贵州省余庆至凯里高速公路某边坡支护方案优化研究

李 政，陈开圣，郭长勋

(1.贵州高速公路集团有限公司，贵州 贵阳 550001；2.贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025；3.贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳 550008)

边坡因长期受日晒雨淋、坡面雨水冲刷等影响，坡体失稳，局部发生垮塌现象，有必要对其进行加固支护。如：彭远煌[1]采用锚杆对S230省道路旁边坡进行支护，支护效果显著；周斌[2]对东坪古滑坡采取抗滑桩及预应力锚索联合加固，也取得了良好效果；吕群财[3]将自旋锚管+钢丝网+喷射混凝土支护技术运用到汝郴高速公路危边坡的加固中，同样取得了显著效果。支护方案的优劣往往对公路边坡的设计好坏起决定性作用，如何选择一个经济合理的支护方案显得尤为重要。在保证安全的前提下，设计最经济、最合理的支护方案就能使该工程的修筑工作安全顺利地开展并减少工期，为社会带来良好的经济效益。边坡的支护方案多种多样，但针对喀斯特地区边坡支护方案的优化研究仍然较少。因此，本文对余凯高速公路某边坡的稳定性及支护方案的优化开展研究，从工程造价、环境条件、施工技术、工期等方面，对挡土墙支护、抗滑桩支护、锚索框架梁支护及挡土墙-喷射混凝土-锚索框架梁联合支护4种支护方案，遴选出最优方案。

1 工程概况

边坡位于贵州省余庆至凯里高速公路，全长300 m，坡高59.04 m，坡宽56.02 m，综合坡率1∶0.53，为岩土混合坡，岩石部分为反向坡(图1)。边坡已完工并使用6年之久，因坡面长期受日晒雨淋、坡面雨水冲刷及锚索自身预应力损失等影响，坡体失稳。1号边坡土体在边坡修建之后局部发生过垮塌现象(图2)。边坡范围岩土由硬塑红黏土、碎石杂黏土、强风化泥灰岩、中风化泥灰岩构成。地层岩性及地质构造：①土层为碎石杂黏土(Qel+dl)，主要为泥灰岩风化而成，黄色、黄褐色，含有许多强风化岩残块，结构较松散，呈硬塑状态，层厚0.80～1.90 m。②基岩层为志留系高寨田群(Sgz)泥灰岩，伏于第四系土层之下。岩层总体倾向南，产状260°∠48°，张开度3～5 mm，层面岩屑充填，结合程度差。受断层作用的影响，边坡主要发育有两组节理：第一组节理J1产状为102°∠49°，张开度5～20 mm，表面平直，无胶结，结合程度差，约0.2 m发育一条，连通性好；第二组节理J2产状为35°∠88°，岩屑或岩屑夹泥质充填，结合程度差，约0.5 m发育一条。

图1 边坡剖面图Fig.1 Slope section

图2 边坡垮塌照片Fig.2 Slope collapse photos

2 边坡稳定性分析

1号边坡所在区域岩石类型主要为泥灰岩，上覆硬塑红黏土、碎石杂黏土。整个边坡岩层倾向与边坡坡向相反，形成岩质反向边坡，岩层层面对边坡的稳定性不起控制性作用。节理J2与边坡坡向相切(交角大于35°)，未构成优势结构面，对边坡的稳定性影响甚微，不起控制性作用；节理J1与边坡坡向相同(交角小于35°)，构成顺向优势结构面，岩石层无黏聚力，可能产生直线滑动(无拉裂缝的单平面滑动)破坏。

据上述节理分析，岩体单元可能发生直线滑动，故采用直线滑动计算公式分析其稳定性，在分析计算中假设：

(1)计算中所有力均作用在滑体重心，滑体仅沿滑动面滑动；

(2)滑动面抗剪强度遵循摩尔-库伦准则，其大小由黏聚力和摩擦角确定。

(3)假设滑动面无水。

边坡直线滑动受力及计算模型如图3所示。

根据摩尔-库伦准则，有

R=Q·cosω·tanφ+cL。

(1)

