某公路路塹高邊坡穩(wěn)定性分析及防護(hù)措施研究

李勝

摘 要：本文通過理正邊坡綜合治理軟件，以某公路特殊受限段路塹復(fù)雜高邊坡為例，基于邊坡現(xiàn)場的實(shí)際調(diào)研勘察，掌握了該地區(qū)的工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，選取合理的巖土體力學(xué)參數(shù)對邊坡進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，分析不同防護(hù)措施下，邊坡的穩(wěn)定性。對比不同的防護(hù)措施，以安全、經(jīng)濟(jì)為導(dǎo)向，在設(shè)計(jì)階段確定了路塹開挖后邊坡的防護(hù)型式，具有一定的理論與工程實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞：公路;復(fù)雜高邊坡;穩(wěn)定性;防護(hù)措施

中圖分類號：U416.14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

在人類工程和經(jīng)濟(jì)活動中，邊坡扮演著重要的角色，是一種較為廣泛的地質(zhì)地貌環(huán)境，按成因分類可分為人工邊坡和自然邊坡。邊坡通常會在某些自然因素以及人為的擾動的作用下而產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，常見的破壞形式有滑坡、崩塌以及泥石流等。邊坡的失穩(wěn)破壞對人員生命安全以及財(cái)產(chǎn)威脅巨大，嚴(yán)重時還有可能引發(fā)一系列的地質(zhì)災(zāi)害。隨著人類活動涉及到的空間不斷延伸，各類工程規(guī)模迅速增大，工程中所遇到的邊坡種類也越來越多，邊坡穩(wěn)定性問題也變得越來越突出。

邊坡穩(wěn)定性分析是土木工程領(lǐng)域重要的研究方向，邊坡工程涉及的建筑、橋梁、道路等眾多領(lǐng)域，對邊坡穩(wěn)定性評價結(jié)果的正確與否和邊坡工程項(xiàng)目質(zhì)量緊密聯(lián)系。為了安全和科學(xué)的指導(dǎo)實(shí)際項(xiàng)目順利進(jìn)行，需要對工程邊坡進(jìn)行準(zhǔn)確的穩(wěn)定性分析和評價。如果對邊坡穩(wěn)定性分析不夠準(zhǔn)確，甚至邊坡分析得出了錯誤的結(jié)論，不僅會影響到工程質(zhì)量，甚至有可能引發(fā)工程事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。邊坡失穩(wěn)破壞產(chǎn)生的危害都是災(zāi)難性的，所以準(zhǔn)確的邊坡穩(wěn)定性分析方法對工程項(xiàng)目有著極為重大的影響。

1 邊坡穩(wěn)定性的分析方法

邊坡穩(wěn)定性分析和評價通常可分為以下兩大類：（1）定性的分析方法。定性分析主要包括自然歷史分析、工程地質(zhì)類比法、圖解法、邊坡分析專家系統(tǒng)。（2）定量的分析方法。定量的分析方法是基于某種假設(shè)，按一定的原則，計(jì)算得出安全系數(shù)，最后根據(jù)該系數(shù)對邊坡進(jìn)行綜合穩(wěn)定分析和評價。本文主要采用定量分析的方法來完成具體邊坡的穩(wěn)定性分析，指導(dǎo)邊坡支護(hù)防護(hù)措施設(shè)計(jì)。

通過理論和實(shí)際研究，邊坡工程的定量分析方法一般可以運(yùn)用常規(guī)的極限平衡法以及基于有限元分析的強(qiáng)度折減法。由諸多學(xué)者的研究和筆者實(shí)際工程檢驗(yàn)，基于極限平衡法計(jì)算的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)較有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算的結(jié)果相對更加保守，所以本文邊坡穩(wěn)定性分析采用極限平衡法。

極限平衡法在邊坡穩(wěn)定性分析中應(yīng)用較為廣泛，基于快速高效的計(jì)算原則，土質(zhì)邊坡大多采用圓弧法法，它的核心原理是將滑動的巖土體條劃分為一系列的單個土條，然后對所劃分的土條進(jìn)行受力分析，通過簡單的公式計(jì)算就可以得出邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。選擇合適范圍的滑體和滑面的形態(tài)進(jìn)行分析研究是極限平衡法的關(guān)鍵所在，然后選擇合理準(zhǔn)確的滑面計(jì)算參數(shù)，進(jìn)而就可以分析研究滑體上附加的各種荷載?；谶@種核心思想的理論分析方法很多，比如簡化Bishop法、Janbu法以及Sarma法等。

