局部開裂的寬度在1～2 mm左右，這種構造表面黏接不良，也屬于硬構造表面。

1.2 天氣和水情狀況

該地區屬亞熱帶潮濕季風，四季特征分明，空氣濕度大，降水量大，多霧天。極高溫度出現在1978年8月15日，溫度為42.8℃；最低溫度出現在1975年12月15日，溫度為?3.5℃，年平均溫度為19.2℃。1998年的最大降水量為1 532.3 mm，年平均降水量為1 150.7 mm；在1964年8月28日，日最大降水量為214.8 mm，多年平均降水量為124.8 mm，最大小時降水量為62.1 mm；最大持續降水過程的累計降水量為214.8 mm，降水在一年中以5至10月最為集中[3]。

2 高邊坡的穩定性分析

2.1 基于有限元軟件的建模

采用Midas-GTS有限元軟件對該高邊坡進行穩定性計算，通過對該高邊坡的實際情況進行研究，確定了該高邊坡的地層物理參數，如表1所示：

高速公路邊坡在發生失穩破壞過程中，由于邊坡體的力學特性，使得邊坡體在縱向上的運動軌跡難以準確定位。公路邊坡在受到荷載作用時，兩側土體都會對其形成一個抗力，而這種抗力的強度和方向通常不可測量，使得公路邊坡的受力問題可以簡單地歸結為二維問題。考慮工程的具體特征，有限元方法選取了邊坡的最高處（豎直方向X=56 m，水平方向Y=72 m）進行了數值仿真。采用Midas-GTS軟件，構建了一個包含1 124個結點、2 832個單元的有限元模型，如圖1所示：

該模型在開展有限元仿真建模工作時，模型中的地應力設置為巖體自身重量。

通過對該區域內兩側X的數值進行分析，確定了該區域內左右邊界的數值分別為0和56，并將該區域內各邊界沿X方向進行了限制。此外，確定了該區域的地面邊界Y=0。綜合上述結果，該文從三個方向對該模型施加了邊界限制。

2.2 數值模擬結果研究

圖2（a）為邊坡水平位移云圖，由該圖可知，邊坡模型在全過程都存在水平位移，其最大位移位置出現在邊坡底部，最大位移量達到了6.744 cm；最小位移位置出現在邊坡頂部，最小位移量為0.11 cm。從位移云圖可以看出，最大位移場接近四邊形，其他位移場分布近似于圓弧形，其中位移場占比最大的達到了45.1%，位移場數值為3.02 cm。

圖2（b）為邊坡最大剪應力云圖，由該圖可知，在邊坡模型中，剪應力呈現分層形態，每一層的剪應力大小各不相同。在垂直方向上，隨著深度的增加，剪應力逐漸變大，其最大剪應力位于邊坡底部，最大剪應力數值為686.7 kPa；最小剪應力位于邊坡頂部，其數值達到了2.66 kPa。

圖2（c）為有效塑性應變云圖。由該圖可以看出，有效塑性應變最大值出現在邊坡底部位置，其數值大小為1.33；在整個云圖中，應變為0的區域占到了37.9%。

通過對其進行有限元計算，發現其邊坡穩定度F=1.28，比《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）所要求的1.35更低，說明其不穩定。在降雨作用下，由于地層中存在著大量的裂縫，出現了高邊坡的失穩，進而導致了滑坡的發生。為此，有必要對邊坡采取有效的防護措施。

3 邊坡的防護方法探討

3.1 邊坡防護工程規劃

該文確定了“植物+錨噴支護+排水”的綜合整治方案[4-5]，具體實施情況如下：

（1）邊坡整理。在實施支護工作之前，必須清除坡面上的野草和光禿的巖石。清除時應采取相對安全的手工作業，并對鄰近建筑進行保護。

（2）排水。排水系統通常包括邊溝、排水管網、馬道截水溝和邊坡頂部截水溝等。馬道截水溝渠、邊溝及邊坡頂部截水溝均設置為大小0.5 m×0.5 m、厚0.3 m的梯形水溝，并選用C25混凝土進行墊層澆筑。

（3）掛網噴錨保護。如圖3所示，對邊坡經過清理和挖掘后，首先在巖石斜坡上噴灑15 cm厚的素混凝土，然后按照設計標出的掛網錨桿的定位，在孔洞中使用錨桿鉆孔，然后在孔洞中注入M30水泥砂漿；錨桿在巖石表面露出地面10 cm處，懸掛φ6.5@20 cm×20 cm的鋼筋網；錨桿的間距和長度等技術指標可依據高邊坡的實際條件進行適當調整。坡面排水孔的孔徑為75 mm，深度為2 m，間隔為3 m，呈梅花狀排列；孔口使用的是聚氯乙烯塑膠排水管道，孔口管的長度為30 cm。掛網錨噴射支護邊坡處，每隔10 m應有1個2 cm的伸縮縫，伸縮縫內用瀝青進行填充。

（4）植物綠化。因為該工程地處市區，所以對綠化有很高的要求。為此，擬采用該地的蔓生樹種，它既能保持斜坡的長期穩定性，又能達到景觀綠化的目的。

3.2 處理后的邊坡穩定性分析

采用圓弧條分法，將邊坡按照圓心角及弧長等方式劃分為10條，對每個圓弧條塊進行驗算，得出的驗算結果見表2所示：

以表2的計算結果為依據，將表2中的數據代入式（1）進行計算，得到基于存在裂縫水壓力情況下的安全系數可達1.586，超過了規范要求的1.35，因此，防護措施符合設計規范要求。

（1）

式中，Fs——安全系數；ci——第i道滑動弧段所處巖土地層的內聚力（kPa）；φi——位于第i個滑動弧處的巖土地層中的內摩擦力角度（°）；li——巖石和土壤中的巖石的滑動弧長（m）；γw——地層中的水的重度（kN·m?3）；h2 w——地層中巖石和土壤的含水量（%）；R——分弧長圓心角（°）；Ni——面積（m2）；Ti——質量（kN·m?1）[6]。

4 結束語

該文基于Midas-GTS軟件，對案例工程的高邊坡展開了穩定性分析，利用對應力、位移和應變等值云圖等對其進行了分析，最終得出了該邊坡處于不安全狀態，存在一定的安全隱患。在此基礎上，針對該工程的具體條件，采用“植草+錨噴支護+排水”的設計方法；采用條分法計算了支護后的高邊坡穩定性，得出該高邊坡具有良好的穩定性，達到了設計標準，能有效地保障斜坡的穩定。

參考文獻

[1]賈鵬云.順層巖質高邊坡土體失穩機理與處置方法的探討[J].山西交通科學，2017（4）：29-32.

[2]喬翔.高邊坡巖體失穩機理與處理方法研究[J].鐵路施工技術，2017（8）：89-93.

[3]彭海.邊坡治理技術的理論與實踐[M].長沙：中南大學出版社，2011.

[4]農明可.公路高邊坡穩定與保護技術的探討[J].中國公路科學與技術，2021（10）：8-11.

[5]張海迪，劉亞飛.高等級道路路堤的穩定效應及保護對策研究[J].科技與營銷，2014（12）：176+179.

[6]劉子振，嚴之新.基于有限元分析的非飽和粘性土邊坡穩定分析[J].巖石力學，2016（2）：350-356.

收稿日期：2024-08-09

作者簡介：周大垚（1985—），男，碩士研究生，工程師，主要從事道路工程設計。