路堑高边坡工程加固方案优化及稳定性评估

万茂青

(保利长大工程有限公司 广州 510000)

引言

近些年来，我国的基础设施建设得到快速发展，高速公路建设逐渐向山区延伸，促进了山区经济的有效增长，改善了当地居民的出行条件。但是，在山区建设公路工程，遇到的边坡稳定性问题也在逐渐增多，实际工程中的滑带土具有埋藏深、不宜准确定位、取样难度大、取样扰动大等特性，往往很难通过现场试验获得准确的岩体强度参数，因此，需要结合工程实际特点，采用相应手段来获取岩土体的抗剪强度参数，才能对边坡的加固设计提供有效的数据支撑[1,2]。

高边坡的稳定性与岩土体的物理力学行为、自然环境因素以及工程加固措施息息相关，针对不同种类的岩土体，需要采取适合的工程加固方案[3,4]，在特殊工况下的边坡稳定性也需要做特殊考虑，因此，高边坡的加固和稳定性问题是一个复杂问题，需要根据具体工程实际情况做具体分析[5-7]。本文结合广东某丘陵山地路堑高边坡加固工程，在前人研究理论和工程实践经验基础上，对该高边坡加固工程加固方案优化前后的稳定性问题进行了评估分析，以期能为类似高边坡工程的设计施工提供借鉴。

1 工程概况

兴宁至汕尾高速公路五华至陆河段项目起于梅州市五华县安流镇(K38+800)，设石下枢纽互通连接兴宁至汕尾高速公路兴宁至五华段，经梅州市五华县棉洋镇、桥江镇和揭阳市揭西县上砂镇、五云镇，终于汕尾市陆河县水唇镇(K87+000.506)，设章塘枢纽互通与潮惠高速公路相接，项目路线全长48.21km，主线采用双向四车道高速公路标准，设计速度100km/h，整体式路基宽26m。K47+320～K47+430段路堑右侧边坡长110m，最大坡高62m。路堑开挖段主要位于低缓丘陵地貌区，地面起伏较大，地面标高17～81m，自然坡脚约为40°，地表植被茂密，现有公路周边多房屋、树林，部分地段分布鱼塘。受北东、北北东和北西向构造带的控制，该区形成了近南北方向展布的低山丘陵的地貌组合。

项目区多年平均气温为21.8℃，受海洋气流调节，冬季气候变化缓和，多年平均相对湿度为83%，多年平均蒸发量为1448.1mm，多年平均降雨量为2124mm。根据地质勘探报告，边坡主要为第四系坡残积粉质黏土和石炭系、泥盘系粉砂岩及其风化层组成，从上往下地层依次为Qdl粉质黏土、Qel粉质黏土、D3m强风化粉砂岩、D3m强风化夹中风化粉砂岩、D3m中风化粉砂岩，以及D3m微风化粉砂岩，粉砂岩节理裂隙发育，多呈“X”型分布，岩层倾向为111°～121°，倾角为36°～44°，路堑边坡开挖面倾向约120°。边坡不同地层物理力学参数见表1。

表1 边坡土层形状及其分布情况

2 边坡设计方案及其稳定性分析

2.1 设计方案

由于该段边坡最大坡高为62m，故设计为6级高边坡，每一级高边坡高度约为10m，其中：第1、2级高边坡的坡率为1∶0.75，第3、4、5级高边坡的坡率为1∶1，第6级高边坡的坡率为1∶1.2，相邻两级高边坡之间的平台宽度均为2m，边坡最高处有一座电网输电电塔。第1级高边坡采用4排锚杆框梁加固，锚杆长度为8m，设计抗拔力大小为60kN；第2、3、4级高边坡采用3排预应力锚索框架梁进行加固，锚索的长度大小分别为20m、22m、24m，每排的锚固长度均为10m，设计抗拔力大小为400kN；第5、6级高边坡采用框架植草防护进行加固。边坡加固设计方案见图1。

图1 边坡加固设计方案

2.2 有限元模型

利用ABAQUS有限元分析软件建立边坡数值分析模型，岩体结构采用四面体 CPE4单元和三角形 CPE3单元进行网格划分，锚杆和锚索采用T2D2 单元进行网格划分，并采用EMBEED 功能将锚杆和锚索嵌入坡体，整个模型共包括3878个网格单元和3348个节点，见图2。模型底部为固定边界，同时对模型左右两侧进行水平约束，模型上部为自由边界，边坡土体初始地应力为岩体自重应力，将坡顶竖向位移及坡脚水平位移速率发生突变作为边坡失稳的判别依据[8]。

图2 数值分析模型

模型分析过程中采用Mohr-Coulomb 准则，并利用强度折减法对岩土体强度参数进行修正。根据数值分析情况与特征点监测成果，确定自然条件下初始强度参数的强度折减系数为0.95；根据众多研究表明，饱水条件黏聚力仅为自然状态下的35%～55%，内摩擦角仅为自然状态下的75%～82%，结合现场岩土体的风化程度和节理裂隙发育情况，将降雨条件下的边坡内聚力定为反演参数的46%，内摩擦角定为反演参数的79%[9,10]；预应力锚索的弹性模量取值为1.95×106MPa，泊松比为0.3，重度为78kN·m-3，初始预应力大小为400MPa，锚杆的弹性模量取值为2.10×106MPa，泊松比为0.3，重度为78kN·m-3。不同情景下岩土体的强度参数情况见表2。

