公路高边坡稳定性分析与加固措施研究

周定权

（广东冠粤路桥有限公司，广东广州511400）

随着经济的快速发展，交通需求日益增大，基础设施建设向山区延伸，已实现区域化的互联互通，在建设过程中，许多边坡工程会遇到高液限土，而高液限土因其区别于普通黏性土的工程性质，如含水率高、高液限（＞50%）、黏粒含量高、IP（＞26），此外还呈现裂隙性，对于边坡工程而言，此类地层是不良地质[1]。

目前针对边坡稳定性分析和加固设计的研究较多，已取得较多的成果并应用于工程实践中，但高液限土质边坡稳定性研究相对较少，针对高液限土质边坡稳定影响因素及其在不同含水率下边坡稳定状态的研究也较少，依托具体工程，对高液限地层边坡有针对性的展开研究，对高液限边坡稳定影响因素进行分析研究，为边坡加固防护设计提供优化建议，并对边坡加固防护设计效果进行评价，具有一定的实际工程意义。

1 高液限土边坡病害及成因分析

1.1 常见病害

根据对广东地区高液限土地层的路堑边坡进行调研，把结合国内其他地区类似边坡的病害，其高液限土地区路堑边坡常见的病害有以下3种。

1.1.1 溜塌

溜塌病害多、一般在雨季出现，为边坡表层病害，其发生在降雨之后，病害出现的部位和坡率没有直接联系，可出现在边坡的任何部位，溜塌发生的上部有弧形的坎，没有明显的裂缝和滑面，溜塌厚度在0～1.5 m范围之内。

1.1.2 冲蚀与剥落

冲蚀是指边坡表层松散的土体在降雨或者地表径流的冲刷下，在坡面造成冲蚀沟的现象，深度多数在0.1～0.5 m，在暴雨期间最大可达1.0 m，冲蚀破坏了破表的完整性，使植物根系剥落。剥落则发生在旱季，边坡表层土体受到物理风化，土体呈细粒状，受自重作用，沿着坡面剥落至坡脚，堵塞边沟。

1.1.3 滑坡

滑坡病害的多数发生在雨季，沿着边坡横向发生，有的可从坡顶贯穿至坡脚，破坏性最大，滑坡深度在1.0～3.0 m之间，一般在6 m以内，滑坡的规模与土体的类型和土体结构具有显著相关性，与坡高、坡率没有明显的相关性[2]。

1.2 病害成因分析

归纳总结高液限土质边坡病害的成因，主要有以下几个方面：

1.2.1 土质

高液限土黏粒含量较高，具有较高的离子交换和亲水性，对水比较敏感，导致其具有显著的干缩湿胀效应。在旱季，边坡在蒸发作用下，土体失水，边坡表面出现收缩开裂，出现微裂缝，并逐渐发展成密集型裂缝，土体结构之间的连接破坏。如果在雨季开挖，降雨进入到边坡，土体吸水膨胀，出现软化，强度降低，在干湿循环作用下，表层土体松散，发生一系列的病害。

1.2.2 土体结构

边坡开挖数米甚至数十米，涉及土层较多，高液限土边坡并非仅有一种土层。比如出现高液限土与普通土层的复合土层，或者不同的高液限土组成的复合土，层间性质、颗粒性质差异较大，高液限土由于透水性较弱，其吸水膨胀，土层软化，对于复合地层而言，出现一饱和的软化带，土体易沿此层溜塌或者滑移。

1.2.3 裂隙

边坡中的裂隙，为降雨的下渗提供了路径，也为坡内水体的蒸发提供了通道，干湿循环现象加剧，使得土体结构进一步破坏。

1.2.4 风化作用

大气环境的风化作用以降雨、蒸发、升降温等作用，使得土体的含水率和土体的结构性以及含水率的不断变化，直接影响到干缩湿胀[3]。

综合以上分析，高液限土边坡在治理时，应从以下加个方面入手：加强边坡防排水设计与坡面防护，以降低大气作用与地下水升降造成的干缩湿胀效应；利用锚索（锚杆）与格构梁提高覆盖层与基岩、水平各层间的连接；通过注浆技术，填充土体空隙，改善土体性质。

2 稳定性分析方法与概况

2.1 边坡稳定分析方法

边坡常用的稳定性分析方法有以下几类：

2.1.1 工程地质分析法

其主要内容是进行工程地质的比拟，为定性分析，常用的有成因历史分析法、工程地质类比法、赤平极射投影法、专家系统分析、层次分析法等。

2.1.2 极限平衡分析法

极限平衡法是最早也是最实用的定量分析法，常用的有以下几种：圆弧滑动分析法，A.N.Bishop法[1955，式(1)]、Spencer条分法[1967，式(2)]、Janbu （1967）、Morgenstern-Princer条分法。

