强降水下高路堤边坡稳定性分析及加固设计

2020-04-01覃冬梅

西部交通科技 2020年9期

覃冬梅

摘要：为了研究强降水下高路堤边坡稳定性并提出可借鉴的边坡加固设计方案，文章以某山区改扩建高等级公路为依托，对K89+250～K89+303段高路堤边坡进行模拟分析，研究不同降水条件、不同降水时间以及不同压实度下坡体强度及安全性的变化规律。结果显示：降水量增加可提高地下水位，而雨水的侵入會大幅削弱边坡土体的抗剪强度，且压实度越小，土体抗剪强度衰减越显著;边坡安全系数随着降雨等级增强显著减小，当降雨量>100 mm/d时安全系数将不满足设计要求;边坡安全性随着降水强度增大衰减越明显;采用锚杆加固设计，并辅以挂网喷射混凝土、坡脚设置挡土墙以及设置多重防排水措施，可有效保证边坡的稳定性。

关键词：边坡;强降水;稳定性;加固;高路堤

0 引言

随着我国公路建设的发展，山区公路建设里程逐渐增大，而山区公路建设的相关问题也逐渐凸显。山区公路由于地形限制，需增设大量桥梁、隧道设计，同时也会存在大量高填方及大挖方。其中高填方相较大挖方由于边坡为非自然态的人造边坡，在雨水、地震等条件下极易发生失稳破坏。在部分降水量较大地区，高强度的瞬时降水量以及长时间持续的高密度降水将会进一步考验边坡稳定性，严重时会导致泥石流及滑坡落石，影响行车安全[1-3]。目前对于边坡稳定性分析相关研究较多，为大部分公路边坡防护加固设计提供了较好参考与借鉴。但大部分边坡稳定性分析一般采用稳态渗流模型进行分析计算，使用有、无雨水渗入对比以及降水量均值作为渗流条件，以上研究未考虑非饱和区坡体在降水条件下的影响[4-8]。本文以某山区改扩建高等级公路为依托，对K89+250～K89+303段高路堤边坡进行模拟分析，研究不同降水条件、降水时间、压实度下坡体强度变化规律，进而对高路堤边坡稳定性进行分析，并结合坡体现状评估进行边坡加固设计，以保证边坡安全稳定。

1 依托工程概况

以某山区改扩建高等级公路为依托，道路路基原宽19.5 m，拟将其扩建至58.5 m。本次研究路堤边坡位于K89+250～K89+303段，坡比为1 ∶ 1.4，为强风化岩质边坡，岩体饱水抗压强度<29.5 MPa。由于坡体强风化岩石存在较大风化差异，导致路堤填料压实均匀性差，压实度难以保证。该段路堤路基表层最高处为12.0～16.0 m，由于距该路堤边坡2 km处存在一贯穿湖泊，当降雨量过大时将导致部分路堤被淹没，进而导致附近路堤地下水位升高。路堤采用如下填料及压实度控制：0～85 cm换填性能较优的黏性土，压实度控制≥96%;85～155 cm采用强风化岩石，压实度控制≥94%;155 cm以下采用强风化岩石，压实度控制≥91%。

2 强降水下高路堤渗流数值分析

为了分析强降水下高路堤边坡稳定性，首先构建本构模型，该段路堤地下水水位相对较高，饱和及非饱和位置地下水交互作用。选取轴向路堤为模拟对象，对三个压实度控制区进行差异化划分，使用Geo-slope软件SEEP/W进行渗流网格划分（见图1）。模型共设节点7 985个、网格单元7 824个。其中通过前期试验，得到91区、94区以及96区饱和渗透性系数测试值分别为8.3×10-3 m/d、5.5×10-3 m/d以及1.3×10-3 m/d。假设kx/ky=4.0。

参考依托工程所在地气象资料，设定日降雨量参数分别为100 mm/d、200 mm/d，连续降雨1 d。图2为100 mm/d、200 mm/d降雨量下边坡孔隙水压力分布图。根据等值线分析可知，降水量增加可提高地下水水位，并根据相关参数进行下述边坡稳定性分析。

3 强降水下高路堤边坡稳定性分析

降水作用下，采用数值模拟分析可知，当降雨强度和降雨时长增大引起累计渗透雨量提高时，路堤土体含水率将增大，导致水压力升高而基质吸力减小。本研究将采用极限平衡法，通过渗流数值模拟分析降水条件下边坡稳态平衡状态，进而对边坡稳定性进行分析。

3.1 强降水下填土抗剪参数分析

公路强降水下，特别是边坡喷浆施工前，排水不及时极易导致雨水漫流渗透，进而引起边坡坡体内填料被雨水侵蚀，使得土体强度参数减小，进而使得土体抗剪强度衰减。为分析强降水对土体抗剪强度的影响程度，采用模拟路堤加载的土体湿化试验，对不同压实度（91%、94%、95%）土体进行试验。根据土体湿化试验分析，土体由自然态向湿态转变的中间过程——湿化状态大致为轴向应变为2.0%左右，据此计算出不同干湿状态、不同压实度下土体抗剪强度参数如表1所示：

由表1可知：

（1）同一压实度下，随着土体向湿态转变，粘聚力及内摩擦角均出现衰减，其中粘聚力减小幅度明显，91%、94%、96%三种压实度下粘聚力分别降低54%、55%、45%。表明雨水的侵入将会大幅削弱边坡土体的抗剪强度，进而造成边坡稳定性不足。