表2 不同情景下岩土体强度参数取值情况

2.3 稳定性分析

数值模拟分析得到的自然和降雨饱水状态下的边坡稳定性情况见图4。从图中可以看到：自然工况下，边坡塑性应变分布区较小，降雨饱水工况下，边坡的塑性应变分布区明显增大，特别是3～6级高边坡处的塑性应变区增加较大，安全系数从自然状态下的1.25下降至降雨饱水状态下的1.08，表明边坡处于危险状态，而且不管是自然工况还是降雨饱水工况，各级边坡的加固锚杆和锚索均未穿过最危险的塑性应变区，因此无法为边坡提供足够有效的锚固抗滑力，边坡很容易发生失稳，故而需要对边坡加固方案进行优化调整。

图3 边坡加固方案下塑性应变分布情况

3 加固方案优化设计及稳定性分析

3.1 方案调整设计

造成边坡失稳的主要因素在于粉砂岩遇水后强度显著降低，导致原边坡加固方案在降雨饱水工况下的安全系数较低，同时加固锚杆和锚索未对塑性应变区起到加固作用，因而边坡在持续降雨下易出现滑塌现象。为此，需要在综合考虑工期、安全、造价以及耐久性等因素基础上，结合支档工程、排水工程的治理措施，提出如下滑坡加固优化方案：

(1)将原设计方案的6级高边坡加固方案改为7级高边坡加固方案，其中：第1级高边坡的坡率为1∶1，第2、3级高边坡的坡率为1∶1.25，第4、5级高边坡的坡率为1∶1.5，第6、7级高边坡的坡率为1∶1.75，每级高边坡坡高均为10m左右；

(2)分别在第2级和第4级高边坡坡顶设置8m和14m宽的平台，其余各级边坡平台宽度均为2m；

(3)1级边坡视情况采用3排预应力锚索框梁(RRK4+320～RRK4+370段)或4排锚杆格梁(RRK4+370～RRK4+430)进行加固，锚索和锚杆长度分别为18m(锚固长度为10m)和11.5m；在一级边坡坡脚上1m处设置一排孔径为13cm、长为20m、仰角为6°、间距为6m的仰斜排水孔，并在排水孔内填充硬式透水管。

(4)第2、3级边坡与1级边坡加固方案相似，只是锚索和锚杆长度分别为22m(锚固长度为10m)和11.5m。

(5)4级高边坡采用6cm客土喷播进行防护。

(6)5级高边坡采用3排预应力锚索框梁进行加固，锚索长度为22m(锚固长度为10m)。

(7)第6、7级边坡均采用三维网植草进行防护。

(8)各级边坡锚索设计预应力大小为400kN，锚固角度大小为25°；各级边坡锚杆设计抗拔力大小为120 kN，锚固角度大小为20°。

(9)迁移原坡顶处的输电电塔，将坡口线向堑顶后缘延伸形成反坡，降低降雨工况对高边坡的稳定性影响。

3.2 稳定性分析

同理，采用数值模拟方式对加固方案优化后的边坡稳定性进行分析，结果见图4。从图中可以看到，经优化加固方案后，边坡的塑性应变区向坡面处靠近，且塑性应变区的面积及应变量均较优化前有较大幅度降低，特别是当边坡处于降雨工况下时，边坡塑性应变区面积和位移变形量增幅均较小(降雨工况下最大边坡位移量小于6mm)，这主要得益于预应力锚索和锚杆的锚固长度均穿过了潜在危险区，使得滑移带得到有效加固，从而提升边坡的安全稳定性，在自然和降雨工况下的边坡安全系数分别达到1.43和1.21，边坡均处于稳定状态，表明优化设计后的路堑高边坡工程加固方案合理可行。

图4 边坡优化加固方案下塑性应变分布情况

4 结论

本文基于兴宁至汕尾高速公路五华至陆河段某路堑高边坡加固工程为例，采用理论分析+数值模拟的方式对该高边坡工程的加固方案进行探讨，结果表明：(1)原设计6级高边坡加固方案下，边坡在自然和降雨饱水工况下的安全系数分别为1.25和1.08，预应力锚索和锚杆未对边坡滑移带起到明显的加固作用；(2)对原设计方案进行优化，将6级高边坡加固方案调整为7级高边坡加固方案，结合支挡工程和排水工程措施，同时放缓边坡坡度，将坡口线向堑顶后缘延伸形成反坡；(3)调整优化过后的边坡在自然和降雨饱水工况下的安全系数分别为1.43和1.21，边坡均处于稳定状态，表明优化设计后的路堑高边坡工程加固方案合理可行。