公路高边坡稳定性与抗滑桩优化设计分析

2023-11-21张建

运输经理世界 2023年24期

张建

（中国公路工程咨询集团有限公司、中咨华科交通建设技术有限公司，北京 100195）

0 引言

公路高边坡的加固方法较多，常见的有挡土墙、锚杆框架梁、三维网植草护坡、圬工防护、预应力锚杆（索）等，需结合不同地质、地形环境采用不同的加固方案。公路高边坡的锚固防护多采用离心模型、理论公式、现场监测等方法进行工程类比分析，但据此采用的高边坡防护设计方案一般存在较大的安全冗余度，会增大施工防护的成本。为此，结合实际工程需要，优化公路高边坡安全防护方案有重要意义。

1 公路高边坡加固方法

1.1 抗滑桩加固法

抗滑桩是桩型结构，能够防止公路高边坡岩土体沿滑动面滑动，且能提供较大的阻抗作用。抗滑桩加固法主要采用长方形截面构造，适用于完整度较好、裂隙发育较小、滑动面倾角小的路基滑坡。抗滑桩的加固效果和桩体布置间距、尺寸、排列方式等密切相关。因此，在设计中主要采用单排、竖排布设方式，布设于岩土滑体较薄、受力较小的位置[1]。

1.2 锚杆（索）加固法

锚杆（索）加固法主要是将粗钢筋、钢绞线等受拉结构端部固定在公路边坡岩土体中，受拉结构的另一端需要衔接于边坡表面。锚杆（索）能够承担水、土压力造成的路基边坡推力，利用锚固力保证边坡结构的稳定性。锚杆（索）需要布设在高边坡潜在滑动面的较深位置，其埋设深度可达到数十米，加固效果较为显著。在现场边坡喷锚施工中，多采用预应力锚杆和挂网喷锚结合的形式，且需要在高边坡表面构建联系梁，以提高高边坡的整体稳固性。

1.3 护坡

高边坡护坡主要是为了防止外界环境对坡面产生风化和冲刷，避免边坡岩土体在侵蚀下出现塌落和崩解。公路高边坡护坡面层的高度较高、厚度较小，是非承重受力结构，不承受岩土体荷载作用，主要适用于稳定性良好的高边坡防护。护坡主要分为锚杆挂网喷浆护墙、片石护墙两种。锚杆挂网喷浆护墙的护坡效果相对较好，且施工机械化程度较高，施工中需要构建泄水孔；片石护墙则主要配套于挡墙工程，在坡脚及挡墙上部坡面的防护中应用较广。

1.4 土钉加固法

土钉加固法需要在公路边坡中构建拉筋，以改善岩土体结构内力，主要适用于黏性土、杂填土、黄土、粉土等强度较差的路基边坡，一般需要和预应力锚杆结合。土钉加固法需要采取短台阶逐级下挖施工方式，单台阶切坡厚度需要控制在2m 以内，且切坡需要在后续边坡表层防护施工中保持稳定，加固后的边坡坡面、坡顶变形较小。土钉加固法具备施工简单、成本较小等优点，钻孔及混凝土喷射设备移动灵活，相较于抗滑桩、护坡等方案的经济投入更小[2]。

2 工程概况

广西某山区公路设计标准为Ⅱ级公路，双向六车道，设计车速80km/h，设计起止点为K0+000—K37+250，设计全长37.25km。项目沿线山势陡峭，地质、地形环境较为复杂，路段K6+500—K7+500 一侧存在高度为100～120m 的深厚堆积体边坡。对现场进行地质勘查检测，地层岩性特征如下：场地大范围分布崩坡积层，内部成分较为复杂，均匀性较差，内部含有碎裂岩体、碎石、粉质黏土等。其中，粉质黏土主要为棕黄色，可塑，局部软塑；碎石主要包含泥岩和砂岩，粒径分布在5～25cm 之间，碎石、砂岩多为中风化，泥岩为中—强风化，岩芯完整，呈长柱状。地质剖面如图1 所示[3]。根据路线设计的相关要求，拟对该区域进行坡脚切角开挖，同时设计锚索抗滑桩，以确保公路路基边坡的稳定性，不考虑地下水作用，设计安全系数大于1.3。

图1 地质剖面示意图（单位：m）

3 有限元模型分析

3.1 模型构建

项目选取断面K7+000 作为典型断面开展FLAC2D 有限元模型分析，模型计算参数如表1 所示。模型中岩土体采用实单元模拟，四边形划分网格，模型总共包含18569 个节点，10251 个单元；土层之间界面设置为连续，岩土开挖处采用空单元模拟。边界条件设置如下：模型底部固定水平、竖向位移，左右两侧边界固定水平位移。土体本构采用摩尔库伦模型。

