顺层边坡稳定性分析及优化设计研究

贾鹏云

(山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030012)

1 工程概况

1.1 边坡概况

该深挖路段位于天镇—大同段高速公路K11+738。边坡最大高度48.3 m。路段位于构造剥蚀基岩中山区，该地形单元为大同盆地西部的阴山山系清凉山山脉,区内基岩大面积暴露,地势起伏很大,微地形以坝基岩性山嵴线和基岩冲沟为主，路线沿边山半坡展布，其范围内地面标高1 215.0～1 383.0 m，相对高差168.0 m。

1.2 工程地质条件

(1)地层岩性

②Q、Q地层岩性为卵石、粉土、碎石等，Q碎石和Q、Q卵石多呈灰褐色，主要颗粒成份为片麻岩和麻粒岩，强～弱风化，混合土充填，分布于沟谷底部；Q粉土为褐黄色，松散～稍密、稍湿，局部有轻度湿陷性，厚度2.0～8.0 m。

(2)地质构造

深挖路段地处内蒙断块之南缘，桑干河新裂陷北部，区内地质构造复杂。次级构造为云门山～清凉山块隆构造主体呈东西或北东东～南西西走向，延伸长度大于50 km以上，南部分别与天镇～阳高新裂陷，相对的新裂陷盆地隆升高度约300～500 m左右，地貌变化主要出现在基岩山岭，区内镶嵌有西洋河山间宽谷，地形起伏较大，沟堑纵横，地层主要为中晚太古代区域变质岩，各期侵入岩脉。根据收集的区内天镇、阳高、大同及区域地震资料，历史记录以来，项目区内共发生的5级以上地震次数有39次，其中最大地震发生于1986年10月18日，最大震级为6.1级，伴随5级以下余震共6 000余次。根据《中国地震动峰值加速度度区划图》分析，该段地震动峰值加速度为0.10 g，地震烈度为Ⅵ，场地稳定性稍差综合评价稳定性稍差。

(3)水文地质

根据地质调查，路段内冲沟无地表水存在，也未见泉水出露，大气降水为山体地下水主要补给源，但由于坡体较陡，植被极不发育，加之岩体风化程度较高，节理裂隙发育，使得地下水排泄通畅，未滞留在岩体上部，地下水的类型主要是基岩裂隙水，局部冲沟出现少量第四系潜水，地下水埋深变化较大，水文地质条件简单。

2 边坡稳定性分析

2.1 边坡模型的建立

该段边坡岩性主要为片麻岩，岩层产状为260°∠35°，路线走向174°，岩层视倾向与路堑左侧高边坡坡向一致，形成顺层边坡且岩层倾角较大。自然斜坡处于稳定状态，但是，在人工开挖活动作用及不同开挖角下局部将有可能发生滑移以及失稳。

选取代表性的K11+738段剖面进行计算。

根据上述几何形式，可以构建数值计算模型，其中计算模型中岩体是弹塑性材料，采用Mohr-couloumb屈服准则，片理面等结构面采用面接触的couloumb滑动模型。

2.2 计算方案

根据边坡开挖和治理设计的要求，对该顺层边坡采用两种方案进行计算。

①自然斜坡的稳定性计算

②不同放坡坡比下的稳定性计算，考虑地震烈度为Ⅵ，具体方案见表1。

表1 计算方案表

(1)计算参数选取

参数选取如下:岩体参数:密度=2.65 g·cm,=18 GPa,=9.6 GPa,粘聚力=350 kPa，摩擦角=45°。 结构面参数:=2 GPa/m,=1 GPa/m，粘聚力=5 kPa，摩擦角=30°。

(2)不同放坡角边坡稳定性分析结果见表2。

表2 不同放坡角稳定性计算结果表

2.3 边坡敏感性分析[2]

(1)片理面抗剪强度参数对边坡的稳定性影响敏感程度最大，其中，内摩擦角比内聚力对稳定性敏感程度反应更大。

(2)从地震烈度对边坡稳定性影响可以看出，地震烈度小于5时，变化缓慢，大于5，稳定性系数降低的明显。

(3)放坡角对稳定性的影响，在自重情况和考虑地震的情况下，随着开挖坡角的增大而降低，变化的趋势基本一致，大于55°边坡稳定系数降低且小于1。

(4)从岩体密度对边坡稳定性影响可以看出，稳定性系数随岩体密度增大而缓慢减小，岩体密度对稳定性的敏感程度最低。

(5)总之，就敏感性而言，片理面内摩擦角最大，岩体密度最小。其余介于中间。设计时要充分考虑放坡角对边坡稳定性的影响，为设计提供科学依据。

3 边坡优化设计及加固方案

3.1 最优坡角的确定

根据实际道路工程中的边坡样本统计的基础上，典型路堑边坡坡度统计值。

另外，在采矿、水电工程中，根据工程实践研究调查发现，对于120 m高的岩质边坡，总体坡角缓于55°可以稳定，对于16 m高的边坡，总体坡角应缓于53°。

边坡设计中涉及的因素很多，诸如开挖工程量和加固设计工程量以及占用土地量，工期等因素。其中，开挖坡角是最重要的问题。所谓的最优设计坡角，就是在保证边坡在正常服务期间保持安全稳定运营的前提下，实现开挖与加固最经济技术效益的最大边坡角度。因此，最优坡角的研究正是通过协调与边坡设计相关的系统各组成部分相互关联,以求得系统整体达到最佳状态的最大边坡角度。

