公路高邊坡穩(wěn)定性分析與加固措施研究

鄒昌敏

摘要：邊坡在建設以及運營過程中，受到降雨等外力影響下，失穩(wěn)時有發(fā)生，一旦出現(xiàn)，輕則阻礙交通，重則危及行車安全。研究表明，南部多雨地區(qū)，針對高液限土質(zhì)邊坡，應采取可靠的截、排水措施，進行加固設計，并設置坡面防護，可有效保證邊坡長久的穩(wěn)定。本文首先總結(jié)了公路高邊坡失穩(wěn)的原因和破壞形態(tài)，隨后結(jié)合某公路工程ZK15+243處高邊坡，使用ANSYS軟件對其在天然和暴雨兩種情況下的穩(wěn)定性進行分析，最后結(jié)合工程實際情況，提出采用預應力錨索的方法進行治理，并基于錨索長度、錨索傾角、錨索垂直間距等設計參數(shù)提出了最優(yōu)邊坡錨固方案，本文的研究可為類似的公路高邊坡工程提供理論指導。

關(guān)鍵詞：公路;高邊坡;穩(wěn)定性;破壞原因;錨固優(yōu)化設計

因為我國各地區(qū)地形有較大的區(qū)別、水文地質(zhì)條件十分復雜，公路工程勘察設計難度大，在建設過程中會形成大量的公路高邊坡。公路高邊坡坡面在短時強降雨、持續(xù)性降雨、氣候變化、凍融作用等因素的干擾下，會造成沖蝕、剝落、泥石流等邊坡淺層危害，邊坡淺層危害發(fā)展到一定程度會影響到邊坡整體的穩(wěn)定性。因此，準確地評價公路高邊坡的穩(wěn)定性，提出經(jīng)濟、合理、安全的加固措施，對于公路工程的建設具有十分重要的意義。

1 公路邊坡失穩(wěn)原因及破壞形態(tài)

1.1 公路邊坡失穩(wěn)原因

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)學者的研究理論發(fā)現(xiàn)，公路高邊坡失穩(wěn)的原因大多與當?shù)氐牡刭|(zhì)條件、地形地貌有很大的關(guān)系，主要反映在以下幾點：

（1）邊坡的巖石節(jié)理較發(fā)育，同時又受到了風化作用的影響，造成巖石的強度隨著時間的增長而降低，各項物理力學指標出現(xiàn)明顯下降，當指標均值降低到維持邊坡穩(wěn)定的最低水平，就會造成邊坡的失穩(wěn)。

（2）在滑坡地段，未能對巖土體的各項性質(zhì)進行深入分析，在設計過程中依舊采用較大的坡比，而在施工中也沒有以現(xiàn)場施工情況為據(jù)來實時調(diào)節(jié)，開挖時仍舊按著原先的設計圖，所以無法保證邊坡本身的穩(wěn)定性。

（3）在邊坡開挖結(jié)束之后，并未及時采取相應的有效保護措施，導致邊坡上的巖土體長期暴露，經(jīng)陽光和雨水的長期風化和沖刷，導致巖土體的各項參數(shù)下降，坡體失穩(wěn)。

（4）山陵區(qū)域的降水多，雨水能夠沿循邊坡表層滲透至邊坡巖體之中。巖土體受到孔隙水的作用，導致巖體的強度指標出現(xiàn)下降，加強了邊坡的下滑力度，降低了穩(wěn)定性，巖土體也逐漸變軟，進而使邊坡的抗滑力下降。

2 公路高邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 工程概況

某公路工程ZK15+243處為巖質(zhì)高邊坡，工程地質(zhì)條件十分復雜。由地質(zhì)勘察資料可知，此邊坡面傾斜角度是187°，處于道路右邊，而山體自然坡度大約是5°到10°傾斜度不等。邊坡高約35m，表面有1到3米厚度不等的粉質(zhì)黏土，下伏基巖則是由強風化、中風化變質(zhì)板巖組成，裂隙巖石節(jié)理較軟，屬于破碎形態(tài)的巖體。

2.2 有限元模型建立

根據(jù)ZK15+243處巖質(zhì)高邊坡典型斷面，運用ANSYS進行有限元模型的創(chuàng)建。將物理學參數(shù)輸進模型中的涂層，然后對該邊坡模型進行網(wǎng)格劃分，在這里需要注意的是劃分的是四面體、長度為1米的網(wǎng)格，總共劃分了7260個網(wǎng)格。邊坡的位移邊界條件定義為：邊坡模型的臨空面都擇取自由邊界條件，側(cè)面和底部則分別是限定位移幅度、固定約束條件。本節(jié)對天然工況和暴雨工況下的邊坡展開模擬，并借助研究其塑性區(qū)以及位移等指標對邊坡的穩(wěn)定性進行評估。

