山区高速公路挖方路基边坡稳定性及动态设计分析

2020-03-08李云霞

工程技术研究 2020年20期

唐荣，李云霞

（山东职业学院，山东济南 250000）

实现高速公路的高质量建设对于保证车辆的安全以及快速行驶具有重要意义，对此，高速公路施工企业应采取必要的措施以促使高速公路的建设能够快速有效地进行。高速公路建设工作对路线平纵线的指标要求相对较高，这是因为当施工进程运行至地貌地形比较复杂的路段时，如果有平纵指标的限制将会经常出现深挖路段的情况，从而造成高速公路施工企业的工程量逐渐加大，进而导致企业的经济效益急剧下滑。随着我国高速公路事业的快速发展，要想实现巨大规模高速公路工程项目的有效运行，高速公路施工企业必须对挖方路基边坡加固与防护工作加以足够的重视。当前我国级别较高的高速公路建设项目的数量正在不断增加，挖方路基边坡的施工作业出现边坡损坏问题的情况也随之增多[1]。基于此，文章首先探究了相关重点案例，再对可能即将发生损坏现象的山区高速公路挖方路基边坡的稳定性进行分析，使用相应的计算软件执行动态策划工作，以促使山区高速公路挖方路基边坡能够得到必要的加固。

1 工程概况

该高速公路建设项目是陕西省辖内的一段高速公路，其路线走向为由北向南，总长度为13.87km，其途经两条隧道、两座桥梁、四道涵洞，所占据的桥隧比例为15.7%。该高速公路建设项目途经某座知名山脉，其位于结构多变的地貌地形中，其所处地形的结构多样，丘陵、山岭地形偏多，其中还夹杂着狭长河谷以及山间盆地等地形地貌，其地形高低偏差比较明显。山岭地形的海拔高度多为390～710m，平均的高低差为180～350m。该高速公路建设项目的施工路段主要由泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩、炭质粉砂岩、软质岩等构建而成[2]，由于隧道段内软质岩数量较多，因此会对隧道的修建作业产生极为明显的消极影响。其河谷段内水系比较丰富，其流速也较大，雨季较长。

在实施该高速公路建设项目时，应详细了解挖方路基边坡周边地界的水系条件、地理条件、排水系统、边坡大小、详细施工策略等要素，之后再全面分析其自行固坡作业以及其相应的人建边坡测验工作。具体来讲，应当保证路堑边坡的高度不超过18m，并且边坡的坡率不能比相关的规定数值大。对于地质恶劣的特殊路段，应当对其实施个别测量工作，而后再对其实施科学计划方案的制订工作。如果岩质边坡的高度在30m以下，则应当依照相关的操作规范精确判断岩体种类。针对出现结构面外倾软弱现象的岩石边坡和坡顶负荷较重的边坡，可以对其实施个别勘察工作后再实施相应的稳定性分析工作以及必要的动态设计工作[3]。

2 稳定性分析

对山区高速公路挖方路基边坡的岩体实施必要的探究工作，明确分辨其属于哪一种类型的破坏方式，对于比较危险的层状岩石边坡，要详细说明其关键层面的特点。再根据形变的实际损坏情况来有效构建工程质料模型，以此为后续的地质力学剖析工作以及治理计划工作提供必要的参考数据。在未实施挖掘工作时，层状的岩体斜坡能够保持较为稳定的状态，然而一旦开挖工作实施之后，这种平衡就会遭到破坏，进而造成边坡的周围岩体发生失重回弹现象，使得边坡的应力产生较为明显的集中效应。之后层状的岩石边坡会相应产出一个形变大小不够明显、外形为其他类型的边坡。如果变形聚集起来的应力程度较大时，层状的岩石边坡极易发生岩体崩坏的情况[4]。

2.1 有限元计算模型

为促使山区高速公路挖方路基失稳缘由探讨工作能够开展得更为深入，可以使用有限元分析计算模型来执行相应的探讨工作。文章将使用Phase2程序分析模型，该模型必须具备四个操作要素，一是边坡的控制坡场区应是自重应力场，二是把二维平面的应变力作为假定参数，三是可以忽略掉节理的影响，四是可以使用强度拆减来实现针对安全系数的计算工作。

2.2 稳定性数据结果

实际操作中可以使用强度拆减法以及有限元软件Phase2来执行针对边坡工况稳定性的计算工作。基于这种情况，会产生最大剪应力的区域主要位于三个地界内，一是位于呈砂状花岗岩与全部风化岩石的接壤处，二是位于碎块状花岗岩与砂土样花岗岩的接壤面，三是位于中度风化花岗岩与强风化花岗岩的接壤处以及其坡底处[5]。