1.1 簡化Bishop法

簡化Bishop法是一種適合弧形滑動的邊坡穩(wěn)定性分析方法，相對Fellenius條分法改進(jìn)了條分法的計(jì)算精度，計(jì)算的安全系數(shù)也更符合實(shí)際，在工程中常常被采用。

經(jīng)過一系列的推導(dǎo)得出Bishop法計(jì)算邊坡安全系數(shù)的公式如下：

1.2 Janbu法

Janbu法是用來分析松散均質(zhì)邊坡中，受基巖面限制而產(chǎn)生兩端弧形、中間位平面或折線的符合破壞面滑動的穩(wěn)定性分析方法。

1.3 Sarma法

Sarma分析法具有更真實(shí)的模擬滑坡力學(xué)分析能力，可適用于評價何種破壞模式下的邊坡穩(wěn)定性，如平面狀的滑動破壞、楔形狀的滑動破壞、弧形狀的滑動破壞等，而且此法可以任意分塊，不需要條塊邊界垂直，適用各種特殊滑動面的邊坡滑動破壞分析。但是采用此法計(jì)算安全系數(shù)需用迭代法，計(jì)算較為復(fù)雜。

極限平衡法原理簡單易懂，計(jì)算結(jié)果可靠，很容易被工程技術(shù)人員熟練地掌握和應(yīng)用，由結(jié)果也很直觀的反映出邊坡的危險滑動面，更好地指導(dǎo)工程技術(shù)人員提出有征對性的加固處理措施，故而廣泛地應(yīng)用于工程領(lǐng)域。

2 工程實(shí)例分析

某公路路塹高邊坡位于陽江市陽東區(qū)，邊坡高度約為40 m，邊坡所在道路為新改建國道G325線，道路等級為一級公路。邊坡山頂周圍有大型高壓輸電塔，由于路線無改線優(yōu)化空間，為保障大型高壓輸電塔安全，邊坡坡頂距電塔必須滿足一定的安全距離，大型高壓輸電塔成為路塹邊坡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性因素。

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）對公路邊坡穩(wěn)定性評價要求，要求各等級公路路塹邊坡穩(wěn)定系數(shù)不小于表1所列穩(wěn)定安全數(shù)值。

對于邊坡破壞的影響區(qū)域范圍內(nèi)，如果存在高壓電塔時，規(guī)范要求邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)取大值。根據(jù)上述要求，該路塹邊坡坡頂存在高壓電塔，邊坡開挖后的穩(wěn)定安全系數(shù)不能小于1.3。

2.1 場地工程地質(zhì)條件

邊坡所在路段處于山嶺重丘地帶，地形起伏較大，自然坡角最大約40～50°。山體表面植被覆蓋，生長松樹、桉樹及各種灌木植物。本次勘察的鉆孔孔口高程在59.12～96.44 m之間，地勢高低起伏。

通過鉆探資料及實(shí)地地質(zhì)調(diào)繪成果，邊坡土層分類主要由第四系殘積層（Q）砂質(zhì)黏性土及石炭系（C3）沉積砂巖及其風(fēng)化層組成。各巖土層分述如下：

2.1.1 第四系中更新統(tǒng)殘積層（Q2）

粉質(zhì)黏性土（地層編號⑧）：土樣呈褐紅色，可塑狀態(tài)，主要以黏粒為主。土質(zhì)分布不均勻，局部含有少量風(fēng)化顆粒，系巖石風(fēng)化而成的殘積土。厚度0.50～10.10 m，為Ⅲ級硬土。

2.1.2 石炭系（C3）沉積砂巖

根據(jù)巖層的風(fēng)化程度以及裂隙發(fā)育情況，結(jié)合本次野外勘察，揭露全、強(qiáng)風(fēng)化兩層（帶），其描述如下：

（1）全風(fēng)化砂巖（地層編號⒄1）：巖芯呈灰黃色，原巖結(jié)構(gòu)較為破壞，風(fēng)化嚴(yán)重且?guī)r質(zhì)軟，遇水易軟化崩解。巖芯力學(xué)評定質(zhì)量等級為Ⅴ級，為極軟巖。場地范圍內(nèi)層狀分布，層厚0.50～4.00 m，層頂深度在1.50～12.00 m之間，層頂高程在47.12～90.80 m之間。

（2）強(qiáng)風(fēng)化砂巖（地層編號⒄2）：巖芯呈灰黃色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯主要呈半巖半土碎塊狀，敲擊易碎，巖芯力學(xué)評定質(zhì)量等級為Ⅴ級，為極軟巖。該層風(fēng)化不均，軟弱夾層大量發(fā)育。場地范圍內(nèi)層狀分布，鉆入層厚8.20～46.60 m，層頂深度在0.80～13.40 m之間，頂板高程在46.12～89.30 m之間。