2.3 天然工況下邊坡穩(wěn)定性

利用ABAQUS對邊坡天然工況進行模擬時，得到的邊坡塑性區(qū)和位移云圖如圖1所示，根據(jù)ANSYS軟件測算得到的邊坡安全系數(shù)為1.337，因此，表明這一邊坡在天然工況中呈現(xiàn)較穩(wěn)定的形態(tài)。

2.4 暴雨工況下邊坡穩(wěn)定性

利用ABAQUS模擬邊坡暴雨工況時，邊坡的物理力學采用飽和狀態(tài)下的參數(shù)，得到的邊坡塑性區(qū)和位移云圖如圖2所示。

由圖2（a）可知，邊坡的塑性區(qū)在暴雨工況下仍舊是位于中風化、全風化巖層接觸面的四周，并且邊坡中部則屬于最大塑性變形區(qū)。另外，邊坡的塑性變形區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)貫通跡象，這說明該工況下邊坡容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。從圖2（b）中不難看出，邊坡坡腳是邊坡最大位移之處，并且各個點的位移總體上來說要比天然工況下位移要大。

根據(jù)ANSYS軟件測算得到的邊坡安全系數(shù)值為1.05，因此，這一邊坡在天然工況下呈現(xiàn)非穩(wěn)定形態(tài)，應當加強支護措施。

3 公路高邊坡錨固優(yōu)化設計

根據(jù)錨固設計“強腰固腳”的原則，在ZK15+243處巖質(zhì)高邊坡典型斷面的坡腳處利用ANSYS建立了邊坡錨固有限元模型。錨桿采用pile單元進行模擬，錨桿數(shù)量為7根，錨桿長度選取30米、25米、20米、15米、10米，錨桿傾角選取30°、25°、20°、15°、10°，錨桿垂直間距為1米、2米、3米、4米。

選擇錨桿長度、錨桿傾角和垂直間距作為影響巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性的主要設計參數(shù)，并在原來錨固設計方案的基礎上對參數(shù)進行優(yōu)化。

（1）錨桿長度的影響

計算得出了不同錨桿長度與巖質(zhì)高邊坡安全系數(shù)關(guān)系如圖5所示。計算結(jié)果表明，當錨桿長度小于25m時，巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)隨著錨桿長度的增加而增加，且二者之間基本呈線性變化關(guān)系;當錨桿長度大于25m時，巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)隨錨桿長度基本保持不變。因此，錨桿在加固巖質(zhì)高邊坡時，有效長度為24m，超過此長度，錨桿對邊坡的安全系數(shù)沒有提升。錨桿長度與巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)的擬合方程是F=0.04L+0.5，相關(guān)系數(shù)R為0.9974，滿足擬合精確度的要求。

（2）錨桿傾角的影響

根據(jù)測算獲得了長度各異的錨桿與巖質(zhì)高邊坡安全系數(shù)的關(guān)聯(lián)。測算結(jié)果顯示，巖質(zhì)高邊坡的安全系數(shù)在錨桿傾角從10°向35°改變的期間內(nèi)，是逐漸增大然后減小的態(tài)勢。也就是當錨桿在20°傾斜內(nèi)時，邊坡的安全系數(shù)與錨桿的傾角呈正相關(guān);當錨桿超過20°傾斜時，邊坡的安全系數(shù)會隨之降低。錨桿在加固巖質(zhì)高邊坡時的最佳錨固角為20°。

4 結(jié)論

（1）邊坡的含水率、坡高、坡率均會對邊坡的穩(wěn)定產(chǎn)生影響，含水率在影響因素中最為敏感，當含水率超過26%后，安全系數(shù)會出現(xiàn)突降，因此在設計過程中，需要進行坡面防護的設定，進而使排水設備不斷健全;

（2）根據(jù)分析結(jié)果，采用分級開挖逐級支護既可保證邊坡穩(wěn)定，又可大幅縮短工期;

（3）坡面防護對控制降雨條件下坡表1.0m范圍內(nèi)的含水量具有顯著作用，可有效防治溜塌、沖蝕、剝落等危害。

施工過程中，由于二級邊坡一高液限土為主，遇水易崩解、軟化，且施工階段坡面滲水嚴重，錨索施工時成孔難度較大，可利用跟管鉆進工藝進行施工。

參考文獻：

[1]? 楊超.高速公路施工期邊坡穩(wěn)定性調(diào)查與防控措施[J].廣東公路交通，2019（4）：81-84+102.

[2]? 李世文.高速公路路塹高邊坡穩(wěn)定性分析及支護措施研究[J].公路工程，2018（5）：163-168.