山区高速公路边坡稳定性分析及加固研究

左松清

（湖南省交通规划勘察设计院有限公司，长沙410200）

1 引言

2 边坡稳定性分析原理

2.1 边坡破坏形式

山区高速公路以岩质路堑边坡为主，其破坏机理复杂，破坏形式也无统一的分类标准。 因此，本文根据滑动面形式的不同，将边坡破坏形式分为沿结构面破坏、圆弧滑动破坏、非圆弧滑动破坏等。 其中，边坡沿结构面破坏是指潜在滑动体沿节理、断层、裂隙等软弱夹层滑动失稳，一般表现为局部失稳破坏；圆弧滑动破坏是指边坡岩体滑动面近似成圆弧形，一般出现在整体失稳破坏中，多发生在连续岩体；非圆弧滑动破坏的岩体滑动面既不是沿着结构面，也不是沿着圆弧形滑动面，多表现为折线滑动破坏[2]。

2.2 边坡稳定性影响因素

边坡失稳过程包括蠕动、微滑、剧滑、固结4 个阶段，在对边坡加固之前，应当进行详细的现场踏勘，找到影响边坡稳定性的主要因素。

2.2.1 地层岩性

一般情况下， 高速公路边坡所在区域的岩层并不是只有一种类型，而是由两种及以上的岩层构成。 边坡岩层按抗压强度可分成硬质岩和软质岩。 硬质岩自稳性能好，设计坡率可以较陡，而软质岩在坡度较陡的条件下容易发生失稳破坏。

2.2.2 水的作用

相关研究成果表明，连续降雨天气是高速公路岩质路堑边坡破坏的决定性因素。 一方面，雨水通过边坡坡面裂隙渗入岩体内部，浸泡岩体后使其含水率和重度提高，抗剪强度减小，并导致滑动体的抗滑力降低，下滑力提高；另一方面，水在路堑边坡内渗流会产生较大的动水压力，间接提高了边坡的下滑力。

省委坚决贯彻落实党中央决策部署，把加强以宪法为核心的法治宣传教育和推进保障宪法实施的体制机制建设作为法治山东建设的重要方面，多次研究部署，组织集中学习，下发文件通知，要求全省各级各部门坚持以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，坚定不移维护宪法作为根本法的权威地位，自觉维护宪法权威，捍卫宪法尊严，切实抓好宪法在全省的学习宣传和贯彻实施。

2.2.3 边坡开挖

高速公路路堑边坡在施工前， 内部应力处于极限平衡状态，坡体能保持自稳。 边坡开挖卸荷过程中会产生临空面，使边坡坡面岩体应力松弛，岩体力学性能弱化。 同时，临空面的存在削弱了坡脚的支撑力， 为边坡向下移动创造了良好的条件。 为了降低开挖作业对公路边坡的干扰，常选择光面或预裂爆破等方案，并按设计方案分级开挖和分级加固。

2.3 边坡稳定性分析方法

高速公路边坡稳定性有定性分析法和定量分析法两类，二者是有机统一的。 定性分析法中实用性最强的是工程地质类比法，定量分析法有简化Bishop 法、简布法、不平衡推力法、楔形滑动面法及各种数值模拟方法[3]。根据现场勘测资料，推断K38+225 处岩质路堑边坡可能发生折线型破坏。 根据JTG D30—2015《公路路基设计规范》，本文建议采用不平衡推力法的显式解来分析边坡安全系数Fs，见式（1）：

式中，WQi为第i 个土条的重力，kN；αi为第i 个土条底滑面倾角，（°）；ci为第i 个土条黏聚力，kPa；li为第i 个土条底滑面长度，m；φi为第i 个土条内摩擦角，（°）；Ei、Ei-1分别为第i 个和第i-1 个土条的下滑力，kN；ψi-1为滑动力传递系数。

计算前， 将潜在滑动面以上的岩土体按一定的规则进行条块划分[4]。

3 工程概况

3.1 设计概况

本文依托项目为某山区高速公路项目T2 标， 路线全长35.408 km，起点桩号K42+252，终点桩号K77+660，设计荷载取公路Ⅰ级，设计速度取120 km/h，主线建设标准是双向4 车道。 边坡安全系数的计算断面桩号为K38+225，属于岩质路堑边坡。 边坡为4 级坡，最大高度27.2 m。

3.2 气候气象

边坡所处区域为大陆性季风气候，受季风环流、地理位置和地形等因素的综合影响，年气温和降雨变化大。 具体气候气象条件如图1 所示。

图1 边坡所在区域的气候气象条件

3.3 地层岩性

根据勘察资料，该边坡岩土层从上至下分别为：①碎石土，重度17.6 kN/m3、黏聚力5 kPa、内摩擦角20°，泊松比0.35；②强风化砂岩，重度20.8 kN/m3、黏聚力25 kPa、内摩擦角28°，泊松比0.3；③微风化砂岩，重度22.7 kN/m3、黏聚力30 kPa、内摩擦角46°。