2.2 巖層參數(shù)選取

本文的案例中，各土層物理力學(xué)指標(biāo)采用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)巖土工程勘察報告，相關(guān)參數(shù)指標(biāo)按下表取值。

2.3 穩(wěn)定性分析及支護(hù)方案比選

邊坡的坡率應(yīng)根據(jù)相近工程的類比和力學(xué)計(jì)算，同時結(jié)合生態(tài)景觀要求綜合確定。邊坡坡率是高邊坡的支護(hù)處治的關(guān)鍵性因素，很大程度上決定了工程的規(guī)模和費(fèi)用。由于邊坡山頂周圍有大型高壓輸電塔，為保障大型高壓輸電塔安全，邊坡坡頂距電塔必須滿足一定的安全距離。在保證足夠的安全距離的前提下，該邊坡極限開挖后，第一級和第二級采用1∶0.75的坡率;第三級和第四級采用1∶1坡率。邊坡開挖后斷面圖如圖1所示。

通過理正邊坡綜合治理軟件，計(jì)算開挖邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.122，穩(wěn)定性不滿足規(guī)范的要求，極限開挖邊坡需進(jìn)行支護(hù)處理。

方案一：通過以往工程經(jīng)驗(yàn)，對邊坡“固腳、強(qiáng)腰”采用弱削方、強(qiáng)支擋，邊坡開挖處治后的穩(wěn)定性較好。本項(xiàng)目在極限開挖邊坡的坡率下，第一級坡面采用格梁+錨固支護(hù)，第二級坡面采用格梁+錨索支護(hù)，第三級坡面采用格梁+錨固支護(hù)，第四級坡面結(jié)合生態(tài)環(huán)保景觀采用三維網(wǎng)植草防護(hù)。邊坡支護(hù)方案如圖2所示。

方案二：盡可能保證開挖邊坡坡頂遠(yuǎn)離高壓電塔，采取強(qiáng)支護(hù)結(jié)合減小邊坡坡率。第一級邊坡采用抗滑樁+錨索支護(hù)，第二級采用格梁+錨固支護(hù)，第三級和第四級采用三維網(wǎng)植草防護(hù)。邊坡支護(hù)方案如圖3所示。

采用理正邊坡綜合治理軟件，運(yùn)用極限平衡法計(jì)算方案一和方案二的邊坡穩(wěn)定性，方案一的邊坡安全系數(shù)為1.351，方案二的邊坡安全系數(shù)為1.348。

按照實(shí)際80 m長度邊坡計(jì)量，結(jié)合估算成本，兩種方案綜合比選如表3所示。

通過上述對比可知，方案一和方案二對邊坡支護(hù)處理后，邊坡安全系數(shù)基本相同，全部滿足規(guī)范要求。方案二下，由于第一級邊坡采用抗滑樁板墻+錨索支護(hù)，邊坡垂直狀，坡頂距高壓電塔安全距離較方案一更大。但是在取得相當(dāng)?shù)奶幚硇Ч闆r下，方案一施工工藝較常規(guī)，且總體建安費(fèi)用更低，方案一對比方案二優(yōu)勢較為明顯。綜合比選，本邊坡設(shè)計(jì)階段采用方案一處理方式。經(jīng)過對比也不難看出，第一級邊坡采用格梁錨桿“固腳”取得的效果和抗滑樁支護(hù)效果相當(dāng)，且具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和施工優(yōu)勢。在實(shí)際工程應(yīng)用中，邊坡采用緩坡率+格梁錨桿固腳效果明顯。

3 結(jié)語

（1）本文以陽江某公路邊坡為例，通過理正綜合治理分析軟件，采用極限平衡法，計(jì)算兩種邊坡支護(hù)方案的邊坡安全系數(shù)，綜合對比選取最優(yōu)的方案，指導(dǎo)邊坡的后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）第一級邊坡采用緩坡率+格梁錨桿固腳效果明顯，且經(jīng)濟(jì)性較好，具有一定實(shí)際應(yīng)用價值。

（3）基于“減載、固腳、強(qiáng)腰、排水”的原則，對地形地貌陡峻的路段采用弱削方、強(qiáng)支擋結(jié)合綠色生態(tài)坡面植被，既有一定的經(jīng)濟(jì)效益，又滿足環(huán)保景觀生態(tài)要求，對往后此類邊坡工程治理提供了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，同時具有一定的借鑒作用。

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