A.N.Bishop法将安全系数定义为滑面上的抗剪强度与剪应力的比值，该方法考虑了有效应力以及在边坡稳定分析中，抗剪强度的发挥程度。Spencer在分析时假定土条之间的法向力E与切向力X之间有一固定的关系，即条间力的倾角为一常数。

2.1.3 数值分析法

数值分析法主要有：FEM（有限元法）、BEM（边界元法）、DEM（离散元法）、DDA（非连续变形分析法）、FLAC（快速拉格朗日分析法）等几种。

此外还有非确定关系分析法、模型试验分析、现场监测分析法等。

本文利用工程地质分析法，初步选定加固设计方案，然后利用圆弧稳定分析法进行验证，最后利用M idas GTS中强度折减模块，求解边坡安全系数，并对边坡加固与防护设计进行综合评估。

强度折减的基本原理如下：将边坡的抗剪强度参数同时以Ftrial进行折减，带入模型进行计算，直至边坡处于极限平衡状态，此时边坡发生剪切破坏，得到临界滑面，折减后的抗剪强度参数如下：

2.2 工程概况

里程K79+605～K80+160段，左侧二级边坡上覆盖有全风化的高液限粉土，呈松散，并且具一定膨胀性，地表残留约15～17 m厚的积粉质黏土。从地质勘察并结合现场调查，该段边坡自然山体后缘较平缓，左侧最大开挖高23 m，开挖部位岩性多为残积粉质黏土、全强风化粉砂岩等覆盖层。该底层遇水易软化，边坡抗剪强度较低，自身稳定性差，与其下伏中风化基岩比较，其抗剪强度较低，而下伏基岩为隔水层，地下水易沿两者间的接触带富集，易构成易滑的软弱结构面。

由于边坡开挖，覆盖层的前缘抗滑段挖除，临空面一侧完全暴露，由于2012年2月～3月份连续雨季，边坡在自重、片理结构面及强降雨水等共同作用下发生过大面积滑塌。2012年长期下雨，施工受阻，边坡产生进一步坍塌。K79+605～K80+040坡顶后缘整体滑塌，最大滑塌宽度距变更后堑顶有24.2 m，滑塌深度2～5 m不等，坡顶截水沟最大错位有5 m。

3 边坡稳定性影响因素研究

3.1 高液限土边坡稳定性影响因素分析模型

为研究加固前，含水率、坡高、坡率变化对高液限土天然边坡（本模型假定其为均质、单一地层的边坡）稳定性的影响，现建立如图1所示分析模型，分别研究含水率、坡高、坡率对边坡稳定性的影响（FOS，即安全系数），以为加固设计提供参考。模型总长100 m，高70 m，边坡的坡高20 m，如图1所示。单元类型、本构关系、弹性模量、容重等参数，见表1。

表1 土体参数与模型参数表

为研究边坡某一影响因素变化所引起安全系数的改变程度，即影响因素与安全系数的相关关系，现引入敏感度S分析，其表达式为：

3.2 含水率与边坡稳定性

根据工程经验和科研成果，土体的含水率变化会引起土体c、φ的变化。根据研究发现，土体Sr在40%～60%之间时，土体的黏聚力值最大，当含水率继续增大，黏聚力随着含水率的增加而减小，内摩擦角变化较小。对于高液限土，由于其天然含水率较高，黏粒含量多，含较多亲水矿物，随着含水率增高，颗粒间距增大，抗剪强度降低。对于边坡工程，某一位置的土体，其应力状态一致，抗剪强度随着含水率变化而变化[4-5]。

根据勘察单位试验数据，为分别制备10%、12%、…、30%、32%、35%共计12组试样，测试在12种含水率下的抗剪强度（坡高20 m，坡度40°），如表2所示，并将其分别用于模型计算。

分别计算12种工况下的安全系数，见图2。

表2 不同含水率下土体的抗剪强度指标

根据模拟结果，当含水率达到26%时，安全系数迅速降低，此后，随着含水率增加，边坡稳定性不满足规范要求。根据公式(4)，含水率在20%～26%之间变化时，对安全系数的敏感度为0.33，当含水率在26%～35%之间变化时，安全系数的敏感度为1.58。在实际工程中，降水、地下水位上升均会导致高液限土的湿度增大，因此为确保边坡稳定，需要对坡面进行防护设计，并设置防排水设施。

3.3 坡高与边坡稳定性

假定边坡的基准含水率为32%，坡度40°，计算此条件下，不同边坡高度（6～22 m）的FOS值，见图3。边坡高度从16 m减小到6 m时，边坡的FOS从1.38增大到2.39，增大了73.2%，边坡高度的降低，对稳定性的提高有显著影响，根据公式(4)计算出坡高的敏感度约为0.48，在工程设计中，应根据坡高，对设计进行细化，以降低投资，并且应适当降低边坡分级的高度。

