公路路堑高边坡稳定性分析及防护措施研究

秦海燕

(甘肃省甘南公路事业发展中心舟曲公路段，甘肃 甘南 747000)

0 引 言

在人类工程和经济活动中，边坡扮演着重要的角色，是一种较为广泛的地质地貌环境，按成因分类可分为人工边坡和自然边坡。边坡通常会在某些自然因素以及人为的扰动的作用下而产生失稳破坏，常见的破坏形式有滑坡、崩塌以及泥石流等。边坡的失稳破坏对人员生命安全以及财产威胁巨大，严重时还有可能引发一系列的地质灾害[1,2]。随着人类活动涉及到的空间不断延伸，各类工程规模迅速增大，工程中所遇到的边坡种类也越来越多，边坡稳定性问题也变得越来越突出。

边坡稳定性分析是土木工程领域重要的研究方向，边坡工程涉及的建筑、桥梁、道路等众多领域，对边坡稳定性评价结果的正确与否和边坡工程项目质量紧密联系。为了安全和科学的指导实际项目顺利进行，需要对工程边坡进行准确的稳定性分析和评价。如果对边坡稳定性分析不够准确，甚至边坡分析得出了错误的结论，不仅会影响到工程质量，甚至有可能引发工程事故，造成重大经济损失[3,4]。边坡失稳破坏产生的危害都是灾难性的，所以准确的边坡稳定性分析方法对工程项目有着极为重大的影响。

1 边坡稳定性的分析方法

边坡稳定性分析和评价通常可分为以下两大类：(1)定性的分析方法。定性分析主要包括自然历史分析、工程地质类比法、图解法、边坡分析专家系统。(2)定量的分析方法。定量的分析方法是基于某种假设，按一定的原则，计算得出安全系数，最后根据该系数对边坡进行综合稳定分析和评价。本文主要采用定量分析的方法来完成具体边坡的稳定性分析，指导边坡支护防护措施设计。

通过理论和实际研究，边坡工程的定量分析方法一般可以运用常规的极限平衡法以及基于有限元分析的强度折减法。由诸多学者的研究和笔者实际工程检验，基于极限平衡法计算的边坡稳定性系数较有限元强度折减法计算的结果相对更加保守，所以本文边坡稳定性分析采用极限平衡法[5-7]。

极限平衡法在边坡稳定性分析中应用较为广泛，基于快速高效的计算原则，土质边坡大多采用圆弧法法，它的核心原理是将滑动的岩土体条划分为一系列的单个土条，然后对所划分的土条进行受力分析，通过简单的公式计算就可以得出边坡的稳定安全系数。选择合适范围的滑体和滑面的形态进行分析研究是极限平衡法的关键所在，然后选择合理准确的滑面计算参数，进而就可以分析研究滑体上附加的各种荷载[8,9]。基于这种核心思想的理论分析方法很多，比如简化Bishop法、Janbu法以及Sarma法等。

1.1 简化Bishop法

简化Bishop法是一种适合弧形滑动的边坡稳定性分析方法，相对Fellenius条分法改进了条分法的计算精度，计算的安全系数也更符合实际，在公路工程中常常被采用。

经过一系列的推导得出Bishop法计算边坡安全系数的公式如下

(1)

式中：Fs为边坡安全系数；ci为黏聚力；bi为宽度；ui为孔隙水压力；Wi为自重；φ为滑面摩擦角；αi圆弧底面倾角；R为圆弧滑面半径；Qi为作用力；ei为圆弧底面剪力。

1.2 Janbu法

Janbu法是用来分析松散均质边坡中，受基岩面限制而产生两端弧形、中间位平面或折线的符合破坏面滑动的稳定性分析方法。

1.3 Sarma法

Sarma分析法具有更真实的模拟滑坡力学分析能力，可适用于评价何种破坏模式下的边坡稳定性，如平面状的滑动破坏、楔形状的滑动破坏、弧形状的滑动破坏等，而且此法可以任意分块，不需要条块边界垂直，适用各种特殊滑动面的边坡滑动破坏分析。但是采用此法计算安全系数需用迭代法，计算较为复杂。

极限平衡法原理简单易懂，计算结果可靠，很容易被工程技术人员熟练地掌握和应用，由结果也很直观的反映出边坡的危险滑动面，更好地指导工程技术人员提出有征对性的加固处理措施，故而广泛地应用于工程领域。

2 工程实例分析

某公路路堑高边坡位于陕西省，边坡高度约为40 m，边坡所在道路为新改建国道，道路等级为一级公路。边坡山顶周围有大型高压输电塔，由于路线无改线优化空间，为保障大型高压输电塔安全，边坡坡顶距电塔必须满足一定的安全距离，大型高压输电塔成为路堑边坡设计的关键性因素。

根据《公路路基设计规范》(JTGD30—2015)对公路边坡稳定性评价要求，要求各等级公路路堑边坡稳定系数不小于表1所列稳定安全数值。

表1 各等级公路路堑边坡要求的稳定安全系数

对于边坡破坏的影响区域范围内，如果存在高压电塔时，规范要求边坡的稳定安全系数取大值。根据上述要求，该路堑边坡坡顶存在高压电塔，边坡开挖后的稳定安全系数不能小于1.3。