最优坡角确定的原则。

首先，保证边坡在正常服务期间能够安全稳定运营，这是边坡设计的最根本的原则。其次，在满足稳定性要求外，在经济效益上，要注意考虑边坡的地形条件、施工方案、支护措施的对设计的影响。另外，要充分利用工程地质类比法对相似工程的借鉴和学习。除了定性分析外，要采用数学的统计等方法和定量计算总结出经验。

最优坡角的确定应该满足安全和经济两个目标。即:确定稳定状态下最优坡角和开挖支护状态下经济最优坡角。稳定最优坡角的确定基于两个方面:一、通过边坡稳定性分析，满足规范要求的最大坡角。二、根据岩体质量指标评分标准，引用边坡坡角与的关系。

综合考虑稳定最优坡角。经济最优坡角的确定，主要基于考虑开挖和支护费用的最优。

从开挖坡角的角度进行费用分析，开挖与加固两者是反比的关系，当两者之和为最小时，所对应的边坡角为经济最优坡角，即主要考虑开挖边坡的费用和加固支护的费用。

综上根据稳定最优坡角和经济开挖坡角，最后最优坡角确定为52°，即总体坡角为52°。根据工程地质类比法等相关规范也均满足。即坡度为1∶0.75。

3.2 加固方案的比选

对于该段边坡的防护，分别考虑以下四种方案进行比选，主要考虑技术、经济和施工工期等进方面，通过比选从中选出最优的防护和加固方案。

方案一：消坡加砌片石护坡。该方案在技术上比较可取，经济上，由于消坡治理边坡时，要将边坡坡角削至稍小于或等于岩层的内摩擦角，即:30°，坡面采用浆砌石层护面。但是，开挖量大，占地增加6.2亩，开挖工程规模增加12.3万方。

方案二：抗滑桩加浆砌片石护坡。抗滑桩是目前治理大型滑坡或边坡失稳的基本方式。该方案技术上可行，根据稳定性的分析边坡整体稳定，采用该方案处治过于保守，处治方案不经济合理，且工程施工工期长，工期延长3个月。

方案三：混凝土挡墙加浆砌片石护坡。挡墙主要是目前治理中小型滑坡较为有效的措施和方法。该段边坡为顺层边坡，通过稳定性分析知道，总体稳定不存在滑动的可能性，仅仅是局部岩体不稳，故挡墙的使用不合适。

方案四：锚杆加喷网支护。该方案是治理岩质滑坡以及边坡的有效方式。同上述其他方案和锚索加喷网支护相比技术可行、施作简单、快速等优点。

综上，该段边坡采用锚杆加喷网支护是一种经济、快捷、简便、可行的能够控制边坡坡面局部破坏的方案。

3.3 加固方案的设计

(1)总体加固方案

根据稳定性分析结果，该段边坡采用砂浆短锚杆，以锚为主，锚喷网结合的支护方案。

根据最优的总体开挖坡角，为了减少开挖以及加固工作量，按照类比法采用分层开挖与预裂爆破、锚喷(网)加固。

分层开挖后，采用低台阶水平开挖，台阶爆破采用预裂爆破，防治爆破对边坡的破坏与振动。

(2)支护参数选取

结合相近工程采用类比法进行设计。锚杆直径设计为25 mm(二级螺纹钢)，钻孔孔径为100 mm，砂浆强度M30。锚杆长为8 m。另外，钢筋网为φ10 mm，网格为20 cm×20 cm，喷混凝土C20的厚度为15 cm。

4 结 论

(1)片理面抗剪强度参数对边坡的稳定性影响敏感程度最大，其中，内摩擦角比内聚力对稳定性敏感程度反应更大。就敏感性而言，片理面内摩擦角最大，岩体密度最小,其余介于中间。

(2)优化设计来讲，经过稳定坡角和经济坡角的比选，结合工程地质类比经验，最后选择52°为最优坡角。

(3)边坡的设计是一个信息化的过程，通过勘察阶段和施工阶段两个阶段获取更多的信息及时反馈、调整设计方案进行优化设计，开展信息化施工，对于工程建设不仅可以降低成本，同时，对边坡治理也能达到更合理的目的。

(4)综上数值模拟分析结合工程实例研究表明，对顺层边坡稳定性分析过程中，参数选取而已，岩层倾角、层面内摩擦角、粘聚力等的合理选择显得尤为重要。结合边坡加固支护来讲，要选择合理坡角、降低坡高，同时要提高滑面的、值。