高速公路高填深挖路基邊坡穩(wěn)定性分析

姚晉勇

（山西路橋第三工程有限公司，山西 太原 034000）

引言

高速公路修建過程中經常會遇到填方和挖方段，尤其在西南山區(qū)，高填方和深挖路塹等更為常見，而高填深挖形成的邊坡在一定條件下容易產生失穩(wěn)，加大施工難度。近年來，國內學者對高填深挖路基邊坡穩(wěn)定性進行了一些研究。官文龍和孫德榮［1-2］以某高速公路施工為研究對象，通過對多數(shù)的高填深挖路基邊坡進行分析，發(fā)現(xiàn)其在降雨過程中非常容易出現(xiàn)滑塌和充刷破壞等現(xiàn)象，施工過程中應該采用一定的加固手段進行邊坡加固，并做好日常監(jiān)測工作。李銀兵和魏增智［3-4］給出了常見高填深挖邊坡的破壞形式，并介紹了邊坡穩(wěn)定性分析方法，最終結合某工程實例對高填深挖路基邊坡進行了穩(wěn)定性分析，分析結果可為邊坡加固提供一定的參考和借鑒。何福道和李金鋒［5-6］通過分析高速公路路基邊坡，提出了可以采取合理的邊坡加固措施，比如擴大種植面積以及設計骨架、框架梁等邊坡加固措施來加固邊坡，從而使邊坡保持正常的穩(wěn)定性。趙江峰和趙東山［7-8］介紹了高速公路填方和深挖地段較多的特點，為了保證邊坡在運營期間不發(fā)生穩(wěn)定性破壞，在工程中應對土質特性以及水文氣候條件進行調查，設計合理的加固措施，減少事故的發(fā)生。

1 高填深挖路基邊坡破壞形式分析

高速公路高填深挖路基邊坡的穩(wěn)定性與很多因素有關，可以分為外部因素和內部因素兩大類。外部因素主要包括外界工程荷載、風化、氣候、地震以及人為擾動等，而內部因素包括土體巖性、地質條件、水質類型以及邊坡外部特征等，內部因素是決定邊坡穩(wěn)定性最主要的因素。根據(jù)以往的工程經驗和現(xiàn)有的研究成果，高速公路高填和深挖邊坡一般較陡且施工規(guī)模較大，容易發(fā)生沉降變形且變形量一般較大，由此引起的邊坡破壞形式也比較多，常見的有崩塌、滑坡以及整體傾倒等。根據(jù)滑坡不同的坡面破壞形式，可分為圓弧形滑坡、平面滑坡、楔形滑坡以及坍塌等。為了保證高填深挖路基邊坡的穩(wěn)定性，要求施工企業(yè)在施工前做好相關的專項施工和監(jiān)測方案，施工過程中科學地采用邊坡加固措施，并實時分析監(jiān)測到的相關數(shù)據(jù)。

2 高填深挖路基邊坡穩(wěn)定性分析方法

對高填深挖路基邊坡進行穩(wěn)定性分析具有重要的工程意義，不僅可以預測現(xiàn)狀邊坡的穩(wěn)定性，還可以為后續(xù)邊坡的加固提供依據(jù)。目前，常見的邊坡穩(wěn)定性分析方法有兩種，分別是極限平衡分析法和數(shù)值分析法。

2.1 極限平衡分析方法

極限平衡分析法在工程中非常常用，主要是采用力學平衡分析的方法，計算邊坡可能的滑動面，并最終求得邊坡安全系數(shù)。該方法的關鍵之處在于對滑坡面形態(tài)的分析以及滑坡范圍的分析，常見的分析原理和方法也有很多，比如簡布法、畢紹普法等，這些方法由于原理直觀，計算簡便，在以往的工程中得到了廣泛的應用。

2.2 數(shù)值分析方法

隨著計算機科學的不斷發(fā)展，數(shù)值分析方法應運而生，主要包括有限單元法、有限差分法、離散元法等。其中有限單元法的應用最為廣泛，優(yōu)點是可以考慮邊坡土體的不均勻和不連續(xù)性，比較準確地反映實際工況，并從應力應變角度分析邊坡的各種破壞，但也存在對數(shù)據(jù)要求較高，需要保證原始數(shù)據(jù)準確性的缺陷。

離散元法能夠有效地補充有限單元法帶來的缺陷，較為直觀地顯示出巖土體的速度場、位移場等邊坡，比較適合離散型巖土質（即塊裂介質）的變形問題，同時，該種方法也有缺陷，即計算過程中的時步較小，相關系數(shù)難以確定。

