尾砂礦區(qū)道路高陡邊坡優(yōu)化計算分析

韓海霞++李婷婷++錢行

摘 要：為研究尾砂礦復雜地貌區(qū)的高陡邊坡的穩(wěn)定性，利用Geostudio軟件對某一地段的典型高陡邊坡的穩(wěn)定性進行分析，并針對避免二次征地的問題，提出削坡方案，將邊坡的坡比由1：1.75削成1：0.5，為進一步提高邊坡的穩(wěn)定性，采用加筋支護的形式進行邊坡支護。結(jié)果表明：邊坡的安全系數(shù)隨邊坡的開挖而降低；加固后的邊坡安全系數(shù)有所增大。為類似地區(qū)的高邊坡的穩(wěn)定性提供參考和建議。

關(guān)鍵詞：路堤高邊坡；邊坡支護；穩(wěn)定性分析；數(shù)值模擬；尾砂礦

在公路的修建過程中，難免會存在路堤的開挖的狀況，在設(shè)計和施工的時候可以采用坡度較大的邊坡。喻軍華對巖質(zhì)高邊坡開挖與支護過程進行了系統(tǒng)的分析，但其理論與分析方法不宜用于土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析；劉欣欣針對在季節(jié)性凍土地區(qū)邊坡穩(wěn)定性進行了研究，但對南方較少出現(xiàn)季節(jié)性凍土的土質(zhì)邊坡并不實用；廖小平（2003）根據(jù)邊坡的不同類別與不同的邊坡滑移方式分析了類土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性與破壞形式，并闡述了其理論基礎(chǔ)，但并沒有針對某一算例進行定量分析，對實際施工具有較少的借鑒意義。針對以上不足，本文提出了針對南方某一地區(qū)存在的路堤高陡土質(zhì)邊坡進行穩(wěn)定性分析，并對其進行優(yōu)化處理。

1 工程概況

南京某繞越公路東北段地貌類型屬垅崗狀沖洪積傾斜平原區(qū)，路線經(jīng)過區(qū)勘探深度范圍內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)松散沉積物、第三系中新統(tǒng)雨花臺組砂礫層及白堊系浦口組泥巖。由于后期人為剝露，局部區(qū)域主要土層為：粘土、粉質(zhì)粘土層、圓礫、卵石層、強風化泥巖和中風化泥巖。地層上部堆積著灰黃色、灰色黏土，該層土層頂埋深0.00～3.10m、平均0.54m；層頂標高9.90～55.90m、平均36.83m；厚度2.50～7.50m、平均4.00m。由于上部分布著黏土，其塑限、液限相對較高，中部分布著顏色較雜，黃灰色為主的圓礫、卵石，該層土層頂埋深0.00～11.70m、平均5.12m；層頂標高1.30～63.60m、平均30.25m；厚度0.25～33.10m、平均12.22m。下部分布著磚紅色、棕紅色，堅硬的泥巖。

其中，K18+075～K18+180段路基附近有一較大采砂坑，沿路線方向長度一百多米，坑深26.5m～31.1m，設(shè)計路堤路肩距坑邊約5～6m，設(shè)計路堤頂面高度距坑底約20m，因此該路基邊坡屬于高邊坡，若采用常規(guī)折線形放坡或臺階式放坡，坑底坡址處將超過建筑紅線，引起二次征地問題。

2 方案分析

本標段以原始方案為基礎(chǔ)，分析原始方案的高陡邊坡的穩(wěn)定性，由于原始方案的占地面積較大，因此采用削坡的方式，削坡是分級進行的，初期是將邊坡由1：1.75削成1：1，后期是將邊坡由1：1削成1：0.5。但是邊坡的開挖可能導致邊坡的一部分土體在結(jié)構(gòu)和含水率方面會發(fā)生變化成為擾動土，因此，在削坡的過程中要充分考慮擾動土的各項參數(shù)變化及其影響，以觀察在此情況下的邊坡的穩(wěn)定性的相應(yīng)變化。之后對削坡后的邊坡采取支護的方式來提高邊坡的安全系數(shù)，提高邊坡的穩(wěn)定性，邊坡的支護考慮到當?shù)赝翆拥男再|(zhì)和經(jīng)濟的問題采用回填土加筋收坡的防護結(jié)構(gòu)形式。土樣的基本參數(shù)如表1，計算斷面模型如圖2.1。

2.1 原始邊坡穩(wěn)定性分析

在本方案中不考慮孔隙水的影響，滑動體從左到右共劃分為30個土條，編為1～30號。計算迭代次數(shù)最大為2000次，迭代誤差小于0.01%則認為達到收斂，滑動面與土條形狀由系統(tǒng)自動選取，建立原始方案分析模型。原始高陡邊坡的邊坡安全系數(shù)是1.895。根據(jù)規(guī)范可知，該邊坡的穩(wěn)定性較好。

