山區(qū)路塹邊坡穩(wěn)定性分析與加固方案

■張步龍

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004）

0 引言

近年來(lái)隨著我省高速公路的不斷建設(shè)，發(fā)達(dá)地區(qū)以及平原地形較為平坦地區(qū)的高速公路已基本建成，高速公路建設(shè)逐漸向地形地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)延伸[1]，超過(guò)30m的挖方路塹邊坡逐漸普遍，山區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性和安全問(wèn)題日益凸顯[2]。本文以福建省閩北某高速公路K288+689～K289+066路塹高邊坡為例，根據(jù)外業(yè)調(diào)查及勘察資料，對(duì)該路塹邊坡進(jìn)行了極限平衡法、二維有限元變形特征分析，總結(jié)出邊坡潛在滑動(dòng)面特征及變形特征，并提出相應(yīng)的綜合處治措施。

1 工程概況

擬建高邊坡位于閩北某山坡，屬剝蝕丘陵地貌，設(shè)計(jì)為雙向4車道，路寬約26m，路面設(shè)計(jì)標(biāo)高約516m，左、右側(cè)邊坡最大高度約為15～70m。地形起伏，山坡坡面走向與路軸線方向夾角約80°，山坡自然坡度約10～25°，相對(duì)高差約20～30m，山坡坡面植被發(fā)育。典型地質(zhì)橫斷面如下圖1。

2 地質(zhì)條件

擬建區(qū)域位于閩西北隆起帶與閩西南坳陷帶的過(guò)渡帶上，南平-寧化大斷裂帶的北部,經(jīng)地質(zhì)測(cè)繪并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)，未見(jiàn)斷裂帶發(fā)育，亦沒(méi)有活動(dòng)性斷裂構(gòu)造通過(guò)。場(chǎng)區(qū)地下水類型為基巖裂隙水，受地形及巖性影響，僅為淺層風(fēng)化裂隙水，水量較小，主要接受大氣降水及地下水側(cè)向補(bǔ)給，水量受降雨影響較大。

圖1 段落典型地質(zhì)橫斷面

據(jù)福建地震地質(zhì)勘察院出版的 《湄重高速公路三明境明溪城關(guān)至楓溪段線路工程地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》，工程場(chǎng)地設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，場(chǎng)區(qū)地震基本烈度為6度，場(chǎng)地加速度反應(yīng)譜特征周期全線為0.35s。

2.1 巖土層特征

根據(jù)鉆孔和現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)測(cè)繪揭露，本場(chǎng)區(qū)地層主要為第四系坡積土（Qdl）；下伏晚震旦系（上統(tǒng)）蓋洋群（Z2s+lt）變質(zhì)砂巖及其風(fēng)化層。本深挖區(qū)主要巖土層特征現(xiàn)分述如下。

2.2 節(jié)理裂隙

擬建邊坡地形起伏，基巖埋藏深，通過(guò)對(duì)K288+821、K288+887、K289+012處控制性橫斷面勘察可知，線路右側(cè)會(huì)形成高約50m的邊坡，坡體上第四系坡積土（Qdl）；下伏晚震旦系（上統(tǒng)）蓋洋群（Z2s+lt）變質(zhì)砂巖及其風(fēng)化層，其巖層片理產(chǎn)狀①為 31°∠50°，3～5 條/m，節(jié)理裂隙②為 295°∠65°，3～5 條/m， ③為 220°∠30°，1～3 條/m，其右側(cè)邊坡赤平投影如圖所示。從圖2結(jié)合赤平投影法綜合分析可知，巖層片理①及節(jié)理裂隙②、③走向與邊坡走向呈較大角度相交，對(duì)天然斜坡穩(wěn)定性影響較小，但擬開(kāi)挖邊坡結(jié)構(gòu)面結(jié)合差，坡體上部發(fā)育厚層全-碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖，結(jié)構(gòu)較松散，且受推覆構(gòu)造影響，坡體巖石破碎，主要成碎塊狀，在不利工況下（爆破、暴雨等）或邊坡開(kāi)挖后若不及時(shí)加固支護(hù)，易產(chǎn)生掉塊、小規(guī)模溜滑等現(xiàn)象，對(duì)邊坡穩(wěn)定較不利。

