公路高邊坡穩(wěn)定分析方法及支擋優(yōu)化設(shè)計

周懷恩

摘要 文章從公路高邊坡的穩(wěn)定分析方法入手，論述高邊坡穩(wěn)定性評價方法及現(xiàn)有問題，結(jié)合實際工程對錨固結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了深度優(yōu)化，得到了最佳組合的錨固結(jié)構(gòu)參數(shù)。研究結(jié)果表明，邊坡穩(wěn)定性與錨固角成反比與錨固深度成正比，同時當(dāng)錨固結(jié)構(gòu)的錨固角為10°，錨固深度為19 m時，邊坡處于最安全狀態(tài)。

關(guān)鍵詞 公路工程;高邊坡;穩(wěn)定性分析;支護措施;錨固結(jié)構(gòu)

中圖分類號 U416.14 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0124-03

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的蓬勃、快速發(fā)展，公路工程等一系列基礎(chǔ)設(shè)施也進入了空前的繁榮時期。與此同時，也對相應(yīng)的公路工程建設(shè)提出了更高的要求，例如在山區(qū)及西部地區(qū)公路施工過程中，受特殊的地形、地貌及地質(zhì)水文條件影響，不可避免地會遇到邊坡開挖、支擋防護等一系列工程難題，并造成巖土體擾動、破壞周邊環(huán)境以及誘發(fā)常見的地質(zhì)災(zāi)害等問題。以高邊坡穩(wěn)定分析為依據(jù)，高邊坡設(shè)計理念為核心，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)邊坡支護措施與周邊環(huán)境，選擇最為科學(xué)、有效的支擋優(yōu)化方案對公路高邊坡工程施工及運營維護均有顯著意義。

1 高邊坡穩(wěn)定分析方法及現(xiàn)有問題

1.1 高邊坡穩(wěn)定分析方法

目前，高邊坡穩(wěn)定分析方法從分析類型方面大致可分為定性分析方法、定量分析方法以及非確定性分析方法三大類[1-2]。具體如下：

（1）定性分析是指采用地勘或調(diào)研等工程勘察形式，對誘發(fā)高邊坡失穩(wěn)的主要起因以及預(yù)期邊坡災(zāi)害形式等進行系統(tǒng)分析的一種方法，通過與已變形或破壞的高邊坡失穩(wěn)原因及破壞形式進行對比分析，進而以類比的方法獲知被評價高邊坡的穩(wěn)定性。常見的定性分析方法有：自然歷史分析法、工程類比法以及邊坡穩(wěn)定分析數(shù)據(jù)庫等。該法能夠綜合誘發(fā)高邊坡失穩(wěn)的多種因素，并快速確定其所處狀態(tài)，被廣泛用作高邊坡穩(wěn)定性的初步分析。

（2）定量分析方法目前主要有極限平衡分析法和數(shù)值分析法兩種。極限平衡分析法具有較強的理論基礎(chǔ)且能夠充分考慮多種荷載形式，在高邊坡穩(wěn)定分析方面得到了廣泛應(yīng)用。極限平衡分析的大致思路是通過不同劃分形式將滑坡體簡化為若干條形體后，通過力學(xué)關(guān)系計算得到相應(yīng)的邊坡安全系數(shù)。常用的極限平衡方法有畢肖普法和簡布法等。受預(yù)先假定滑動面位置以及無法充分考慮支擋結(jié)構(gòu)與巖土體間的力學(xué)及變形關(guān)系等因素的制約，限制了該方法在邊坡穩(wěn)定分析方面的進一步發(fā)展。數(shù)值分析方法能夠合理的消除極限平衡法所存在的弊端，目前已成為高邊坡穩(wěn)定分析主流方法，具體思路如下：采用不同求解方法確定公路高邊坡力學(xué)及其響應(yīng)特征后，分析巖土體邊坡中不同位置處的力學(xué)及變形演化規(guī)律，求得對應(yīng)位置處的邊坡安全系數(shù)，以此作為依據(jù)判斷公路高邊坡當(dāng)前所處的穩(wěn)定狀態(tài)。常用的數(shù)值分析方法有：有限元分析法、有限差分法、離散元法等。表1列出了不同數(shù)值分析方法在邊坡穩(wěn)定分析方面的特征。

（3）非確定性分析方法是以統(tǒng)計學(xué)理論為依據(jù)所提出的一種可用于高邊坡穩(wěn)定分析方法。由于誘發(fā)高邊坡失穩(wěn)的影響因素眾多，同時這些因素大多具有顯著的隨機性和不確定性，很難通過量化關(guān)系獲取所需的模型參數(shù)。從參數(shù)的隨機分布出發(fā)，以非確定性分析方法為依據(jù)，通過統(tǒng)計分析，對高邊坡進行穩(wěn)定性評價是一種行之有效的方法。常見的非確定性分析方法有可靠度分析方法、灰色理論法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。但受樣本選取難度大、容量大等且適用性較差缺點，僅在樣本豐富的情況下適用。