2.1 场地工程地质条件

边坡所在路段处于山岭重丘地带，地形起伏较大，自然坡角最大约40～50°。山体表面植被覆盖，生长松树、桉树及各种灌木植物。本次勘察的钻孔孔口高程在59.12～96.44 m之间，地势高低起伏。

通过钻探资料及实地地质调绘成果，边坡土层分类主要由第四系残积层(Qel)砂质黏性土及石炭系(C3dh)沉积砂岩及其风化层组成。各岩土层分述如下。

(1)第四系中更新统残积层(Q2el)

粉质黏性土(地层编号⑧1)：土样呈褐红色，可塑状态，主要以黏粒为主。土质分布不均匀，局部含有少量风化颗粒，系岩石风化而成的残积土。厚度0.50～10.10 m，为Ⅲ级硬土。

(2)石炭系(C3dh)沉积砂岩

根据岩层的风化程度以及裂隙发育情况，结合本次野外勘察，揭露全、强风化两层(带)，其描述如下。

①全风化砂岩(地层编号[17]1)：岩芯呈灰黄色，原岩结构较为破坏，风化严重且岩质软，遇水易软化崩解。岩芯力学评定质量等级为Ⅴ级，为极软岩。场地范围内层状分布，层厚0.50～4.00 m，层顶深度在1.50～12.00 m之间，层顶高程在47.12～90.80 m之间。

②强风化砂岩(地层编号[17]2)：岩芯呈灰黄色，砂质结构，节理裂隙较发育，岩芯主要呈半岩半土碎块状，敲击易碎，岩芯力学评定质量等级为Ⅴ级，为极软岩。该层风化不均，软弱夹层大量发育。场地范围内层状分布，钻入层厚8.20～46.60 m，层顶深度在0.80～13.40 m之间，顶板高程在46.12～89.30 m之间。

2.2 岩层参数选取

本文的案例中，各土层物理力学指标采用标准统计值进行计算，根据岩土工程勘察报告，相关参数指标按表2取值。

表2 边坡岩层力学参数表

2.3 稳定性分析及支护方案比选

边坡的坡率应根据相近工程的类比和力学计算，同时结合生态景观要求综合确定。边坡坡率是高边坡的支护处治的关键性因素，很大程度上决定了工程的规模和费用。由于边坡山顶周围有大型高压输电塔，为保障大型高压输电塔安全，边坡坡顶距电塔必须满足一定的安全距离。在保证足够的安全距离的前提下，该边坡极限开挖后，第一级和第二级采用1∶0.75的坡率；第三级和第四级采用1∶1坡率。边坡开挖后断面图如图1所示。

图1 极限开挖边坡断面图

通过理正边坡综合治理软件，计算开挖边坡稳定安全系数为1.122，稳定性不满足规范的要求，极限开挖边坡需进行支护处理。

方案一：通过以往工程经验，对边坡“固脚、强腰”采用弱削方、强支挡，边坡开挖处治后的稳定性较好。本项目在极限开挖边坡的坡率下，第一级坡面采用格梁+锚固支护，第二级坡面采用格梁+锚索支护，第三级坡面采用格梁+锚固支护，第四级坡面结合生态环保景观采用三维网植草防护。

方案二：尽可能保证开挖边坡坡顶远离高压电塔，采取强支护结合减小边坡坡率。第一级边坡采用抗滑桩+锚索支护， 第二级采用格梁+锚固支护，第三级和第四级采用三维网植草防护。

采用理正边坡综合治理软件，运用极限平衡法计算方案一和方案二的边坡稳定性，方案一的边坡安全系数为1.351，方案二的边坡安全系数为1.348。

按照实际80 m长度边坡计量，结合估算成本，两种方案综合比选如表3所示。

表3 边坡开挖处治的方案综合比选

通过上述对比可知，方案一和方案二对边坡支护处理后，边坡安全系数基本相同，全部满足规范要求。方案二下，由于第一级边坡采用抗滑桩板墙+锚索支护，边坡垂直状，坡顶距高压电塔安全距离较方案一更大。但是在取得相当的处理效果情况下，方案一施工工艺较常规，且总体建安费用更低，方案一对比方案二优势较为明显。综合比选，本边坡设计阶段采用方案一处理方式。经过对比也不难看出，第一级边坡采用格梁锚杆“固脚”取得的效果和抗滑桩支护效果相当，且具有经济优势和施工优势。在实际工程应用中，边坡采用缓坡率+格梁锚杆固脚效果明显。

3 结 语

(1)以陕西某公路边坡为例，通过理正综合治理分析软件，采用极限平衡法，计算两种边坡支护方案的边坡安全系数，综合对比选取最优的方案，指导边坡的后续优化设计。

(2)第一级边坡采用缓坡率+格梁锚杆固脚效果明显，且经济性较好，具有一定实际应用价值。

(3)基于“减载、固脚、强腰、排水”的原则，对地形地貌陡峻的路段采用弱削方、强支挡结合绿色生态坡面植被，既有一定的经济效益，又满足环保景观生态要求，对往后此类边坡工程治理提供了相关的经验，同时具有一定的借鉴作用。