2.2 邊坡優(yōu)化后的穩(wěn)定性分析

2.2.1邊坡削坡后的穩(wěn)定性分析

初步削坡后的邊坡增加擾動土層，此時邊坡的安全系數(shù)為1.415。可以看出，相較于原始邊坡，初步削坡后的邊坡的安全系數(shù)大大降低，但是根據(jù)規(guī)范，其安全系數(shù)仍然處于較好的范圍，符合規(guī)范的要求。

再次削坡由于邊坡的再次開挖，造成擾動土體的進一步擴大，導致邊坡邊緣處的土體性質(zhì)變差。再次削坡后的邊坡的潛在滑動面如圖2.2所示，安全系數(shù)是1.069，根據(jù)規(guī)范可知該邊坡的穩(wěn)定性較差，且再次削坡后的邊坡滑動面由上下邊坡的共同滑動變?yōu)榱酥挥邢逻呥吰碌幕瑒?。滑動體明顯向前移動，其穩(wěn)定性有明顯的而降低。因此，為了滿足邊坡整體穩(wěn)定性的要求，還需對回填土邊坡進行支護處理。

2.2.2支護邊坡的穩(wěn)定性分析

工程實踐中削坡后的邊坡的穩(wěn)定性較差，因此，需對回填土進行支擋防護。常用的支擋結(jié)構(gòu)有抗滑樁、擋墻等結(jié)構(gòu)形式。然而，考慮到原始砂礫土層與下臥泥巖較好的工程性能，以及土層中卵石的大量分布，若采用傳統(tǒng)的抗滑樁支護方式，現(xiàn)場鉆孔以及機械施工較為困難；而重力式擋墻等支護形式雖然可以實現(xiàn)對回填土層的收坡作用，但相對較小穩(wěn)定安全系數(shù)的提高，其工程造價性對昂貴。因此，考慮到邊坡最不利滑動面位于回填擾動砂礫土層中，現(xiàn)場施工中可采用回填土加筋收坡的防護結(jié)構(gòu)形式。

加筋土復合體是通過筋土間剪切作用將拉應(yīng)力傳遞到相鄰拉筋上的，而土體僅承受壓應(yīng)力及剪切應(yīng)力，使加筋土體成為具有一定自承約束的復合結(jié)構(gòu)。 最初，加筋土加固機理采用簡單摩擦加固機理模型進行分析，參見圖2.3。之后，加筋土“粘聚力理論” 分析模型逐漸發(fā)展起來，并得到進一步完善。工程實踐與室內(nèi)研究表明，對于土石混合料、碎石土、堆石體等填料加筋效果較為顯著，可顯著提高散體材料工程性能。

本工程中加筋后的邊坡相比于無支護邊坡，其安全系數(shù)由1.069提高為1.452，有明顯提高，且滑動面明顯后移，滑動體體積明顯增大，因此調(diào)動滑動體的所需要的力也進一步增大，從而進一步提高了邊坡的穩(wěn)定性。

加固支護后的邊坡土條的抗剪強度明顯提高，這是由于在設(shè)置土工格柵后，危險滑動體的體積增大，土條的高度增加，對滑動面的壓力也同時增加，由于在摩爾-庫倫理論中抗剪強度與正應(yīng)力成正比，所以增加正應(yīng)力可以更好地發(fā)揮土體的抗剪能力，從而提高邊坡的穩(wěn)定性。

原始邊坡與優(yōu)化后的邊坡數(shù)據(jù)如表2。

3 結(jié)論

本方案以原始高陡邊坡的穩(wěn)定性分析為基礎(chǔ)，考慮到原始邊坡占地面積太大可能引起二次征地的問題，設(shè)計出邊坡的優(yōu)化處理。初步采用削坡的方式，其中削坡分兩部分進行，由1：1.75到1：1再到1：0.5，邊坡的安全系數(shù)隨著邊坡的開挖而有所降低，穩(wěn)定性下降。由于削坡后的穩(wěn)定性較差，因此對回填土邊坡進行加筋支護以提高邊坡的穩(wěn)定性。加筋支護后的邊坡比原始邊坡在占地面積的長度上要減少10m，同時比較各個邊坡在不同方法下的安全系數(shù)可以得出加筋支護方案的安全系數(shù)較高，穩(wěn)定性較好，故支護方案是合理可行的。

參考文獻

[1] JTGD30—2004.公路路基設(shè)計規(guī)范[S]

[2] 喻軍華.巖質(zhì)高邊坡開挖與支護過程分析[D].浙江：浙江大學建筑工程學院，2003

[3]劉欣欣.季節(jié)性凍土地區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析[D].重慶：重慶交通大學巖土工程，2013

[4] 廖小平.類土質(zhì)路堤邊坡變形破壞類型及其穩(wěn)定性分析[J].巖石力學與工程學報，2003（S2）：2765-2772

作者簡介

韓海霞，河南省鄭州市，現(xiàn)就讀于鄭州大學土木工程學院，研究方向：邊坡與基坑工程。