上文所述的三个区域内容易发生挖方路基边坡损坏的情况，其中第一个区域是破坏程度最大的区域，经过严密的计算过程可得，边坡往坡面靠中上的区域内，其岩土产生的应变力较大，而处于边坡中间往上靠的地方，其产生的位移会特别大，其原因是边坡的地层风化程度特别明显。

实际操作时可以对该山区高速公路施工路段所遇到的下雨情况执行相应的边坡稳定性分析工作。朝下执行相应的滑面搜索工作时，可以明确发现一处不稳定的滑面，其位于一处三级坡面的坡脚与一处二级平台相接的地域内，此种类型的破坏面是因自身重量应力以及上部负荷应力两方面的作用而出现边坡损坏的情况。对自然工况的应力布局以及其相应的总体位移数据进行详细分析后得知，拉应力主要产生于边坡的上层部位，而剪应力则主要产生于边坡的下层部位。由此可以明确推断出，山区高速公路挖方路基边坡出现损坏的原因是雨天以及人为开挖作业造成坡脚的应力较大。对比使用强度拆减法和滑坡极限平衡算法而得出的安全系数数值，其数据差异很小，这表明这两种类型的变形破坏模式在原理上存在的差别很小，故计算工作所得出的结果是正确的。

3 山区高速公路挖方路基边坡动态设计策略

3.1 针对挖方减载工程的动态设计策略

针对挖方减载工程实施动态设计作业，可以对该种类型工程的边坡执行相应的减载加固作业，即把该边坡坡面划分为五个阶级，每个阶级的高度设置为8.0m，并在每个阶级的外倾方向上增设一个12%排水卸载平台。将一级边坡的坡脚高度控制为250.0m，单级的坡率比设置为1∶0.8，并将其坡高控制为8.0m，而坡脚的切方可以设置为2.0m。将二级边坡的高度设置为265.0m，其单级的坡率比应当设置为1∶0.73，并把其坡高控制为8.0m，对于坡脚则可以对其增设一个高度为1.8m的建设平台。对于一级和二级边坡的动态控制工作，只需要保证相应的工作是以锚杆框架基底的承载原则而实施相应的坡面加固工作[6]。将三级边坡的高度设置为275.0m，并把其单级的坡率比设置为1∶0.75，其单级的坡高控制为8.0m，并对其坡脚实现一个宽度为1.8m的建设平台的增设工作。对于四级边坡的控制工作，则应当将其边坡的高度设置为285.0m，其单级的坡率比设置为1∶0.85，其单级的边坡高度仍然设置为8.0m，然后再在其坡脚位置处增设一个宽度为1.8m的建设平台。针对五级边坡的控制工作，则应当将其边坡的高度设置为289.0m，其单级的坡率比设置为1∶0.95，此时挖方已经到达顶部，则应当在坡脚的位置处实现一个宽度为1.8m的建设平台的增设作业。

3.2 针对锚固工程的动态设计策略

开展针对锚固工程的动态设计工作，则可以先对其一级边坡实施相应的锚杆架构加固作业，并将其每一片架构的宽度控制为13m，再把12孔的锚杆划分成三排，上排为13m、中排为10m、下排为3m，并把每孔的锚杆拉力控制为120kN。对于其二级边坡，则应当将其每一片的架构宽度设置为13m，对其实现四孔锚杆的设立工作，并将其划分为两排而实现相应的设立工作，将锚杆上排高度设置为18m，下排高度设置为14m，而锚固段的长度则应当设置为6m，再将其每孔锚杆的拉力控制为345kN。对于其三级边坡的动态设计工作，则可以将其每一片的架构宽度控制为13m，并实现四孔锚索的增设作业，将其划分为两排[7]，其上排的长度应当设置为25m，其下排的长度则应当设置为22m，再将锚固段的长度设置为8m，其每孔的锚索拉力控制为660kN。

3.3 实施动态监测工作

实施针对山区高速公路挖方路基边坡的动态设计工作，还应当实现必要的动态监测工作，促使相应的工作开展能够得到有效的监控，进而保障相关工作能够取得积极的成效。在对该项发展策略进行具体部署时，可以在滑坡体的深度约为285m的内部位置处增设一个位移监测断面，将其设置为3条，总共有10个监测孔。与此同时，还应当对其内部实施为期1年的治理间断工作，并保证能够在2年的时间内完成所有的监测任务。随机抽查各级的锚杆以及锚索，保证其数量之和超过11个锚索测力计的实际测量结果[8]。而针对边坡的锚下预应力，则应当对其实施相应的长期监测工作，并将其监测周期控制为2年。