高边坡施工临时支护方案研究

吴寅文

（广东恒泰公路工程有限公司，广东 梅州 514087）

0 引言

公路工程建设中需要重点考虑高边坡稳定性问题，路堑高边坡存在数量及类型随着公路建设规模的扩展而不断增多。公路工程为适应交通量的发展需求而不断改扩建，公路高边坡路段多存在于大范围复杂路堑地形中。高边坡具备施工难度大、危险系数高、稳定性难以控制的特点。高边坡开挖是稳定性丧失的主要诱因，针对高边坡临时支护方案的设计需要结合实际情况、经济、施工进度、环境、施工技术等多方面进行综合考虑，边坡临时支护中多采取锚杆（土钉）加固处理，该方案是目前最为常用、成功经验较为丰富的措施。

1 工程概况

广东省某一级公路改造工程施工段存在2 处边坡。其中1 处9 级，高度93m；1 处6 级，高度60m，为典型的高边坡。边坡地层结构组成如下：上层Q砂质黏土，厚度为93m；下层为Z全-微风化花岗岩，共分3 层，由上至下分别为全风化、强风化、弱风化花岗岩，厚度22m 左右。现场地质土层物理力学性能指标经室内试验测定如表1 所示。9 级高边坡开挖过程中，项目组初步设计中采取长度8m 土钉进行边坡支护，但是自上而下开挖的1、2 级边坡出现了较为明显的贯穿裂缝，3 级边坡坡脚处出现滑裂趋势，现场不加以防护则极容易引发事故，对现场施工人员的安全造成威胁。为有效确保该段工程施工中高边坡的稳定安全，设计单位于该路段开展9 级边坡临时支护优化设计，项目组拟在1～3 级边坡中采取土钉网喷防护，土钉长度分别为8m、18m、20m、22m、24m，并且开展不同土钉长度下边坡稳定性对比分析，以此确定最优临时支护方案。

表1 土层物理力学性能指标

2 模型分析

2.1 材料参数

本文采取Flac2d 有限元软件对不同土钉长度支护高边坡的变形演化及稳定性进行分析，其中边坡材料力学变形关系采取Mohr-Coulomb 强度模型，岩土体物理力学参数依据实验室参数进行赋予，材料参数如表2 所示。土钉加固材料则采取锚杆单元进行模拟，项目组采取的土钉长度分别为8m、15m、20m、22m、24m。8m 长土钉为初步设计中采取的方案，土钉施工采取一次性注浆施工工艺，设计孔径100mm，土钉采取II 级螺纹钢（直径0.022m），布置间距1.4m（梅花形状布置）。土钉数值模拟过程中，土钉划分成△l 长度小单元，其轴向拉应力沿小长度范围均匀分布，计算程序对每个步长的节点应力变化进行计算，轴向拉应力值则为节点积分。

表2 岩土计算模拟物理力学参数

2.2 模型构建

项目高边坡模型与现场边坡坡形一致，模型影响范围则通过事先试算确定，模型试算边界如下：高边坡左边界距离开挖坡脚20m，模型右边界则以临近公路为界，模型底部边界则距离坡脚20m。项目高边坡计算模型具备246（i）×151（j）个网络节点数，模型高边坡中一级-二级边坡坡比为1∶0.75，三级-九级边坡坡比为1∶1；一级-八级边坡开挖深度均为10m，九级边坡开挖深度为13m，高边坡开挖总深度达到了93m。除第三级边坡平台宽度为5m 外，其余不同边坡之间的平台宽度均设定为2m。土钉长度的确定主要采取经验法，土钉采取钻孔注浆施工工艺时，其长度和坡面高度之比需要控制在0.5～0.8 之间，土钉支护中设定其布置间距为1.4m，土钉与水平面之间的角度设定为11°。现场采取上长下短的形式进行土钉布置，自上而下开挖第一级、第二级边坡中土钉布置长度可以采取8～24m，第三级边坡土钉长度则设定为8m 固定值。项目为有限分析不同土钉支护边坡的轴向拉力分布规律，在土钉分布中选取1～8 号监测土钉，土钉弹性模量2×10MPa，泊松比0.3，重度7800N/m，线膨胀系数2×10。模型构建示意图如图1 所示。

图1 模型构建示意图

2.3 开挖支护方式

高边坡开挖模拟主要为不排水情况下进行，其开挖时间相对较短，模型开挖支护按照如下过程进行：首先构建高边坡自然模型，初始化自重应力下的平衡，达到自重初始应力分布状态；其次归零化自重平衡引起的位移分布，第一步开挖采取model null 命令进行，首步开挖起始高程189.39m，继而支护1～2 排土钉，并且计算至平衡状态。项目总共需要开挖18步，每一步开挖高边坡高程-2m，每步增加支护2 排土钉，计算至平衡状态，项目主要对顶部三级边坡土钉支护效果进行分析。