表1 模型计算参数

3.2 计算结果分析

3.2.1 天然边坡

针对天然边坡，采用FLAC2D 强度折减有限差分法，对边坡开挖影响进行稳定性分析，项目同时进行M-P 法的安全系数计算。结果表明，有限元计算得到天然边坡安全系数为1.25，开挖边坡的安全系数为1.24，而M-P 法计算得到的开挖边坡安全系数为1.21。两者安全系数较为接近，误差较小，有限元法计算的安全系数要大于后者，主要归因于M-P 法需要针对边坡条块进行受力假定，没有充分考虑岩土结构应力的分散关系，且黏土层会造成整个边坡岩土体内部结构应力分布的复杂化；采用有限元法和M-P法计算得到的安全系数均无法满足目标安全系数（1.3）的要求。边坡中黏土层强度较低，对边坡整体安全系数的影响不可忽视。现场开挖时对相关监测点位进行位移监测，得出：边坡内部存在3 个位移突变点，其中，1 号突变点位于黏土层上侧的位置，2 号突变点位于边坡岩土体的交界面，3 号突变点位于黏土层下侧的位置。实测和计算获取的边坡临界滑裂面如图2 所示[4]。

图2 边坡临界滑裂面对比图（单位：m）

3.2.2 锚索抗滑桩边坡加固

依据上述分析，项目采用锚索抗滑桩对边坡进行加固。抗滑桩主要布置在设计公路的一侧，具体布置如图3 所示。采用有限元模拟计算时，抗滑桩采取桩单元模拟，锚索采用锚索结构单元模拟，锚索加固系统采用弹簧来模拟轴向强度，锚索和岩土体之间的界面摩擦、黏结强度主要采用弹簧—滑块单元模拟；抗滑桩长度设计为55m，截面尺寸1.5m×1.5m，单根抗滑桩上需要布置7 根锚索，锚索锚固角度设计为20°；锚索和岩土体之间接触参数设置如下：锚固段单位长度黏结力设置为1.5×106N/m，锚固段刚度设计为1.2×1010N/m2，锚索预应力通过在两端施加1500kN的拉力来实现。项目同样采用有限元法对锚索抗滑桩加固后的边坡开展稳定性分析，获取安全系数为1.31，满足目标安全系数的要求。抗滑桩设置后，桩后土体存在较大变形，桩后土体塑性破坏，且滑坡面直接透过桩顶部位置，因此需适当提升抗滑桩桩长[5]。

图3 抗滑桩加固示意图（单位：m）

3.3 桩体内力

对抗滑桩桩体内力进行分析有助于优化桩身设计尺寸，抗滑桩桩身剪力计算可通过桩体桩前桩后岩土体推力、抗力之差获得，桩体剪力随深度变化如图4（a）所示，抗滑桩弯矩随深度变化如图4（b）所示。结果表明，边坡存在黏土层的位置有较小的破坏强度，滑裂面多产生在黏土层附近，此时桩体推力明显增大。此外，桩底部位置由于承受明显的固定作用力，其内部剪力也相对较大。桩体最大剪力出现在深度30m、50m 处，达到15000kN；桩体弯矩呈对称状分布，最大弯矩值出现在深度40m 位置，达到175000kN·m；桩顶和桩底位置的弯矩则相对较小，桩身弯矩出现反弯现象[6]。

图4 抗滑桩桩身内力分布图

3.4 桩长、桩径对边坡稳定性影响

该项目设置桩长分别为50m、55m（初始值）、60m、65m，桩径分别为1.2m、1.5m（初始值）、1.8m、2.4m。分别构建上述模型，进行边坡开挖稳定性分析，得到表2、表3 所示的安全系数。结果表明，在抗滑桩不同桩长下，保持模型中其余参数不变，桩长越长边坡的安全系数越大。抗滑桩桩长为50m 时，安全系数不满足目标要求，说明过小的桩长难以充分发挥抵抗土体的作用，容易产生桩体倾覆现象；但桩长过长容易造成施工成本增加。在保持桩长55m 的情况下，改变桩径进行模型计算。结果表明，随着桩径的不断增大，安全系数的增大效果不明显。桩径大于1.5m 时，边坡的安全系数几乎不变；桩径小于1.5m时，安全系数不满足要求。因此，需合理桩径设计，以免材料浪费[7]。