直线滑动稳定性计算公式：

(2)

式中：Fs为边坡的安全系数；R为滑体所具有的抗滑力；T为滑体所受下滑力；N为滑动面的法向分力；f为摩擦系数，f=tanφ；c为滑动面上的黏聚力；L为滑动面长度；Q为滑体的重力；ω为滑动面的倾角。

根据重度与重力的关系有：

Q=γ·V。

通过改善设施结构，不断更新品种，认真执行无公害蔬菜生产技术规程等综合配套技术的推广与应用，大幅度提高保护地生产效益，推动保护地建设的发展，保证农民收入持续稳定提高。

(3)

式中：γ为滑体的天然重度，V为滑体的体积。

将式(3)代入式(2)，有

(4)

根据该边坡的环境地质条件，边坡体中风化岩层部分可能沿顺向优势结构面发生直线滑动破坏。选取K11+220断面中风化岩层部分为计算剖面，根据勘察报告，将参数c=50 kPa，φ=18°，ω=49°，L=71.9 m，Q=7 211 kN代入式(2)—(4)，得安全系数Fs=0.94，不符合规范要求，边坡处于不稳定状态。

3 支护方案

(1)挡土墙支护：挡土墙采用浆砌块石砌筑约10 m，形式为仰斜式。该方案挡土墙截面尺寸及相关数据如图4所示。

图4 挡土墙示意图Fig.4 Schematic diagram of retaining wall

(2)抗滑桩支护：抗滑桩采用混凝土灌注桩。根据《抗滑桩治理工程设计规范》，设置桩径2.5 m×4m，桩长35m，桩身采用C30混凝土浇筑，桩净间距3 m，桩内纵向受拉钢筋选用HRB400钢筋。陈冲等[4]对抗滑桩加固边坡稳定性分析的研究结果表明，抗滑桩设置在边坡中部时稳定系数最大。据此，在边坡中部设桩。抗滑桩截面尺寸及相关数据如图5所示。

(3)锚索框架梁支护：每级边坡采用3 m×3 m锚索框架梁支护，共设置18排锚索，框架梁结构总高度约48 m，框架梁采用C30混凝土浇筑(图6、图7)。每根锚索采用6根直径为26 mm钢绞线，锚索长度从第五级至第一级依次为32、28、24、20、16 m。

图5 抗滑桩示意图Fig.5 Schematic diagram of anti-slide pile

图6 框架梁示意图Fig.6 Schematic diagram of frame beam

图7 锚索示意图Fig.7 Schematic diagram of anchor cable

(4)挡土墙-喷射混凝土-锚索框架梁联合支护：挡土墙部分采用浆砌块石仰斜式挡土墙，墙高5 m。该方案挡土墙截面尺寸及相关数据如图8所示。坡面喷射C15混凝土，厚度0.15 m，锚索框架梁与方案3相同。

图8 方案4中挡土墙示意图Fig.8 Schematic diagram of the retaining wall in scheme four

4 数值模拟

4.1 参数选取

根据勘察报告可知，边坡坡体物质组成主要为碎石杂黏土、硬塑红黏土及中风化泥灰岩、强风化泥灰岩，各岩土层如图9所示。表1、表2为边坡岩土体各项参数及各支护方案计算参数。

图9 1号边坡岩土层类型Fig.9 Slope No. 1 rock and soil layer profile

表1 边坡岩体物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of slope rock mass

表2 各支护结构物理力学参数Tab.2 Physical and mechanical parameters of each supporting structure

4.2 雨量设置

根据中央气象台官网提供的凯里市降雨数据，绘制2019年6月凯里市日降雨量及降雨时间柱状图(图10)。由图10可知，2019年6月降水量较多，最高为54.3 mm/d。因此，在数值模拟分析中设置降雨强度为54.3 mm/d，降雨时间12 h。

