高速公路巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性評價

楊中方 楊緒祥

1 概述

巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性成為山區(qū)公路建設(shè)工程中常見和重要的巖土工程問題之一。它在很大程度上影響著公路工程建設(shè)投資和運營效益[1，2]。某高速公路位于西北部山區(qū)，由于境內(nèi)崇山峻嶺，山川河谷交錯，垂直變化大，分布巖質(zhì)邊坡坡高多在30 m～50 m之間，屬規(guī)范規(guī)定必須專門研究的超高邊坡。對超高邊坡的穩(wěn)定性進行研究，其研究結(jié)果為完善設(shè)計工作和采取相應(yīng)的防護措施提供科學(xué)依據(jù)。

2 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)概況

根據(jù)鉆孔柱狀圖及相關(guān)資料，可以確定本區(qū)為構(gòu)造剝蝕中低山區(qū)，上覆第四紀(jì)殘坡積物，下為第一、第二組白云鈉長片巖及第三組絹云母片巖。鉆探揭露的地質(zhì)資料表明:坡面多有1 m～4 m的殘坡積物，開挖后的邊坡坡角多在45°左右。地下水資料，共有7孔出現(xiàn)地下水，其中3孔為坡腳-8 m～-9 m，分布在K15+038，K15+860和 K35+720斷面;4孔為坡腳-1.5 m，分布在K45+300，K45+320，K51+819.5 和 K57+315.9斷面。

3 邊坡穩(wěn)定性評價方法

目前工程中常用的邊坡穩(wěn)定性評價方法為極限平衡法，如費倫紐斯法、Bishop法、簡布法、SARMA 法、M-P法等，另外還有有限元數(shù)值分析法等。這些方法都有各自的優(yōu)缺點，極限平衡法是目前工程上用的最多的方法。本文即采用極限平衡方法的Bishop法和FLAC3D軟件對邊坡的穩(wěn)定性進行對比研究，使得計算過程更加合理，計算結(jié)果更加符合實際。

3.1 計算參數(shù)的確定

計算參數(shù)取值見表1(僅以 K15+860，K26+420，K53+649三處邊坡為例，下同)。

表1 計算參數(shù)取值表

3.2 計算模型及工況的選擇

1)計算模型的建立。根據(jù)鉆孔資料，除 K45+300，K45+320需要考慮軟弱夾層的影響外，其他邊坡巖層均按均質(zhì)考慮，僅考慮風(fēng)化殼的差異，各邊坡計算參數(shù)，按表1取值。地表水在采取完善的防地表水措施后不再考慮;地下水在坡腳以下的巖質(zhì)邊坡不再考慮。軟弱夾層產(chǎn)狀根據(jù)巖層真實產(chǎn)狀計算。地震采用7級烈度予以考慮。2)計算工況的選擇。按GB 50330-2002建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范規(guī)定，采用兩種工況計算對比。即:a.天然狀態(tài);b.天然+地震(7級);對不能滿足穩(wěn)定性要求的，采用錨桿加固方案對邊坡進行防護的還要驗算;c.錨桿+天然;d.錨桿+地震(7級)兩種工況時的穩(wěn)定性。

3.3 計算結(jié)果及分析

3.3.1 極限平衡計算結(jié)果分析

1)計算結(jié)果。所有邊坡模型原點均選在坡腳與路面相交處。計算采用:a.天然狀態(tài);b.天然+地震(7級)兩種工況，按照GB 50330-2002建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范，永久性超高邊坡按一級邊坡進行安全設(shè)計，設(shè)計安全系數(shù)為1.30。Bishop方法計算結(jié)果見表 2。2)計算結(jié)果分析。根據(jù)表2的結(jié)果，可以確定K15+860邊坡具有足夠的穩(wěn)定性，在做好坡頂及坡面防水措施后可以不必采取加固措施，另兩個邊坡均不能滿足穩(wěn)定性要求，必須進行加固。加固方案采用預(yù)應(yīng)力錨桿加格構(gòu)護坡方案。