綜上，采用數(shù)值分析方法可以改變以往不能觀察邊坡破壞過程的弊端，但也需要花費一定的時間和精力來進行模型建立、參數(shù)驗算等，同時也對操作人員的專業(yè)性提出了較高要求。工程中應該合理地結合極限平衡法和數(shù)值分析法，相互對比、相互驗證，確保計算結果的可靠性和正確性。

3 工程實例

3.1 工程概況

青蘭國家高速長治至延安聯(lián)絡線（G2211）山西境黎城至霍州段，起點樁號K60+900 位于沁縣新店鎮(zhèn)南底水村，終點樁號K82+900 位于沁縣故縣鎮(zhèn)連家溝村。全線路基長22 km，主線采用雙向四車道高速公路標準建設，設計速度為80 km/h，路基設計寬度25.5 m。全線設大中橋3 286 m/10座，天橋390.8 m/5座，匝道現(xiàn)澆橋108 m/1 座。鋼波紋管涵2 104.2 m/31 道，蓋板涵845.75 m/17 道，箱型通道99.88/3 道，蓋板通道157.27/4 道。多處路段需要高填方和深挖方，其中路基挖方461 萬立方米，路基填方355.6 萬立方米。

3.2 自然條件及施工環(huán)境

3.2.1 地形和地貌

項目區(qū)屬丘陵山區(qū)，地勢西高東低，平均海拔1 000 m，最低點（南池鄉(xiāng)二神口）海拔916 m。區(qū)內溝岔縱橫，土質肥沃，森林茂盛，地形復雜。

3.2.2 氣象和水文

項目區(qū)隸屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季涼爽濕潤，冬季寒冷少雪。據(jù)多年氣象觀測資料統(tǒng)計，無霜期170 多天，年平均氣溫為8.9 ℃。年平均相對濕度為65%，年平均降水量為592.9 mm。氣候特點為春旱夏秋多雨。最大凍土深度約80 cm。

3.3 極限平衡分析

K56+820 斷面右側路塹斷面見圖1，采用極限平衡法進行計算，邊坡高度為46.12 m，結構面傾角為28.0°采用錨桿加固，結構面內摩擦角以及黏聚力分別為24.2°和32.2 kPa。采用理正軟件進行計算，采用極限平衡法里面的圓弧滑動面搜索法，計算得到邊坡安全系數(shù)為1.201，大于1.2，說明該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 右側路塹斷面/m

3.4 數(shù)值分析

采用有限元軟件ABAQUS 建模進行分析，見圖2。路塹邊坡為五級邊坡，模型整體高90 m，寬度為200 m，從上至下土質依次為強風化粉砂巖和中風化粉砂巖。本模型均采用摩爾-庫倫本構模型，且除模型上表面以外，其他邊界均進行位移約束，采用錨桿加固，錨桿尺寸為16×1 000 mm2。表1 為天然狀態(tài)下土體的物理力學參數(shù)和錨桿參數(shù)。

圖2 數(shù)值模型

表1 土體的物理力學參數(shù)和錨桿性能

采用錨桿加固后開挖完成后的塑性區(qū)云圖見圖3，可知，此時存在貫通的畫面，邊坡處于臨界狀態(tài)，計算得到的安全系數(shù)為1.083，施工過程中仍要加強支護才能保證邊坡的穩(wěn)定性。

圖3 開挖完成后的塑性區(qū)云圖

3.5 加固措施

由于路塹深度較大，邊坡級數(shù)較多且坡度大，其穩(wěn)定性較差，尤其在降雨情況下更差。因此，可以采用對第一和第二級邊坡采用混凝土框架植草加固防護，第三和第四級邊坡采用錨桿框架梁進行加固，頂級邊坡采用掛網植草的護坡方式。

4 結語

（1）施工企業(yè)在施工前做好相關的專項施工和監(jiān)測方案，施工過程中科學地采用邊坡加固措施，并實時分析監(jiān)測到的相關數(shù)據(jù)。（2）工程中應該合理地結合極限平衡法和數(shù)值分析法，相互對比、相互驗證，確保計算結果的可靠性和正確性。（3）對于多級路塹邊坡，可以對第一和第二級邊坡采用混凝土框架植草加固防護，第三和第四級邊坡采用錨桿框架梁進行加固，頂級邊坡采用掛網植草的護坡方式。