山区公路高边坡稳定性分析及施工质量控制措施

肖丽霞

（广东恒泰公路工程有限公司，广东 梅州 514087）

0 引言

随着公路工程建设规模日益扩大，越来越多的山区丘陵地带开始建设公路，此时为了满足路线线形指标的要求，会不可避免地出现大填大挖现象，形成许多高边坡。影响高边坡稳定性的因素较多，如果处治方案设计不当就可能出现滑塌失稳，造成交通事故和人员伤亡。因此，工程技术人员必须针对高边坡进行重点设计。近年来，国内外很多学者开展了对高边坡的研究，但都未形成系统性的理论和技术来指导公路高边坡施工。因此，进一步研究山区公路高边坡稳定性及施工控制措是十分必要的。

1 公路高边坡变形特点及对其稳定性的影响因素

对高边坡稳定性进行分析之前，应当收集现场施工资料，正确评价高边坡的变形特点和对其稳定性的影响因素。

山区公路高边坡的变形主要可划分为蠕动阶段、微滑阶段、剧滑阶段、固结阶段，对其稳定性的影响因素较复杂，可分为内部因素和外部因素。其中，内部因素既是高边坡破坏的内在条件，包括地质构造、地层岩性、岩体结构等；也是高边坡破坏的触发条件，包括地下水、地表水、降雨、地震、人工加载和开挖等。在分析高边坡稳定性之前，应尽快找出主导因素，制定经济合理的加固方案。

1.1 地质构造

地质构造决定了岩层的产状和发育程度，出现褶皱、断层等，这些节理裂隙的随机组合，会对高边坡的稳定性产生不利影响，容易出现崩塌和滑坡等病害。

1.2 地层岩性

地层岩性是影响高边坡稳定性的决定性因素，岩性决定边坡岩体的强度、抗风化能力、抗崩解性及相同构造力作用下节理发育程度。一般坡体岩性越差，边坡稳定性越差。根据相关统计资料，第四系的冲洪积，第三系的砂页岩、板岩、千枚岩、片麻岩等，由于地层岩性软弱，在水和其他外界力作用下，容易出现滑动破坏。

1.3 水

水是高边坡破坏的关键诱因。如果边坡岩体表面存在裂缝，就可将其视为边坡坡体的吸水通道，地表水或雨水就会通过裂缝渗入坡体内部，不仅增加岩土体重度，加大滑块下滑力，还会软化岩土体，降低滑带岩土的抗剪强度指标，从而大幅度降低高边坡的稳定性，导致坡面侵蚀、坡体滑塌等病害。因此，大多数高边坡在施工后不会立即失稳，往往是遇到连续降雨才被破坏。

1.4 其他外力作用

在地震烈度Ⅶ及以上区域，应考虑地震对高边坡稳定性的影响。地震动荷载产生的纵波和横波会反复冲击边坡，降低高边坡结构面的抗剪强度，还可能产生新的软弱结构面，不利于边坡稳定。

人类的某些活动也会破坏高边坡坡体原有应力场或地下水平衡，导致边坡破坏，如在坡脚下修建房屋、采石挖土等，使得坡体下部失去支撑。

2 公路高边坡稳定性常用分析方法

公路高边坡稳定性分析的方法有定性分析和定量分析两大类。

2.1 定性分析

高边坡稳定性的定性分析方法主要有工程类比法和图解法。其中，工程类比法属于经验法的范畴，是将待分析的路基边坡与具有类似坡形、高度、工程地质条件的边坡进行对比，以判别当前边坡的稳定性；图解法最早由泰勒提出，将影响边坡稳定的各个因素（如地下水、坡角、坡高等）与安全系数绘制在一张图表上，供设计人员查询。该方法具有使用方便、结果直观等优点，但精确度较差。

2.2 定量分析

边坡稳定定量分析方法主要有极限平衡法、不平衡推力法、有限元法等。

2.2.1 极限平衡法

极限平衡法是传统的边坡稳定性分析方法，是通过计算滑动面上的抗滑力（矩）与滑动力（矩）之比来判断边坡安全性。常用的极限平衡法假设条件及滑面形态如表1 所示。

表1 不同极限平衡法特征

计算方法滑面形态条块间作用力平衡条件力力矩瑞典条分法简化毕肖普法简布法Sarma法圆弧相互作用力为0圆弧仅存在水平推力任意任意Spencer法任意仅存在法向力滑体水平加速度法向力和切向力恒定水平 否 否 是 是 是竖直 否 是 是 是 是单一 否 否 是 是 是整体 是 是 是 是 是

