基于极限平衡法对某路堑边坡的稳定性计算与加固分析

2020-05-14黄凡

福建交通科技 2020年2期

黄凡

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

0 引言

边坡工程问题频频涌现于各个工程领域，如公路、铁路、矿山建设、水利水电等，如若处理不当，不仅会造成巨额的经济损失，还将存在着极其深远的无形或隐伏的间接影响，影响社会的安定，导致生存环境的恶化，加剧各种自然灾害的发生，引发次生灾害等。因此，研究边坡的稳定性，对于如何预防滑坡的发生，滑坡发生后如何进行处治以保证边坡稳定，具有非常重要的现实意义。对于山区公路而言，由于受线路及地形影响，难免开挖形成工程边坡[1]。目前，工程建设用地越来越紧张，因此需结合稳定性分析结果，采用合理的坡率设计及加固措施。本文依托“横五线”连江城关至贵安段公路工程A2 段，开展路堑边坡加固设计，提出边坡加固的设计思路，具有一定的工程指导意义。

1 工程概况

该项目起点位于连江县青塘村、起止桩号K3+000，经长后村，终于连江县潘渡乡下宝溪村、终点桩号K8+000，与纵二线连江境相交并设置枢纽互通，以此改善福州中心城区北向出入口通道条件，促进连江县域经济发展。

拟建路堑工程边坡位于该项目的长后平交的A 匝道和C 匝道（CK0+000～CK0+186.054=AK0+770～AK0+680），场区属剥蚀丘陵地貌，地形略有起伏，山体走向与路轴线方向约呈80°相交，山坡自然坡度约25～30°左右，山坡植被发育。拟建边坡最大高度约为45m，中心最大挖深为30m。开挖后易失稳，因此对该边坡进行稳定性计算和针对性防护设计。

2 地质条件

本路段边坡勘察根据设计布置和要求，对沿轴线两侧各250m 进行1:2000 工程地质测绘，并布置2 个钻孔（SP1、SP2），以探明相关地质情况。

2.1 地层岩性

根据地质调查和钻孔揭示，坡地地带表层为第四系残坡积粘性土(Qel～dl)，沟谷地带表层多分布有第四系冲洪积的粉质粘土、淤泥质土(Q4al+pl)；下部岩层主要为燕山晚期侵入花岗岩（γ53）。勘察期间地下水稳定水位位于路面设计标高上方，受雨季或持续降雨作用影响，岩、土体的含水量增大，岩、土体力学性能降低，上方覆盖层易软化，较易产生变形失稳，本深挖区主要岩土层特征如表1 所示。

2.2 地质构造和地震

据本次工程地质测绘成果及收集的区域性地质资料，场区区域性构造较稳定，表层为厚层冲洪积土层，附近未见有活动性断裂构造。

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）判定标准，场区为软弱场地土，依据《中国地震动参数区划图（GB18306-2015）》福建省区划一览表，本场区位于福州市连江县，场地地震基本烈度为6 度，设计地震动峰值加速度为0.05g，设计地震分组属第三组，场地土地震动反应谱特征周期为0.40s，场地类别为Ⅱ类场地。近期未发生地震，抗震设计按《公路工程抗震规范》（JTGB02-2013）执行。场地地震基本裂度为6 度，可不考虑软土震陷及砂土液化问题。

2.3 水文地质条件

区内地表水为山间沟谷溪流，受季节性影响显著，雨季流量骤增。地下水主要为冲洪积、残坡积层、风化层及基岩孔隙-裂隙水，受大气降水及地表水垂直下渗补给，通过地下径流方式排泄。勘察期间为雨季，所量测的地下水位埋深略高于正常水位埋置深度。

