基于强度折减法的路堑高边坡支护方案研究

2020-08-05尉立基吴华伟章海明

山东交通科技 2020年3期

尉立基，吴华伟，章海明

（1.山西交通控股集团有限公司临汾北高速公路分公司，山西临汾 041000；2.山西省交通新技术发展有限公司，山西太原 030031）

引言

随着我国西部高速公路的大量修建，常常会在山区开挖后形成路堑高边坡。路堑开挖后山体的应力发生重分布，对山体的稳定性会造成一定的影响[1-2]。特别是顺向高边坡，切坡开挖后，岩层的抗滑段土体减少，导致剩余下滑力超过土体的抗剪强度，从而导致原有岩层产生沿岩层层面的滑动，发生山顶塌方等危害。因此如何保证岩体开挖过程中的稳定，并分析开挖后支护方案的优劣性，选择最佳的支护方案是岩土工程界的重要研究内容。

数值分析目前是研究岩土工程的重要手段之一。随着计算机技术的发展，目前已经有了众多的有限元计算软件，这对岩土工程研究具有重要的意义。Midas软件是一款强大的岩土工程计算软件，利用强大的几何技术和建模功能，能够很大程度上模拟绝大部分的岩土工程，且在计算结果上相对安全[3]，因此常用来做岩土工程分析。

1 强度折减法

强度折减法是在外荷载不变的前提下，将土体的抗剪强度指标进行不断折减，使土体处于极限平衡时的折减系数即是边坡的稳定性系数[4-5]。结合有限差分法的强度折减法具有不用假设边坡破坏的滑动面的优点，避免了假设滑动面的不准确性导致计算结果不可靠的后果，同时还具有不受地貌影响的特点，能够模拟出边坡破坏过程中的滑移面形状和位置，因此在进行边坡的稳定性分析时，采用强度折减法能够较合理地还原边坡的破坏过程[6]。

2 工程概况及有限元模型建立

2.1 工程概况

某高速公路边坡高约15 m，是一个岩层外倾的顺层边坡，顶部为粉质黏土，其下为强风化碳质页岩和中风化炭质页岩。岩体完整性较好。岩土参数见表1。

表1 土层参数

为了保证高速公路修建过程中以及后期运行的安全，拟定了两种方案[7]。方案一采用三级1∶1放坡，每级放坡之间留1 m的马道，坡高5 m，并采用素喷C20混泥土护面+6 m高重力式挡墙进行支挡。方案二则采用三级1∶1放坡，每级放坡之间留1 m的马道，坡高5 m，同时设置直径16 mm、长度为4 m 的锚杆，在坡脚设置6 m高的重力式挡墙，两种方案设计参数见表2，挡墙形式参数相同，顶宽0.8 m，胸墙坡比1∶0.2。施工步骤见表3。

表2 边坡支护设计参数

表3 施工步骤说明

2.2 有限元模型建立

在有限元模型的建立过程中，边界的选取往往会影响计算的最终结果。只有计算的边界范围足够大才能避免边界处的约束对计算模型产生不准确的影响。但是模型边界过大又会给模型的计算时间等带来额外的影响。因此选取合理的边界尺寸既能避免边界效应的影响，又能达到计算快速的目的。模型尺寸边界见图1。

图1 建模尺寸

边坡的锚杆实际作用机理除了能够起到一定的抗拔作用以外，还能承受一定的剪力。但出于安全储备，在模型建立过程中锚杆采用的植入式桁架单元来模拟，喷混凝土采用梁单元来模拟[8-9]。边坡有限元模型计算依据摩尔-库伦准则，共建立2 142个节点，创建了2 165个单元。三个边界方向采用全约束。建立该高边坡的二维模型见图2。

图2 边坡模型网格

3 有限元模型分析

建立路堑高边坡的二维模型后，首先分析路堑边坡在天然状态下的稳定系数为1.24，暴雨状态下的稳定性系数为0.98，由此可见该边坡在暴雨状态下已容易发生失稳的危险。其原始状态下的塑性区见图3。可以看出，在天然状态下，该边坡容易沿粉质黏土和炭质页岩的分界面发生滑动，从而造成山体滑坡的严重后果。从图中可以看出，边坡并没有从坡脚剪出，证明在天然状态下下部的炭质页岩稳定性良好，粉质黏土容易产生滑动。尤其是在暴雨状态下，粉质黏土的抗剪强度进一步降低，从而导致失稳。

图3 原始状态下边坡塑性区分布

为了进一步分析在开挖高速公路路堑之后该边坡的支护的稳定性，利用强度折减法进行了不同支护方案施工过程中的边坡稳定性分析。整理分析得到不同支护方案下的边坡稳定性系数见图4。

图4 不同安全施工过程的安全系数变化对比

通过分析不同支护方案下的边坡安全系数变化规律可以看出，在无锚杆支护的方案一中，随着边坡开挖和支护的进行，边坡的稳定性逐步增加。在第一步和第二步开挖的过程中边坡的安全系数得到有效的提高。因为在开挖第一步和第二步的过程中，挖方有效地减少了起下滑作用的土体的重量，使得这个边坡的下滑力减小，抗滑力与下滑力的比值增大，从而提高了边坡的稳定性。尤其是第二层喷混凝土施工完毕后，边坡的稳定性最好。但当进行第三台阶开始之后，边坡的稳定性系数有所降低，究其原因，是因为边坡的抗滑段的抗滑力减小。分析方案二的安全系数可以看出，随着边坡的开挖和支护，其安全系数也呈现出增大的变化趋势。其总体变化趋势与方案一基本一致。

对比分析两种支护设计方案的安全系数的变化规律，可以看出在原始状态和第一台阶的开挖过程中，两种方案的安全系数基本一致。之后由于不同支护方案的支护强度不一样，可以看出增设锚杆的方案二支护效果明显好于方案一，可见锚杆在该边坡的稳定性影响中，起到了一定的抗剪抗滑的作用，对边坡的稳定性有较好的提升作用。同时也可以看出，两种支护方案下边坡的安全系数都大于1.35，均符合规范要求。

为了进一步对比两种支护方案下的边坡稳定情况，分析两种支护方案下的边坡塑性区分布见图5、图6。

图5 方案一塑性区分布

图6 方案二塑性区分布

从图5可以看出，在无锚杆支护的方案一中，边坡仍然存在一个潜在的圆弧状表层滑动带，该滑动带即位于粉质粘土和炭质页岩的岩层分界面附近，这是因为在成岩过程中，在岩层分界面处胶结强度较低造成的。另外可以看出滑动带在坡脚的位置初应力最大，因此在施工完毕后，在长期的运营过程中，可能会出现坡面喷混凝土出现剪切裂缝的病害。从图6可以看出，加设锚杆之后，边坡的塑性区范围明显缩小。只在表层出现了小范围的塑性区，这表明锚杆调整了边坡的应力分布，起到了明显的支护作用。潜在的滑动面位置明显下移，加深加大，且滑动面的应力明显减小，支护效果良好。

虽然增设锚杆在一定程度上增加了工程造价，但是在可控范围内，该类顺向挖方路堑边坡仍然建议设置锚杆进行加固防护，避免带来后期运营的潜在危险与病害。