《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）推荐的公路边坡稳定性极限平衡计算方法为简化毕肖普法，计算公式如下：

式（1）中：

b

表示第

i

条块宽度，（m）；

c

表示第

i

条块黏聚力，kPa；

φ

表示第

i

条块内摩擦角，（）；

W

表 示第

i

条块重力，kN；

Q

表示第i 条块竖向作用力，kN；

α

表示第i 条块底滑面倾角，（°）；

m

表示计算系数，无量纲。

2.2.2 不平衡推力法

公路高边坡沿软弱结构面滑动时，可采用不平衡推力法分析其稳定性，它只考虑各条块的静力平衡，不考虑其力矩平衡，且对滑动面形状较敏感，如果当相邻滑面段倾角变化较大时，计算出的安全系数偏大。建议高边坡滑体在进行条块划分时，相邻滑面段的倾角差值不宜＜10。边坡稳定系数计算公式如下：

式（2）中：

W

表示

i

条块竖向作用力与自重之和，kN；

c

表示第

i

条块黏聚力，kPa；

φ

表示第

i

条块内摩擦角，（）；

l

表示第

i

条块底面长度，m；

F

表示边坡安全系数，无量纲；

E

表示第个条块传递至第

i

个条块的作用力，负值不传递；

ψ

表示滑坡推力传递系数。利用式（2）逐个条块计算出抗滑力与滑动力的矢量和，剩余推力为0 时所对应的

F

即为边坡安全系数。

2.2.3 有限元法

近年来，随着计算机硬件性能的提升和有限元理论的日益完善，越来越多的公路工程在设计期间开始使用有限元软件，如ANSYS、Midas、FLAC3D、PLAXIS 等。有限元法计算精确度高，不仅能够充分考虑边坡的不均匀性（将边坡坡体划分为若干区域，分区赋予不同的地层参数），还可以根据研究需要自定义边坡岩土体的本构模型，并在施加边界条件后计算出路基任一点的变形及应力应变关系。

3 公路高边坡稳定性算例分析

以某山区公路因变更设计开挖的高边坡为研究对象，分析了不同工况下，高边坡的安全系数变化规律。

3.1 工程概况

研究对象为设计变更后形成的高边坡，桩号为K50+696—K50+825 段左侧，地质情况较为复杂，根据已开挖的边坡现状观察，局部出现崩塌现象，易引起斜坡岩层发生大规模的顺层滑动，存在较大安全隐患。原拱形骨架植草防护及加固方案无法满足其边坡稳定要求，为确保施工及运营安全，需提高边坡的安全系数储备，因此设计单位变更了高边坡处治方案，如图1 所示。

图1 变更后高边坡加固方案

3.1.1 气候条件

该区属南亚热带与中热带过渡性季风气候区，降雨量充沛，多年平均降雨量为1700mm，最大年降雨量为2390mm，最小年降雨量为1200mm，降雨时间主要集中在4～9月，占全年降雨量的77%。

3.1.2 地层岩性

根据地勘钻孔资料，坡体从上至下分别为强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩，各层岩体的物理力学计算参数如下：强风化花岗岩容重18kN/m、黏聚力25kPa、内摩擦角28、与锚固体黏结力68kPa；强风化花岗岩容重20.5kN/m、黏聚力27kPa、内摩擦角29、与锚固体黏结力86kPa；强风化花岗岩容重22kN/m、黏聚力30kPa、内摩擦角35、与锚固体黏结力92kPa。

3.1.3 地震

根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）确定场地所处区域基本地震峰值加速度为0.10g，反应谱特征周期为0.40s，基本地震烈度为7度，在分析边坡稳定性时，需要考虑地震力的作用。

3.2 计算模型建立

拟采用数值计算软件FLAC3D5.0 来计算高边坡的安全系数，模型建立流程主要包括CAD 导入几何模型—定义路堤、路床、地基材料属性—施加荷载及边界条件—确定网格尺寸、划分网格—初始模型地应力—边坡安全系数计算—结果分析。