3.4 地震

该高速公路边坡所处区域地震烈度为6 度， 峰值加速度取0.05g，可不计算水平地震作用对该边坡安全系数的干扰。

4 边坡加固前后稳定性分析及研究

4.1 边坡加固前稳定性分析及研究

4.1.1 计算工况

该边坡安全系数计算选择理正岩土7.0 软件，操作步骤如下[5]：先在CAD 中建立边坡模型→另存为DXF 文件→导入理正岩土软件→输入边坡岩土体参数→指定滑动面剪入口和剪出口→分析边坡计算结果（共两种工况，工况Ⅰ：边坡处于天然状态；工况Ⅱ：边坡处于暴雨或连续降雨状态，降雨强度取36 mm/d，降雨历时分别取1 d、2 d、3 d、4 d）。

4.1.2 计算结果

工况Ⅰ和工况Ⅱ条件下边坡稳定性计算结果如图2 所示（B1、B2为回归系数）。

图2 不同降雨历时下边坡安全系数

由图2 计算结果可知：在降雨强度相同时，边坡安全系数随降雨历时的增加而减小，但减小速率并不是固定。 降雨初始阶段，边坡稳定性下降速率快；当降雨历时＞4 d 时，边坡稳定性变化速率不大。 随后，使用数理统计软件ORIGIN2017 对降雨历时和边坡安全系数的关系用多项式函数拟合， 相关系数接近1，精确度满足工程需求。 利用该拟合公式可以预测任意降雨历时下的边坡稳定性，从而对边坡失稳进行预警。

工况Ⅰ条件下，边坡安全系数为1.25，但在工况Ⅱ条件下边坡安全系数仅为0.93，不满足规范要求，需要对边坡进行加固。

4.2 边坡加固方案及原理

4.2.1 边坡加固方案

基于“固脚、强腰”的原则，拟采用预应力锚索框架梁、锚杆框架梁、排水孔等措施对边坡进行加固，处治方案详见表1。

表1 边坡分级加固方案

4.2.2 边坡加固原理

预应力锚索能提升高速公路边坡稳定性，主要原因在于：锚索的预应力是主动施加的，锚固力源于钢绞线的抗拉强度、钢绞线与注浆体的黏结力、锚固体与周围岩土体的黏结力。 计算时可将锚固力简化为施加在潜在滑面上的集中力，并沿滑动方向和垂直滑面方向分解，以提高潜在滑坡体的抗滑力、减小其下滑力。同时，框架梁也会在一定程度上阻止滑动体下滑[6]。

4.3 边坡加固后稳定性分析及研究

为了确定经济合理的锚固方案，利用理正岩土7.0 计算了不同锚固方案下的边坡安全系数，见表2。 方案一的锚索间距为3 m，锚索倾角20°，锚索长度取16 m、18 m、20 m、22 m；方案二的锚索间距3 m， 锚索长度20 m， 锚索倾角取10°、15°、20°、25°、30°。 其他计算参数取值同3.3 节。

表2 不同锚固方案下边坡安全系数

由表2 计算结果可知：边坡采用预应力锚索加固后，在工况Ⅰ和工况Ⅱ条件下安全系数均满足JTG D30—2015 《公路路基设计规范》的要求，说明设计单位提供的加固方案是合理可行的。 此外，边坡稳定性随锚索长度的增加而提升，但当锚索长度超过20 m 时，边坡稳定性提升幅度不大。 在工况Ⅰ条件下仅增长了1.3%，在工况Ⅱ条件下仅增长了2.3%；边坡安全系数随锚索倾角的增大先增加再减小。 在锚索倾角为20°时，边坡稳定性最好。

综上，为了实现最佳锚固效果，建议锚索倾角取20°、锚索长度取20 m、锚索间距取3 m。

5 结论

本文以某山区高速公路项目为研究对象， 主要得到以下结论：

1）山区高速公路边坡破坏形式包括沿结构面破坏、圆弧滑动破坏和非圆弧滑动破坏等，其稳定性主要受地层岩性、降雨、边坡开挖等因素影响；

2）对于可能发生折线形破坏的公路边坡，建议选择不平衡推力法的显式解来分析其安全系数；

3）在降雨强度相同的条件下，高速公路边坡的安全系数随降雨历时的增加而降低，两者基本符合二次多项式函数关系；

4）边坡安全系数随锚索长度的增加而增加，随锚索倾角的增大先增加再减小， 在拟定边坡加固方案时应进行技术和经济比选。