1.2 高邊坡穩(wěn)定分析方法現(xiàn)有問題

目前高邊坡工程中常用的邊坡穩(wěn)定分析方法，能夠為邊坡失穩(wěn)提供一定的判據(jù)和預(yù)測，但目前仍存在以下問題有待進一步解決，即邊坡安全系數(shù)的含義有待完善、邊坡潛在滑動面位置的確定以及多場耦合在邊坡分析中的實現(xiàn)等。

（1）安全系數(shù)在傳統(tǒng)意義上被定義為潛在滑動面上的抗滑力與滑動力的比值。然而目前安全系數(shù)定義已經(jīng)被擴展至宏、微觀安全系數(shù)、經(jīng)驗安全系數(shù)等方面，諸如以強度指標(biāo)儲備的強度折減法作為安全系數(shù)等，這與傳統(tǒng)定義存在一定的出入。上述安全系數(shù)的提出一定程度上豐富了邊坡穩(wěn)定性評價的發(fā)展，但所提出新的安全系數(shù)缺乏一定的物理含義或含義不明確，有待對安全系數(shù)的提出開展更為系統(tǒng)和完善的研究。

（2）邊坡分析的主要目的是確定其潛在滑動面，特別是針對高邊坡而言，其滑動面一旦發(fā)生破壞，造成的破壞難以預(yù)估。如何準確地預(yù)測公路高邊坡潛在滑動面的位置至關(guān)重要。現(xiàn)有的滑動面確定方法主要有變分法和搜索法等。由于變分法在求解安全系數(shù)時所確定的潛在滑動面在數(shù)學(xué)方面缺乏一定的嚴謹性，搜索法在確定潛在滑動面時也會遇到數(shù)值問題，上述方面在確定高邊坡潛在滑動面時仍存在缺陷，結(jié)合數(shù)值計算方法或提出新的滑動面預(yù)測方法是解決該問題的新途徑。

（3）邊坡失穩(wěn)往往是由于外界條件改變而誘發(fā)土體參數(shù)發(fā)生改變造成的?？茖W(xué)、合理確定模型參數(shù)取值以及模擬外界條件環(huán)境因素變化對于邊坡穩(wěn)定分析是極為重要的。作為邊坡穩(wěn)定分析中最普遍被涉及的物理場、滲流場和應(yīng)力場的流固耦合模擬，才能夠較為真實地反映邊坡真實情況。對于位于特殊氣候或地質(zhì)構(gòu)造趨于多變或地震頻發(fā)區(qū)域的邊坡，對其穩(wěn)定分析時還須考慮溫度場耦合或動態(tài)有限元分析。只有在確定巖土體準確的力學(xué)參數(shù)條件下，充分考慮實際工程中可能遇到的多場作用，以多場耦合形式來求解公路高邊坡穩(wěn)定問題才更為科學(xué)、合理。

2 實例分析

2.1 工程背景

湖北某高速公路路線全長160 km，所處地區(qū)路線高程變化大，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，且地形條件極其復(fù)雜，途徑多處高邊坡地帶。為保證公路建設(shè)的順利實施，在設(shè)計時必須綜合上述因素進行考慮，以期達到最佳的高邊坡治理效果。路線全段采用一級公路建設(shè)標(biāo)準，路基寬度設(shè)計為33.5 m，設(shè)計時速為100 km/h，通過對該工程案例中的公路高邊坡進行優(yōu)化設(shè)計與分析能夠為相關(guān)高邊坡支護設(shè)計提供一定的借鑒。