边界条件：边坡顶和坡面为自由边界，可以发生X/Y/Z 三个方向的变形；边坡底面为不透水边界，只约束X、Z 方向，可发现竖向变形；模型初始条件至考虑地应力场。

网格划分：高边坡岩土体选择solid 实体单位模拟，在综合考虑计算精确和计算效率前提下，边坡表面尺寸加密，网格尺寸取0.1m，其他部位网格尺寸取0.5m，共划分出3328 个节点，3416 个节点。同时，采用梁单元模拟网格梁，pile 单元模拟预应力锚索。网格梁的加固作用是通过在网格梁与岩体间设置刚性连接来实现；锚索的加固作用是利用岩石与锚索间的接触面来模拟。

3.3 计算结果分析

在完成高边坡建模、划分网格、设置边界条件等工作后，为深入研究高边坡安全系数变化规律，利用FLAC3D 进行多次迭代计算，得到高边坡加固前后在正常工况和非正常工况下的边坡安全系数。正常工况指天然状态下的边坡，非正常工况指暴雨条件下的边坡，其计算参数按0.8 倍进行折减。

3.3.1 加固前边坡稳定性

为模拟降雨对公路高边坡稳定性的影响，最大降雨强度取当地气象部门的发布值，降雨历时分别为20min、40min、60min、80min、100min、120min，得到未加固边坡在天然状态和暴雨条件下安全系数，如图2所示。

图2 不同降雨工况下边坡安全系数

计算结果表明：未降雨时，坡体最大水平位移出现在坡脚，达到了22.8mm，边坡安全系数为1.16，安全系数不满足规范，需进行加固处理。

随着降雨历时增加，高边坡稳定性逐渐降低。当降雨历时＜20min 时，边坡安全系数降低幅度较小，基本可忽略；当降雨历时＞100min 时，边坡安全系数骤降。这是因为降雨初期雨水沿着坡面漫流侵蚀边坡表面，对坡体安全性影响较小。随着降雨量提高，雨水逐渐渗入路基内部，降低土体抗剪强度参数，边坡抗滑力降低，从而导致边坡安全系数减小。

3.3.2 加固后边坡稳定性

根据高边坡的变更设计方案，对第一级和第二级边坡采用预应力锚索框架梁进行加固。

高边坡锚固前后水平位移如图3 所示。

图3 边坡锚固前后水平位移计算结果

计算结果表明：边坡采取预应力锚索框架梁加固后，其水平位移最大值有明显降低，仅为9.1mm，降低率为61.2%，且整个坡面变形较连续。同时，加固后的高边坡稳定性有明显提升，在天然状态下的安全系数达到了1.36，暴雨工况下的安全系数为1.23，均满足《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）要求，这说明变更设计方案合理可行。

高边坡安全系数提高和水平位移降低的原因主要有：第一，预应力锚索框架梁中的锚索将内力传递至边坡内部的稳定岩土体，改变边坡的原应力状态；第二，框架梁的存在增加了边坡表层岩土体完整性，减小雨水入渗对边坡强度的影响。

3.4 施工质量控制措施

公路高边坡施工应严格依据《公路路基施工技术规范》（JTG/T 3610—2019），遵循“分级开挖、分级防护、有利协调、信息化施工”的原则，制定完善的施工组织方案和质量控制措施，选择先进、合理、经济的施工工艺。

边坡开挖：高边坡开挖时应开挖一级，防护一级，严禁一挖到底。由于边坡表层岩土体较破碎，采用光面爆破效果较差，可通过浅孔爆破和中深孔爆破相结合的方法，爆破结束后将坡面修正至设计坡比。

防排水工程：排水阻渗是提高高边坡稳定性必须要做的措施（尤其是雨季施工）。在实际施工期间，应根据边坡所在位置的雨水汇流情况，并密切关注天气预报，选择合适的排水设施和尺寸，防止地表水冲刷坡面和下渗。

预应力锚索框架梁：预应力锚索框架梁的施工质量对边坡的处治效果有直接影响，施工时应先施工锚索，再浇筑框架。

4 结论

本文总结了公路高边坡的变形特点、影响其稳定性的因素及计算方法，并依托某实际案例进行安全系数计算，主要得到以下结论：第一，公路高边坡稳定性主要影响因素包括地层岩性、岩体结构、降雨、地震、人工活动等；第二，公路高边坡稳定性分析方法有定性分析和定量分析两大类，前者包括工程类比法和图解法等，后者包括极限平衡法、不平衡推力法、有限元法等；第三，高边坡采取预应力锚索框架梁加固后，其水平位移明显降低，安全系数在天然状态和暴雨工况分别提高至1.36、1.23，均满足规范要求，说明变更设计方案合理可行。