圖2 赤平投影

表1 主要巖土層特征表

3 邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

3.1 極限平衡分析及參數(shù)

本文借助GEO-Slope軟件，對(duì)其進(jìn)行極限平衡法和有限元計(jì)算[3]。根據(jù)挖方路塹橫斷面特點(diǎn)，選取典型K288+887橫斷面建立計(jì)算模型。K288+887橫斷面布置為：路塹中心挖深8.4m，路面寬26m。通過(guò)綜合考慮地形地貌、水文、地層巖性及其結(jié)構(gòu)面等情況，右側(cè)邊坡采用6級(jí)刷方， 邊坡坡率分別為 1∶0.5、1∶0.75、1∶0.75、1∶1.0、1∶1.25、1∶1.25，單級(jí)坡高8m，每級(jí)間設(shè)置2m平臺(tái)，形成路塹邊坡高約48m。

根據(jù)勘察報(bào)告及相關(guān)規(guī)范，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)綜合確定各層巖土體計(jì)算參數(shù)如表2。

表2 巖土體計(jì)算參數(shù)表

由計(jì)算結(jié)果可知，刷方后路塹邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面前緣位于坡腳巖層分界面，滑動(dòng)面后緣位于挖方坡頂往斜坡上部約10m，滑動(dòng)面下半部分沿碎塊狀強(qiáng)分化巖層與中風(fēng)化巖層交界面展開(kāi)。邊坡安全系數(shù)為1.154，該邊坡不滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）對(duì)高速公路路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.20的規(guī)定[4]，故需對(duì)該邊坡采取相應(yīng)的加固措施。

圖3 加固前計(jì)算結(jié)果

3.2 二維有限元分析

本文同時(shí)對(duì)典型K288+887橫斷面進(jìn)行二維有限元計(jì)算，通過(guò)分析變形特征，并結(jié)合極限平衡法計(jì)算結(jié)果，分析邊坡穩(wěn)定性影響因素及變形特點(diǎn)，進(jìn)而指導(dǎo)該路塹邊坡加固處理措施的設(shè)計(jì)。

二維有限元模型邊界條件及網(wǎng)格劃分如圖4所示。模型左右兩側(cè)施加水平向約束，限制水平位移；模型底部施加鉸支約束，限制水平及豎向位移；邊坡坡面及路面為自由面。本模型土體單元類型采用四節(jié)點(diǎn)平面實(shí)體單元，根據(jù)極限平衡法計(jì)算結(jié)果及工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)砂土狀強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖層及碎塊強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖層進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格劃分后共得到956個(gè)單元，961個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 二維有限元數(shù)值模型圖

計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)圖5所示，由圖5模型最大剪應(yīng)變?cè)茍D可以看出，最大剪應(yīng)變集中出現(xiàn)于碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖層與中風(fēng)化巖層分界面以上強(qiáng)風(fēng)化巖層內(nèi)部，說(shuō)明該區(qū)域存在較大的潛在破壞；同時(shí)，邊坡開(kāi)挖面坡腳處巖層交界附近的剪應(yīng)變也較其他坡面處大，且與巖層內(nèi)部最大剪應(yīng)變集中區(qū)域連貫。因此，可以認(rèn)為該路塹邊坡的潛在滑動(dòng)面前緣位于坡腳第一、二級(jí)巖層交界處附近，然后沿強(qiáng)風(fēng)化巖層與中風(fēng)化巖層交界面滑動(dòng)，這與極限分析平衡法的計(jì)算結(jié)果基本一致。

