高速公路高填深挖路基边坡稳定性分析

姚晋勇

（山西路桥第三工程有限公司，山西 太原 034000）

引言

高速公路修建过程中经常会遇到填方和挖方段，尤其在西南山区，高填方和深挖路堑等更为常见，而高填深挖形成的边坡在一定条件下容易产生失稳，加大施工难度。近年来，国内学者对高填深挖路基边坡稳定性进行了一些研究。官文龙和孙德荣［1-2］以某高速公路施工为研究对象，通过对多数的高填深挖路基边坡进行分析，发现其在降雨过程中非常容易出现滑塌和充刷破坏等现象，施工过程中应该采用一定的加固手段进行边坡加固，并做好日常监测工作。李银兵和魏增智［3-4］给出了常见高填深挖边坡的破坏形式，并介绍了边坡稳定性分析方法，最终结合某工程实例对高填深挖路基边坡进行了稳定性分析，分析结果可为边坡加固提供一定的参考和借鉴。何福道和李金锋［5-6］通过分析高速公路路基边坡，提出了可以采取合理的边坡加固措施，比如扩大种植面积以及设计骨架、框架梁等边坡加固措施来加固边坡，从而使边坡保持正常的稳定性。赵江峰和赵东山［7-8］介绍了高速公路填方和深挖地段较多的特点，为了保证边坡在运营期间不发生稳定性破坏，在工程中应对土质特性以及水文气候条件进行调查，设计合理的加固措施，减少事故的发生。

1 高填深挖路基边坡破坏形式分析

高速公路高填深挖路基边坡的稳定性与很多因素有关，可以分为外部因素和内部因素两大类。外部因素主要包括外界工程荷载、风化、气候、地震以及人为扰动等，而内部因素包括土体岩性、地质条件、水质类型以及边坡外部特征等，内部因素是决定边坡稳定性最主要的因素。根据以往的工程经验和现有的研究成果，高速公路高填和深挖边坡一般较陡且施工规模较大，容易发生沉降变形且变形量一般较大，由此引起的边坡破坏形式也比较多，常见的有崩塌、滑坡以及整体倾倒等。根据滑坡不同的坡面破坏形式，可分为圆弧形滑坡、平面滑坡、楔形滑坡以及坍塌等。为了保证高填深挖路基边坡的稳定性，要求施工企业在施工前做好相关的专项施工和监测方案，施工过程中科学地采用边坡加固措施，并实时分析监测到的相关数据。

2 高填深挖路基边坡稳定性分析方法

对高填深挖路基边坡进行稳定性分析具有重要的工程意义，不仅可以预测现状边坡的稳定性，还可以为后续边坡的加固提供依据。目前，常见的边坡稳定性分析方法有两种，分别是极限平衡分析法和数值分析法。

2.1 极限平衡分析方法

极限平衡分析法在工程中非常常用，主要是采用力学平衡分析的方法，计算边坡可能的滑动面，并最终求得边坡安全系数。该方法的关键之处在于对滑坡面形态的分析以及滑坡范围的分析，常见的分析原理和方法也有很多，比如简布法、毕绍普法等，这些方法由于原理直观，计算简便，在以往的工程中得到了广泛的应用。

2.2 数值分析方法

随着计算机科学的不断发展，数值分析方法应运而生，主要包括有限单元法、有限差分法、离散元法等。其中有限单元法的应用最为广泛，优点是可以考虑边坡土体的不均匀和不连续性，比较准确地反映实际工况，并从应力应变角度分析边坡的各种破坏，但也存在对数据要求较高，需要保证原始数据准确性的缺陷。

离散元法能够有效地补充有限单元法带来的缺陷，较为直观地显示出岩土体的速度场、位移场等边坡，比较适合离散型岩土质（即块裂介质）的变形问题，同时，该种方法也有缺陷，即计算过程中的时步较小，相关系数难以确定。

综上，采用数值分析方法可以改变以往不能观察边坡破坏过程的弊端，但也需要花费一定的时间和精力来进行模型建立、参数验算等，同时也对操作人员的专业性提出了较高要求。工程中应该合理地结合极限平衡法和数值分析法，相互对比、相互验证，确保计算结果的可靠性和正确性。

3 工程实例

3.1 工程概况

青兰国家高速长治至延安联络线（G2211）山西境黎城至霍州段，起点桩号K60+900 位于沁县新店镇南底水村，终点桩号K82+900 位于沁县故县镇连家沟村。全线路基长22 km，主线采用双向四车道高速公路标准建设，设计速度为80 km/h，路基设计宽度25.5 m。全线设大中桥3 286 m/10座，天桥390.8 m/5座，匝道现浇桥108 m/1 座。钢波纹管涵2 104.2 m/31 道，盖板涵845.75 m/17 道，箱型通道99.88/3 道，盖板通道157.27/4 道。多处路段需要高填方和深挖方，其中路基挖方461 万立方米，路基填方355.6 万立方米。

3.2 自然条件及施工环境

3.2.1 地形和地貌

项目区属丘陵山区，地势西高东低，平均海拔1 000 m，最低点（南池乡二神口）海拔916 m。区内沟岔纵横，土质肥沃，森林茂盛，地形复杂。

3.2.2 气象和水文

项目区隶属暖温带大陆性季风气候，四季分明，春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽湿润，冬季寒冷少雪。据多年气象观测资料统计，无霜期170 多天，年平均气温为8.9 ℃。年平均相对湿度为65%，年平均降水量为592.9 mm。气候特点为春旱夏秋多雨。最大冻土深度约80 cm。

3.3 极限平衡分析

K56+820 断面右侧路堑断面见图1，采用极限平衡法进行计算，边坡高度为46.12 m，结构面倾角为28.0°采用锚杆加固，结构面内摩擦角以及黏聚力分别为24.2°和32.2 kPa。采用理正软件进行计算，采用极限平衡法里面的圆弧滑动面搜索法，计算得到边坡安全系数为1.201，大于1.2，说明该边坡处于稳定状态。

图1 右侧路堑断面/m

3.4 数值分析

采用有限元软件ABAQUS 建模进行分析，见图2。路堑边坡为五级边坡，模型整体高90 m，宽度为200 m，从上至下土质依次为强风化粉砂岩和中风化粉砂岩。本模型均采用摩尔-库伦本构模型，且除模型上表面以外，其他边界均进行位移约束，采用锚杆加固，锚杆尺寸为16×1 000 mm2。表1 为天然状态下土体的物理力学参数和锚杆参数。

图2 数值模型

表1 土体的物理力学参数和锚杆性能

采用锚杆加固后开挖完成后的塑性区云图见图3，可知，此时存在贯通的画面，边坡处于临界状态，计算得到的安全系数为1.083，施工过程中仍要加强支护才能保证边坡的稳定性。

图3 开挖完成后的塑性区云图

3.5 加固措施

由于路堑深度较大，边坡级数较多且坡度大，其稳定性较差，尤其在降雨情况下更差。因此，可以采用对第一和第二级边坡采用混凝土框架植草加固防护，第三和第四级边坡采用锚杆框架梁进行加固，顶级边坡采用挂网植草的护坡方式。

4 结语

（1）施工企业在施工前做好相关的专项施工和监测方案，施工过程中科学地采用边坡加固措施，并实时分析监测到的相关数据。（2）工程中应该合理地结合极限平衡法和数值分析法，相互对比、相互验证，确保计算结果的可靠性和正确性。（3）对于多级路堑边坡，可以对第一和第二级边坡采用混凝土框架植草加固防护，第三和第四级边坡采用锚杆框架梁进行加固，顶级边坡采用挂网植草的护坡方式。