公路高边坡稳定性分析与加固措施研究

邹昌敏

摘要：边坡在建设以及运营过程中，受到降雨等外力影响下，失稳时有发生，一旦出现，轻则阻碍交通，重则危及行车安全。研究表明，南部多雨地区，针对高液限土质边坡，应采取可靠的截、排水措施，进行加固设计，并设置坡面防护，可有效保证边坡长久的稳定。本文首先总结了公路高边坡失稳的原因和破坏形态，随后结合某公路工程ZK15+243处高边坡，使用ANSYS软件对其在天然和暴雨两种情况下的稳定性进行分析，最后结合工程实际情况，提出采用预应力锚索的方法进行治理，并基于锚索长度、锚索倾角、锚索垂直间距等设计参数提出了最优边坡锚固方案，本文的研究可为类似的公路高边坡工程提供理论指导。

关键词：公路;高边坡;稳定性;破坏原因;锚固优化设计

因为我国各地区地形有较大的区别、水文地质条件十分复杂，公路工程勘察设计难度大，在建设过程中会形成大量的公路高边坡。公路高边坡坡面在短时强降雨、持续性降雨、气候变化、冻融作用等因素的干扰下，会造成冲蚀、剥落、泥石流等边坡浅层危害，边坡浅层危害发展到一定程度会影响到边坡整体的稳定性。因此，准确地评价公路高边坡的稳定性，提出经济、合理、安全的加固措施，对于公路工程的建设具有十分重要的意义。

1 公路边坡失稳原因及破坏形态

1.1 公路边坡失稳原因

根据国内外相关学者的研究理论发现，公路高边坡失稳的原因大多与当地的地质条件、地形地貌有很大的关系，主要反映在以下几点：

（1）边坡的岩石节理较发育，同时又受到了风化作用的影响，造成岩石的强度随着时间的增长而降低，各项物理力学指标出现明显下降，当指标均值降低到维持边坡稳定的最低水平，就会造成边坡的失稳。

（2）在滑坡地段，未能对岩土体的各项性质进行深入分析，在设计过程中依旧采用较大的坡比，而在施工中也没有以现场施工情况为据来实时调节，开挖时仍旧按着原先的设计图，所以无法保证边坡本身的稳定性。

（3）在边坡开挖结束之后，并未及时采取相应的有效保护措施，导致边坡上的岩土体长期暴露，经阳光和雨水的长期风化和冲刷，导致岩土体的各项参数下降，坡体失稳。

（4）山陵区域的降水多，雨水能够沿循边坡表层渗透至边坡岩体之中。岩土体受到孔隙水的作用，导致岩体的强度指标出现下降，加强了边坡的下滑力度，降低了稳定性，岩土体也逐渐变软，进而使边坡的抗滑力下降。

2 公路高边坡稳定性分析

2.1 工程概況

某公路工程ZK15+243处为岩质高边坡，工程地质条件十分复杂。由地质勘察资料可知，此边坡面倾斜角度是187°，处于道路右边，而山体自然坡度大约是5°到10°倾斜度不等。边坡高约35m，表面有1到3米厚度不等的粉质黏土，下伏基岩则是由强风化、中风化变质板岩组成，裂隙岩石节理较软，属于破碎形态的岩体。

2.2 有限元模型建立

根据ZK15+243处岩质高边坡典型断面，运用ANSYS进行有限元模型的创建。将物理学参数输进模型中的涂层，然后对该边坡模型进行网格划分，在这里需要注意的是划分的是四面体、长度为1米的网格，总共划分了7260个网格。边坡的位移边界条件定义为：边坡模型的临空面都择取自由边界条件，侧面和底部则分别是限定位移幅度、固定约束条件。本节对天然工况和暴雨工况下的边坡展开模拟，并借助研究其塑性区以及位移等指标对边坡的稳定性进行评估。

2.3 天然工况下边坡稳定性

利用ABAQUS对边坡天然工况进行模拟时，得到的边坡塑性区和位移云图如图1所示，根据ANSYS软件测算得到的边坡安全系数为1.337，因此，表明这一边坡在天然工况中呈现较稳定的形态。

2.4 暴雨工况下边坡稳定性

利用ABAQUS模拟边坡暴雨工况时，边坡的物理力学采用饱和状态下的参数，得到的边坡塑性区和位移云图如图2所示。

由图2（a）可知，边坡的塑性区在暴雨工况下仍旧是位于中风化、全风化岩层接触面的四周，并且边坡中部则属于最大塑性变形区。另外，边坡的塑性变形区已经出现贯通迹象，这说明该工况下边坡容易发生失稳破坏。从图2（b）中不难看出，边坡坡脚是边坡最大位移之处，并且各个点的位移总体上来说要比天然工况下位移要大。

根据ANSYS软件测算得到的边坡安全系数值为1.05，因此，这一边坡在天然工况下呈现非稳定形态，应当加强支护措施。

3 公路高边坡锚固优化设计

根据锚固设计“强腰固脚”的原则，在ZK15+243处岩质高边坡典型断面的坡脚处利用ANSYS建立了边坡锚固有限元模型。锚杆采用pile单元进行模拟，锚杆数量为7根，锚杆长度选取30米、25米、20米、15米、10米，锚杆倾角选取30°、25°、20°、15°、10°，锚杆垂直间距为1米、2米、3米、4米。

选择锚杆长度、锚杆倾角和垂直间距作为影响岩质高边坡稳定性的主要设计参数，并在原来锚固设计方案的基础上对参数进行优化。

（1）锚杆长度的影响

计算得出了不同锚杆长度与岩质高边坡安全系数关系如图5所示。计算结果表明，当锚杆长度小于25m时，岩质边坡安全系数随着锚杆长度的增加而增加，且二者之间基本呈线性变化关系;当锚杆长度大于25m时，岩质边坡安全系数随锚杆长度基本保持不变。因此，锚杆在加固岩质高边坡时，有效长度为24m，超过此长度，锚杆对边坡的安全系数没有提升。锚杆长度与岩质边坡安全系数的拟合方程是F=0.04L+0.5，相关系数R为0.9974，满足拟合精确度的要求。

（2）锚杆倾角的影响

根据测算获得了长度各异的锚杆与岩质高边坡安全系数的关联。测算结果显示，岩质高边坡的安全系数在锚杆倾角从10°向35°改变的期间内，是逐渐增大然后减小的态势。也就是当锚杆在20°倾斜内时，边坡的安全系数与锚杆的倾角呈正相关;当锚杆超过20°倾斜时，边坡的安全系数会随之降低。锚杆在加固岩质高边坡时的最佳锚固角为20°。

4 结论

（1）边坡的含水率、坡高、坡率均会对边坡的稳定产生影响，含水率在影响因素中最为敏感，当含水率超过26%后，安全系数会出现突降，因此在设计过程中，需要进行坡面防护的设定，进而使排水设备不断健全;

（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1.0m范围内的含水量具有显著作用，可有效防治溜塌、冲蚀、剥落等危害。

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，可利用跟管钻进工艺进行施工。

参考文献：

[1]  杨超.高速公路施工期边坡稳定性调查与防控措施[J].广东公路交通，2019（4）：81-84+102.

[2]  李世文.高速公路路堑高边坡稳定性分析及支护措施研究[J].公路工程，2018（5）：163-168.