3.4 坡度与边坡稳定性

假定边坡的基准含水率为32%，坡高8 m，计算此条件下，不同边坡坡度（30～45°）的安全系数。边坡坡度从40°减小到30°时，边坡的安全系数从2.16增大到2.58，增大了19.4%，边坡在坡脚从30°增大到45°时，安全系数呈线性降低，根据公式(4)计算出坡度在30～45°变化时，对安全系数的敏感度约为0.62。实际工程中，降低坡度，可以显著提高稳定性，因此在工程中，可以适当减缓边坡坡度，并设置宽平台。

4 加固设计与评价

4.1 加固与防护设计

根据前文研究，发现含水率、坡高、坡率均会对边坡的稳定产生影响。根据现场实际情况，边坡滑体的前缘已经出现剪出口，在后缘出现裂缝，滑面基本贯通，为消除滑坡病害，并结合工程造价、工期等因素，确定如下方案：

①第一级边坡坡高8.0 m，坡率1∶1.5，一级平台宽8.0 m；设支撑渗沟+3排斜向控制注浆钢花管框架，一级坡两侧较矮坡面则采用支撑渗沟+沟内菱形框架植草防护。

②第二级边坡的坡高8.0 m，坡率为1∶1.5，二级坡的平台为4.0 m宽；坡面采用支撑渗沟+预应力锚索格构，坡面防护采用六棱砖与人字形骨架植草防护，防止地表水下渗及冲刷。

③第三级边坡坡率1∶1.75，一坡到顶，坡面采用人字形骨架防护。

④第一、二级边坡平台采用厚度8 cm的C20现浇砼封闭。

⑤完善边坡平台和坡顶截、排水系统。

4.2 加固与防护效果评估

根据工程设计，建立边坡加固与防护效果评估模型（图4），同时考虑渗流作用，假定降雨为特大暴雨，降雨量为300 mm/d，降雨的持续时间为10 h，土体非饱和特性的参数值，如表3所示。

表3 土体非饱和特性参数

其中θr、θs分别为剩余体积含水量、饱和体积含水量。

根据强度折减基本原理，计算边坡的安全系数，结果见表4。

表4 边坡安全系数表

根据渗流分析，由于高液限土的渗透性较差，在连续降雨下（10 h），仅边坡表层1 m范围内的土体含水量有明显的区别，如图5所示。但由于高液限土的基准含水率较高，在实际工程中采用防护措施对表层稳定具有重要的意义。

根据分析结果可知，此设计方案具有较好的加固效果，消除滑坡的风险，可以满足工程需要。

4.3 施工顺序对边坡稳定的影响

根据前文的研究成果发现，采用加固措施可以大幅提高边坡的稳定性，但施工加固措施的时机，会对路堑边坡稳定性的提高也不一致，换言之边坡稳定在施工过程为一变量，而施工顺序是影响因素之一，现分析3种施工顺序（见表5）下安全系数，以便于在施工时选择合理的施工顺序，每开挖2 m即求解安全系数，计算深度从二级边坡平台开始算起。

表5 施工顺序方案

现将不同开挖深度下，不同开挖顺序下边坡安全系数绘制在图6中。

根据图6可以发现，随着边坡的开挖深度不断增加，边坡安全系数整体呈降低趋势，不论是逐级加固还是边开挖边加固，均可以在一定程度上提高边坡的安全系数，但是加固的施工时机不同，对稳定性提升的效果也不相同。如果采用一破到底然后再施工加固的方案，边坡在开挖到底后存在失稳的风险，而采用边开挖边支护的方案，可以在施工的全过程控制边坡的稳定，并且可以提高在施工完成后的边坡稳定，而开挖一级加固一级则介于两者之间。

但考虑施工工期以及施工机械进出场的次数，边开挖边支护虽可以控制施工全过程中边坡的稳定，但是机械进出场次数多，工序多次转换，导致工期延长，逐级开挖，然后逐级支护，在保证边坡整体稳定的前提下，可以缩短工期，对于本工程较为适宜。

5 结论

本文从高液限土边坡为切入点，介绍常见的病害，并分析其成因，建立均质高液限土边坡的分析模型，研究坡率、坡高等因素对边坡稳定的影响，以指导设计，并根据设计建立加固效果评估模型，主要结论如下：

①边坡的含水率、坡高、坡率均会对边坡稳定产生影响，含水率在影响因素中敏感度最高，当含水率超过26%后，安全系数突降，因此在设计时，需要设置坡面防护，并完善排水设施。

②根据分析结果，采用分级开挖逐级支护既可保证边坡稳定，又可大幅缩短工期。

③坡面防护对控制降雨条件下坡表1.0 m范围内的含水量具有显著作用，可有效防治溜塌、冲蚀、剥落等病害。

施工过程中，由于二级边坡一高液限土为主，遇水易崩解、软化，且施工阶段坡面渗水严重，锚索施工时成孔难度较大，可利用跟管钻进技术进行施工。