4.3 建立模型

在CAD中绘制边坡轮廓线，将边坡的几何模型导入有限元程序中，采用三角形+四边形单元划分网格建立边坡模型，采用摩尔-库伦本构模型计算。锚索属性采用1D桁架单元，施加预应力600 kN，框架梁属性采用1D梁单元；坡面喷射混凝土属性采用2D板单元，通过二维析取功能建模；挡土墙和抗滑桩均采用三维实体结构单元。有限元模型的建立按照最右端与坡脚相距1.5倍坡高，最左端与坡顶相距2.5倍坡高，顶部与底部相距2倍坡高的比例[5]建立。

图10 2019年6月凯里市日降雨量及降雨时间Fig.10 Daily rainfall time and rainfall histogram of Kaili City in June 2019

图11 各支护方案有限元网格模型Fig.11 The finite element grid model of each support scheme

4.4 边界条件

各支护方案边坡模型的边界条件均为：边坡背面设置滑动铰支座限制其x方向位移，左右两侧设置滑动铰支座限制其y方向位移，模型底端采用固定铰支座限制其水平和竖直方向位移[6]。图11为各支护方案网格模型及边界条件。

4.5 结果分析

各支护方案的最大位移和稳定系数见表3。各支护方案的位移云图和塑性区云图如图12～15所示。各支护方案的剪应力云图如图16所示。

由表3可知，挡土墙-喷射混凝土-锚索框架梁联合支护方案对坡体综合位移限制最大，稳定性提升较多，边坡稳定系数显著增加，支护效果最佳。

表3 各支护方案最大位移和稳定系数Tab.3 Maximum displacement andstability coefficient under each support scheme

由图12～15可知，各支护方式对坡体变形支护效果显著程度为：挡土墙-喷射混凝土-锚索框架梁联合支护>锚索框架梁支护>挡土墙支护>抗滑桩支护。在坡体土层与岩层交界的位置形成了滑动带，若继续放任其自由发展，边坡不能保持稳定。通过一定的手段加固治理变得很有必要。采用挡土墙支护方案后，塑性变形区面积及连通性略有减小。说明设挡土墙在一定程度上抑制了土体的变形，边坡稳定性有所提高，但效果甚微。采用抗滑桩支护方案后，塑性变形区被抗滑桩“拦腰截断”分割成两个独立的部分，潜在滑面由边坡深部向浅部发展，桩后土体和抗滑桩发生脱离，桩顶发生了较大变形。说明设桩能够抑制桩后坡体的变形，但桩前坡体内部仍然形成了贯通的塑性剪切带，对提高边坡稳定系数并不明显。采用锚索框架梁支护方案后，塑性变形区面积及连通性显著减小，塑性变形主要分布在坡面框架梁处，且坡脚处塑性区未贯通，支护效果较明显。采用挡土墙-喷射混凝土-锚索框架梁联合支护方案后，塑性变形区范围及连通性大幅度减小。说明在联合支护作用下，由于锚索框架梁的作用，将临空面的碎石杂黏土层和红黏土层连接到了一起，减弱了土层对边坡的不利作用，使得表层力有效地传递到了深层岩体，边坡表面的位移变化得到了极大程度的控制。在此基础上结合挡墙压脚的作用，让二者的加固效果得以充分展示，极大提高了边坡的稳定性。

图12 挡土墙支护位移和塑性区云图Fig.12 Cloud image of displacement and plastic zone of retaining wall support

图13 抗滑桩支护位移和塑性区云图Fig.13 Cloud image of displacement and plastic zone of anti-slide pile support

图14 锚索框架梁支护位移和塑性区云图Fig.14 Cloud image of displacement and plastic zone of anchor cable frame beam support

图15 挡土墙-喷射混凝土-锚索框架梁联合支护位移和塑性区云图Fig.15 Cloud image of displacement and plastic zone of retaining wall-shotcrete-anchor cable frame beam combined support