2.2 高邊坡設(shè)計原則

高邊坡治理設(shè)計過程中往往需要秉持著“預(yù)防為主、不留后患、經(jīng)濟并行、綜合治理”的設(shè)計理念[3-4]。預(yù)防為主作為高邊坡設(shè)計過程中的首要原則，不僅能夠最大限度減少工程量，同時避免額外的施工成本投入。對于設(shè)計過程中遇到特殊巖土體或地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地帶，應(yīng)盡可能選擇改線，避開不利于公路施工及后期運營的地段。若無法實現(xiàn)改線避讓時，避免采用高填深挖邊坡，應(yīng)采用隧道工程替代邊坡工程。邊坡治理應(yīng)一次根治，在對巖土體邊坡潛在地質(zhì)災(zāi)害進行準確地分析與預(yù)估后，方能進行高邊坡工程設(shè)計。通過對所提出的設(shè)計方案進行多方論證后，選定高邊坡工程最為科學(xué)、合理的防治措施。一旦確定了高邊坡治理方案后，嚴格按照相關(guān)規(guī)范對高邊坡進行施工，避免出現(xiàn)工程安全事故。經(jīng)濟并行是高邊坡治理設(shè)計的一大核心問題。在高邊坡治理過程中，不僅要確保所提出的治理方案科學(xué)有效，同時應(yīng)盡可能減少施工成本以及施工時間等。設(shè)計過程中在滿足預(yù)防為主、不留后患的條件下應(yīng)盡可能提出多種治理設(shè)計方案，從技術(shù)和經(jīng)濟層面進行優(yōu)化比選，從而確定出最佳的高邊坡治理設(shè)計方案。綜合治理主要是針對誘發(fā)高邊坡地質(zhì)災(zāi)害的潛在因素，設(shè)計中不僅要以消除主要因素為目的，同時又要輔以其他措施對次要因素也進行相應(yīng)治理，實現(xiàn)從全方面達到治理公路高邊坡地質(zhì)災(zāi)害的目的。此外，在確保高邊坡安全基礎(chǔ)上，也應(yīng)考慮邊坡治理的生態(tài)指標(biāo)以及美觀程度。

2.3 高邊坡防護方案確定

長期以來，巖土工程界針對公路高邊坡失穩(wěn)破壞的防治積累了大量的經(jīng)驗，形成了以錨噴、釘、擋、護等為主導(dǎo)的邊坡災(zāi)害防治措施[5]。支擋防護、護坡防護以及植被防護均被視為高邊坡支擋措施。目前廣泛采用的護坡防護措施有人工削坡、錨桿（索）支護結(jié)構(gòu)、格構(gòu)梁結(jié)構(gòu)、SNS主動網(wǎng)以及掛網(wǎng)噴射混凝土防護結(jié)構(gòu)等。其中的護坡防護措施往往并非單一形式，一般采用其中兩種或三種綜合運用，達到高邊坡防護的目的。由于該工程中各標(biāo)段間設(shè)計和安全性存在明顯的差異，在實際公路工程項目中，應(yīng)綜合統(tǒng)籌地提出科學(xué)、合理的公路高邊坡支擋防護設(shè)計優(yōu)化方案。通過進一步對工程建設(shè)過程中所涉及的公路高邊坡工程進行詳細調(diào)研和穩(wěn)定分析，確定當(dāng)前邊坡開挖過程中存在一定的安全隱患，對部分邊坡進行相應(yīng)的治理。其中最主要的治理加固措施采用預(yù)應(yīng)力錨索邊坡防護形式。該文后續(xù)的支擋防護優(yōu)化設(shè)計主要針對錨固結(jié)構(gòu)進行分析。

2.4 支擋防護優(yōu)化設(shè)計

為進一步優(yōu)化預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用有限元數(shù)值模擬的方法對預(yù)應(yīng)力錨的錨固角和錨固深度進行了細致化研究，模擬采用的地層物理參數(shù)見表2。模型長、寬、高分別為280 m、70 m和136 m，邊坡分為5級開挖，每級開挖高度為7 m，臺階寬度為2.0 m，如圖1所示。由于數(shù)值模擬考慮了錨固角和錨固長度兩種因素，具體的模擬工況為錨固角為10°、15°和20°，錨固長度為15 m、17 m和19 m。

圖2和圖3分別給出了從數(shù)值模型中提取的不同錨固角、錨固長度與邊坡位移的結(jié)果。

由圖2可以看出，隨著錨固角的增大，邊坡位移逐漸增大，這說明一味增大錨固角可能會導(dǎo)致邊坡更快失穩(wěn)。圖3表明錨固深度越大，邊坡位移越小。這是因為錨固深度可能深入到了存在潛在滑移風(fēng)險的地區(qū)，通過加固能顯著降低邊坡位移。綜合上述分析結(jié)果，設(shè)計中錨固結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)為錨固角為10°，錨固深度為19 m。此外，通過對比上述組合形式下邊坡的安全系數(shù)發(fā)現(xiàn)此時的穩(wěn)定系數(shù)最小，這也進一步表明該組合下邊坡處于最安全狀態(tài)。

3 結(jié)語

該文從高邊坡穩(wěn)定分析方法、高邊坡治理設(shè)計理念和高邊坡支擋措施及設(shè)計優(yōu)化角度出發(fā)，總結(jié)分析了目前我國高邊坡穩(wěn)定分析及邊坡治理過程中的問題。指出為提高公路高邊坡工程施工及后期運營過程中的安全性，必要的邊坡支擋結(jié)構(gòu)必不可少。通過對高邊坡實例工程進行數(shù)值模擬從而對錨固結(jié)構(gòu)的參數(shù)進行了優(yōu)化分析，以期為公路高邊坡安全建設(shè)提供保障。

參考文獻

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