3 计算结果分析

3.1 临空面位移变化

依据数值计算，边坡开挖结束后，对边坡临空面的水平位移、垂直位移的变化数据进行统计，不同土钉长度情况下，自上而下1～3 级边坡临空面的位移变化如图2 所示。结果表明，软土高边坡开挖过程中，不同土钉支护下，高边坡最大水平位移主要产生在坡脚位置；土钉长度不断增大会导致软土边坡临空面的最大水平位移不断减小，当土钉长度为8m 时，临空面最大水平位移最大；当土钉长度为22～24m 时，临空面水平位移最小，且水平位移随开挖深度变化较为稳定，表明土钉能够较好地发挥边坡加固作用，有效限制水平变形。土钉长度为8m 时，临空面水平位移偏大，这主要是因为土钉长度过小，无法对边坡变形造成有效阻碍，难以发挥保护效果。1～3 级软土高边坡临空面垂直位移随着土钉长度增大而不断减小；土钉长度分布在22～24m 时，临空面垂直位移变化幅度偏小，且变形趋于稳定。临空面位移发展趋势表明，8m 长度土钉基本上处于边坡变形塑性破坏区内部，支护效果几乎为0；土钉逐渐增长，土钉则会延伸至边坡塑性变形区内，且塑性区随着土钉长度增大而不断往内部发展，塑性破坏区也较为平缓；钉长24m时，塑性破坏区基本上不存在，其边坡稳定加固效果最为明显。

图2 不同土钉长度下边坡临空面位移变化

3.2 轴力变化

不同钉长情况下的土钉监测轴向拉应力变化分布如图3 所示，本文选取土钉长度8m、15m、24m 为简便分析。结果表明：不同土钉长度下，土钉最大轴向拉应力主要发生在3 级边坡坡脚，最大轴向拉应力为第7 排监测土钉位置处；土钉轴向拉应力最大处为边坡产生最大位移处；随着土钉长度的不断增大，土钉长度末端区域分布有轴向拉应力最大值，此时较长长度的土钉基本上深入软土边坡塑性破坏区内部，土钉轴力较大；土钉末端拉应力最大值出现的位置随着钉长变化而表现不同，轴向拉应力主要往坡内不断变化，长度越大，则会促使滑裂面往内部发展，更有利于边坡加固。采取土钉锚喷技术时，土钉长度24m 的加固效果最好。

图3 轴向拉应力在不同长度土钉上的分布情况

3.3 滑动面分析

本文为了分析不同排土钉监测的轴向拉应力随着开挖深度的发展规律，选取长度为24m 的土钉分布工况，并且对每一步开挖过程中的监测土钉轴向应力分布数值进行提取，监测土钉轴向应力变化结果表明：开挖深度的不断增加，边坡分布土钉的轴向拉应力均有较为明显的增加；软土边坡开挖结束之后，最大的轴向拉应力出现在第7 排，即3 级边坡坡脚位置处，这同时表明软土边坡开挖中，土钉支护阶段的最大位移为边坡坡脚处。值得注意的是，3 级边坡中存在的5、6 排土钉采取的长度均为8m，并没有深入到滑裂面当中，随着开挖深度提升，轴向拉应力并没有快速增大。监测土钉的最大轴向拉应力随排数变化统计数据如表3 所示。1、2 级边坡土钉长度24m、3 级边坡土钉长度8m 时的潜在滑动面，如图4 所示。

表3 最大轴向拉应力变化情况

图4 24m 土钉情况下的潜在滑动面

4 结语

针对广东省某一级公路改造工程施工段9 级高边坡进行土钉临时支护，该边坡自上而下开挖第1～3级支护专项方案采取的土钉长度分别为8m、15m、20m、22m、24m，数值模拟计算结果表明：初步设计采取的8m 长土钉不能发挥加固效果，土钉没有深入滑裂面中，且土钉随着土体整体移动而发生破坏，难以产生支护效果；土钉长度为22～24m 时，边坡能够得到土钉防护，土钉深入滑裂面内部，边坡稳定性较好。但是实际过程中，往往难以采取长度超过20m 的土钉，因此现场项目组拟采取更为优秀的高边坡加固方案（抗滑桩+土钉防护组合）。本文所研究的土钉边坡临时支护结论能够为相关工程提供理论参考。