由图16可以看出，各支护方式对坡体剪应力影响效果显著程度为：挡土墙-喷射混凝土-锚索框架梁联合支护>抗滑桩支护>挡土墙支护>锚索框架梁支护。在坡脚处应力集中，形成向坡外剪出的应力曲线，边坡发生剪切破坏。采用挡土墙支护方案后，坡脚挡土墙处应力集中，剪应力最大。在挡土墙底部位置，剪应力轨迹向坡里偏转，没有形成向坡外剪出的圆弧状剪应力线。采用抗滑桩支护方案后，剪应力曲线在抗滑桩底部向坡里转折，随后再向坡外转折，形成一个“泡状”凹槽。表明抗滑桩底部附近坡体剪应力增大，抗滑桩的修筑使得滑体由于产生下滑趋势而生成的向下推力传递至滑动面以下的坚固岩层。利用稳定岩层被动抗力来平衡滑坡体的推力，整体上提高了边坡的稳定性，防止坡体因受过大剪切作用而滑塌。采用锚索框架梁支护后，坡脚处无任何支挡结构，出现应力集中，易发生剪切破坏。土层剪应力轨迹已经无法形成连续的向坡外剪出的圆弧状曲线，岩层最大剪应力仍均匀地向坡体深处过渡。这是因为岩体的物理力学性质较好，锚索对岩体层加固效果不明显；而对于土层，锚索加固提高了土层的强度和自稳能力，效果较显著。采用挡土墙-喷射混凝土-锚索框架梁联合支护方案后，坡体内剪应力均显著降低，挡土墙处剪应力集中，剪应力曲线向边坡内部弯折，未形成圆弧状剪应力曲线。说明锚索框架梁和挡土墙的协同作用，有效降低了坡体内剪应力大小，且坡脚处有支挡结构承受坡体内传来的推力，从而降低了坡体发生剪切破坏并从坡脚滑出的可能。

5 其它分析

在进行边坡支护方式的选择时，除了考虑支挡构筑物对边坡的支护效果外，还需要考虑经济、施工技术、环境、工期以及适用条件选择支护结构形式或者选择有效的组合形式。各支护方案的影响指标的对比如表4所示。

由表4可知：

表4 边坡支护方案比较Tab.4 Comparison of slope support schemes

(1)经济方面：工程总造价排序为挡土墙-喷射混凝土-锚索框架梁联合支护>锚索框架梁支护>抗滑桩支护>挡土墙支护。

(2)施工技术方面：挡土墙支护施工难度最小；抗滑桩加固边坡时施工难度较大；锚索框架梁施工难度较大；挡土墙-喷射混凝土-锚索框架梁联合支护结合了3种支护结构，其施工难度最大。

图16 各支护方案下的剪应力云图Fig.16 Shear stress cloud image of each support scheme

(3)环境方面：挡土墙支护对环境的破坏较小，但由于该边坡属于高边坡，修筑高大挡土墙，与周围环境协调性较差。抗滑桩支护对环境的破坏较大，且无法进行绿化。锚索框架梁支护对环境的破坏比抗滑桩支护大，但可绿化，与环境相协调[7]。挡土墙-喷射混凝土-锚索框架梁联合支护对环境的破坏最大，但坡面可绿化。

(4)工期方面：挡土墙支护最快，抗滑桩支护较快，锚索框架梁支护较慢，挡土墙-喷射混凝土-锚索框架梁联合支护最慢。

(5)适用条件方面：1号边坡高度超过8 m，且土体部分土质呈硬塑状态。因此，挡土墙支护不适用于该边坡，其他支护方式对于该边坡的适用程度为挡土墙-喷射混凝土-锚索框架梁联合支护>锚索框架梁支护>抗滑桩支护。

6 结论

对贵州省余庆至凯里高速公路某边坡拟采用挡土墙支护、抗滑桩支护、锚索框架梁支护及挡土墙-喷射混凝土-锚索框架梁联合支护4种支护方案进行对比分析，以稳定性作为优先考虑的第一要素，综合比较经济、施工技术、环境、工期及适用条件等因素。结果表明：挡土墙-喷射混凝土-锚索框架梁联合支护稳定系数最高，支护效果最佳。虽然挡土墙-喷射混凝土-锚索框架梁联合支护在经济、工期方面不如其他3种支护方案，但是其在修筑后能够最大化地恢复生态环境，使支护后的边坡环境与周围环境相融合；因此，该方案为最优方案。