表1 主要岩土层特征表

2.4 裂隙调查与分析

场区地形略有起伏，基岩埋藏较深，本边坡长度约275m，坡向约220°。根据岩层结构面和天然斜坡坡向赤平投影，未分布对边坡不利影响的结构面，如图1 所示。

图1 裂隙与边坡坡面接触关系的赤平投影

3 边坡稳定性评价与加固分析

边坡的稳定性取决于内在因素和外部作用的影响，地形地貌、地层岩性、地质构造等内在因素在边坡稳定性中起决定性的作用，而外部作用主要包括水文气象条件、地震及人类工程活动等。水对边坡稳定性有显著影响作用，有“十滑九水”的说法。坡体含亲水矿物，遇水易软化，岩土体抗剪和黏结强度降低，同时增大岩土容重，增大了坡体的荷载。连江县属亚热带海洋季风气候，春夏多雨，降雨丰富，在持续的暴雨作用下，一方面使地下水位上升，增加岩土容重；另一方面坡体排水不畅，使粉砂岩和坡积土遇水软化，降低了岩土体的力学指标。因此，在高边坡设计中应加强坡面及坡体排水设计[2]。

3.1 边坡稳定性评价与分析

数值分析法是目前工程实践中应用最广泛的评价方法之一，能够定量分析边坡的稳定性，对工程设计起到辅助参考的作用。该方法考虑静力平衡条件和土的摩尔-库仑破坏准则，也就是说该方法是通过分析土体在破坏那一刻的力的平衡来求得问题的解。针对该路堑边坡，采用Geo-Studio 软件对其进行稳定性分析。该软件是基于极限平衡法为原理编译的，主要用于路堑边坡稳定性计算与评价[3]。

3.1.1 主断面及计算参数的选取

根据现场调查和地勘钻探资料结果分析，选取CK0+080 横断面进行稳定性分析，如图2 所示。

图2 CK0+080 横断面

根据主断面地层分布情况和土工试验结果统计分析，结合相关规范和工程经验，综合确定边坡稳定性评价与边坡支护设计计算参数，如表2 所示。

3.1.2 断面设计及分析评价

考虑路线设计标高、地层分布情况以及用地界限制等因素，对该边坡进行坡率设计。该边坡岩层属于顺层结构，因此设计过程中应尽可能减少对坡体的扰动[4]。根据不同地层的地质特性，具体设计坡率详见表3。

表2 岩土物理力学指标表

将主断面CK0+080 导入计算软件中，建立计算模型，设置计算边界，输入岩土体计算参数，采用极限平衡法进行稳定性计算，计算结果如图3 所示，该边坡稳定安全系数为Fs=1.076。

表3 坡率设计表

根据公路路基设计规范（JTJD30-2015），路堑边坡稳定性验算时，应根据公路等级，计算路堑边坡在两种工况（正常工况、非正常工况Ⅰ）下的稳定安全系数，其稳定安全系数应满足表4 规定的相应的稳定安全系数要求，否则应对边坡的支护方案进行调整[5]。连江横五线属于一级公路，根据计算结果可知，安全系数不符合规范要求，需采取加固治理措施进行防护。

图3 刷方后主断面计算结果

表4 路堑边坡安全系数

3.2 加固方案设计与评价

3.2.1 加固方案设计

该边坡设计最高为6 级，加固方案以预应力锚索加固+坡面绿化防护为主，辅以坡面排水设计。各级边坡防护加固措施为：第一级坡率1∶0.5，TBS 镀锌网植草灌；第二级坡率1∶0.75，TBS 镀锌网植草灌；第三级坡率1∶0.75，预应力锚索框架（设计拉力700kN）+TBS 植草灌交错；第四级坡率1∶1.0，预应力锚索框架（设计拉力700kN）+TBS植草灌交错；第五级坡率1∶1.0，TBS 植草灌；第六级坡率1∶1.25，TBS 植草灌。具体设计如图4 所示。

3.2.2 加固方案稳定性分析

（1）正常工况下加固工程稳定性验算

通过坡率设计以及对边坡中部进行预应力锚固，提高了边坡的稳定性。在计算软件中，在原计算模型里加入锚索单元，并施加相应的锚固力，正常工况下稳定性检算，如图5 所示。