（2）随着压实度降低，低压实度下干、湿态土体抗剪强度相较96%压实度土体抗剪强度参数衰减如表2所示。衰减规律显示，不论湿态还是干态，随着压实度降低，粘聚力与内摩擦角均显著减小。表明在土体性质一定的条件下，应尽可能提高边坡土体即路基填筑压实度，进而保证边坡稳定性。

3.2 不同降水强度边坡稳定性分析

依据依托工程当地降雨特征，选取降雨一天情况下100 mm/d、200 mm/d、300 mm/d及不降水4种降水等级对边坡稳定性进行模拟分析及计算，边坡安全系数计算结果如图3所示。随着降雨等级提高，边坡安全系数显著降低，当降雨量达到200 mm/d时安全系数已降低至1.24，已不满足《公路路基设计规范》对黏土质边坡≥1.36的要求。而当无雨时边坡安全系数达到1.87，具有较高安全保证系数，表明应对边坡进行坡面防护以减少雨水浸入对边坡的影响。

3.3 不同降水时间边坡稳定性分析

分别选取降水强度为100 mm/d、200 mm/d、300 mm/d，持续降水1～4 d，针对上述工况进行边坡稳定性分析，计算结果如图4所示。总体而言，边坡安全系数随着降雨等级增强显著减小，随着降雨时长增大安全系数也存在一定程度衰减，且降水强度越大边坡安全系数衰减越明显。这主要是由于降雨强度越大、降雨时间越长，坡体所在路堤地下水位上升越大，减小了土体基质吸力，进而引起路堤边坡稳定性减小。

4 边坡加固设计

4.1 设计原则

本研究K89+250～K89+303段岩质边坡整体相对高程在12.0～16.0 m，考虑现阶段公路主体路基施工已经完成，基于公路工程边坡加固设计技术安全性及经济性原则，边坡加固设计应在稳定性分析计算基础之上，充分对边坡现有工况进行分析与研判。本设计采用在清除边坡表层浮石后使用锚杆加固处理方式，并辅以喷射混凝土以及挡土墙等多重加固方式对边坡进行稳定。针对K89+250～K89+303段边坡实际工况，建议首先进行锚杆加固施工，然后进行混凝土喷射施工，喷射施工可有效提高强风化软岩边坡坡体与喷射混凝土之间的嵌挤作用，增强二者之间的粘结强度。上述工序施工完成后进行挡土墙墙体施工，为减少大体积混凝土收缩裂缝产生，一般采用跳槽间隔施工进行。

4.2 锚杆加固设计方案

根据工程实际现状特征及上述模拟分析，边坡岩体粘聚力为60.5 kN，设计锚杆直径取23.5 mm螺纹钢筋（PSB），锚杆加固处位于模拟边坡滑动面下2.5 m位置，采用如下式（1）进行锚杆锚固力计算：

通过计算，单根锚杆提供锚固力值计算为ρ=56.1 kN。由坡体总锚固力与上述锚杆单根锚固力计算可知，所需锚杆总量为：n=74（根）。根据边坡坡面尺寸以及借鉴以往工程经验，锚杆设计水平与竖向间距分别为3.9 m、4.9 m，锚杆打设水平倾角为14.5°。具体设计参数见表3。

4.3 防护设计方案

为进一步保证边坡坡体稳定性，设计在边坡坡脚设置浆砌挡土墙，挡土墙设计参数为：墙顶宽0.60 m、墙高3.3 m、墙底宽0.8 m。另外为加强边坡稳定性储备，采取在挡土墙上端裸露坡体进行挂网及喷射混凝土施工处理。其中挂网直径为5.6 mm，喷射混凝土采用M30水泥砂浆，喷浆压力为2.0 MPa。

由于工程所处地区降雨时间长、降雨量较大，为充分保证雨水等及时排出，设计采用如下组合方式保证边坡尽量减少雨水侵蚀：（1）边坡坡面設置泄水孔及汇流通道保证内部水及时排出;（2）坡顶设置截水沟，尽量减少上端雨水漫流至边坡;（3）增大路基边部边沟尺寸，提高水流排散速率。

5 结语

本文以某山区改扩建高等级公路为依托，对K89+250～K89+303段高路堤边坡进行模拟分析，研究不同降水条件、降水时间、压实度下坡体强度变化规律，进而对高路堤边坡稳定性进行分析，并结合坡体现状评估进行边坡加固设计，得出如下结论：

（1）降水量增加可提高地下水位，而雨水的入浸会大幅削弱边坡土体的抗剪强度，进而造成边坡稳定性不足。随着压实度降低，低压实度下干、湿态土体抗剪强度大幅衰减，应尽可能提高边坡土体即路基填筑压实度，进而保证边坡稳定性。

（2）当降雨量>100 mm/d时安全系数将不满足《公路路基设计规范》对黏土质边坡≥1.36的要求，应对边坡进行坡面防护，减少雨水浸入对边坡的影响。

（3）边坡安全系数随着降雨等级增强显著减小，降雨时长和降水强度越大，安全系数衰减越明显。

（4）采用锚杆加固设计，并辅以挂网喷射混凝土、坡脚设置挡土墙以及设置多重防排水措施，可有效保证边坡的稳定性。