圖5 模型最大剪應(yīng)變?cè)茍D

4 加固措施分析與計(jì)算

根據(jù)本文第3.1、3.2小節(jié)所得的結(jié)論，結(jié)合使公路與沿線自然及社會(huì)環(huán)境協(xié)調(diào)相融，最終實(shí)現(xiàn)“安全、環(huán)保、舒適、和諧”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。加固方案以預(yù)應(yīng)力錨索（桿）加固為主，重點(diǎn)對(duì)坡腳潛在剪出口以及巖層交界面處的潛在滑動(dòng)面進(jìn)行加固，綠色植草坡面防護(hù)為輔。各級(jí)邊坡加固防護(hù)措施如表3，加固措施斷面設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖6。

表3 各級(jí)邊坡加固防護(hù)措施一覽表

圖7為施加加固措施后邊坡極限平衡法計(jì)算結(jié)果，圖8為加固后非正常工況Ⅰ下計(jì)算結(jié)果，如圖中所示，加固后路塹邊坡安全系數(shù)為1.264，滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）對(duì)高速公路路塹邊坡在正常工況下安全系數(shù)不小于1.20的要求；同時(shí)加固后非正常工況Ⅰ下路塹邊坡安全系數(shù)為1.168，滿足規(guī)范對(duì)高速公路路塹邊坡在非正常工況Ⅰ下安全系數(shù)不小于1.10的要求。

圖6 加固斷面設(shè)計(jì)圖

圖7 加固后計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

擬建高邊坡（K288+689～K289+066）存在路塹挖方邊坡高度大，坡體上部發(fā)育厚層強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖，結(jié)構(gòu)較松散，且坡體巖石破碎，邊坡開(kāi)挖后若不及時(shí)加固支護(hù)，易產(chǎn)生掉塊等現(xiàn)象。本文根據(jù)外業(yè)調(diào)查及勘察資料，對(duì)該路塹邊坡進(jìn)行了極限平衡法、二維有限元變形特征分析，并提出了相應(yīng)的治理措施，現(xiàn)形成以下結(jié)論：

在刷方后未采取加固措施的工況下，極限平衡法與二維有限元變形分析計(jì)算結(jié)果基本一致：即該路塹邊坡的潛在滑動(dòng)面前緣位于坡腳巖層交界處附近，沿強(qiáng)風(fēng)化巖層與中風(fēng)化巖層交界面展開(kāi)，滑動(dòng)面后緣位于挖方坡頂往斜坡上部約10m。

依據(jù)上述特點(diǎn)，綜合考慮地形地貌、水文、地層巖性及其結(jié)構(gòu)面等情況，本文針對(duì)坡腳潛在剪出口采用系統(tǒng)錨桿及預(yù)應(yīng)力錨桿框架進(jìn)行加固，針對(duì)坡體內(nèi)巖層交界面處的潛在滑動(dòng)面采用預(yù)應(yīng)力錨索框架進(jìn)行加固。加固方案以預(yù)應(yīng)力錨索（桿）加固為主，綠色植草坡面防護(hù)為輔。

圖8 加固后非正常工況Ⅰ下計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算分析路塹邊坡穩(wěn)定性及變形特征，可以針對(duì)性地對(duì)路塹邊坡進(jìn)行加固防護(hù)，能夠有效地提高邊坡安全系數(shù)，確保路塹邊坡坡體穩(wěn)定和交通運(yùn)輸安全。

[1]潘建標(biāo).高填陡坡路堤穩(wěn)定性分析及處治方案[J].福建交通科技,2017(5)：1-5.

[2]趙占群,楊強(qiáng)國(guó),谷明成,等.四川得榮峽谷公路邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與防治措施建議[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2016,27(2)：55-60.

[3]張良建,盧丙清,徐佩華,等.基于GEO-Slope方法的危巖體邊坡穩(wěn)定性研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2010,06(a02)：1587-1590.

[4]中華人民共和國(guó)交通部.JTG D30-2015,公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2015.