表2 Bishop法計算結(jié)果表

3.3.2 FLAC法計算結(jié)果分析

邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的計算結(jié)果見表3。

表3 FLAC計算結(jié)果表

在地震荷載作用下，采用強度折減法計算出的加固前邊坡的安全系數(shù)為 1.3，加固后的安全系數(shù)為1.35，從圖1中可以看出滑坡面與簡化Bishop方法計算出滑坡位置基本一致。

在地震荷載作用下，采用強度折減法計算出的加固前邊坡的安全系數(shù)為1.18，加固后的安全系數(shù)為 1.44，從圖2，圖 3中可以看出滑坡面與簡化Bishop方法計算出滑坡位置基本一致。

在地震荷載作用下，加固前邊坡基本上無塑性區(qū)，加固后基本上也無塑性區(qū)，說明邊坡加固后處于安全狀態(tài)，并有較大安全儲備。

在地震荷載作用下，采用強度折減法計算出的加固前邊坡的安全系數(shù)為 1.02，加固后的安全系數(shù)為1.4，從圖4，圖5中可以看出滑坡面與簡化Bishop方法計算出滑坡位置基本一致。

3.3.3 極限平衡法及FLAC法計算結(jié)果對比分析

1)對于采用錨桿進行加固處理的邊坡。通過FLAC計算了在地震荷載作用下，高邊坡在錨桿加固前后邊坡的響應(yīng)情況。計算結(jié)果表明:采用錨桿加固后，最大位移、最大剪應(yīng)力較加固前減小。加固前塑性破壞區(qū)呈貫通態(tài)勢，加固后由于預(yù)應(yīng)力錨桿的作用，塑性破壞區(qū)變小，且未貫通，并且最大位移較小，說明加固后，即使在地震的作用下，邊坡也處于安全狀態(tài)。

采用強度折減法計算了臨界失穩(wěn)情況下高邊坡在地震荷載作用下，錨桿加固前后的安全系數(shù)。計算結(jié)果表明:采用錨桿加固后，臨界失穩(wěn)時，加固后的滑坡速度要小于加固前的。

2)對于未采用錨桿進行加固處理的邊坡。通過FLAC計算了在地震荷載作用下，高邊坡的響應(yīng)情況。計算結(jié)果表明:最大位移、最大剪應(yīng)力較小，塑性破壞區(qū)未呈貫通態(tài)勢，說明即使在地震的作用下，邊坡也處于安全狀態(tài)。

采用強度折減法計算了臨界失穩(wěn)情況下高邊坡在地震荷載作用下的安全系數(shù)。計算結(jié)果表明:滑坡面的位置與簡化Bishop方法計算出滑坡位置基本一致。

4 結(jié)語

1)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性評價工作必須建立在翔實的地質(zhì)勘察、巖土力學(xué)參數(shù)試驗、現(xiàn)場施工條件調(diào)查的基礎(chǔ)上。

2)用極限平衡方法的Bishop法對邊坡進行穩(wěn)定性研究，再運用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬，將其結(jié)果與Bishop法進行對比分析，此法計算過程更加合理，計算結(jié)果更加符合實際。

3)邊坡的防護應(yīng)根據(jù)邊坡的巖體結(jié)構(gòu)特征、穩(wěn)定性狀況及潛在的變形失穩(wěn)方式具體實施，由這一原則可知邊坡的地質(zhì)勘察和分析是邊坡防護設(shè)計的基礎(chǔ)，應(yīng)充分重視，同時安全耐久、經(jīng)濟美觀也是邊坡防護的重要原則。

[1] 曾憲明，林潤德，易 平.基坑與邊坡事故警示錄[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999:203-207.

[2] 楊航宇，顏志平，朱贊凌，等.公路邊坡防護與治理[M].北京:人民交通出版社，2002.

[3] 陳宇基.公路邊坡穩(wěn)定性分析與加固處理[J].山西建筑，2009，35(23):316-317.