公路路基邊坡穩(wěn)定性分析及錨固優(yōu)化設計研究

王 前

（中交綜合規(guī)劃設計院有限公司,北京 100024）

0 引言

公路邊坡失穩(wěn)問題在公路施工中一直是一個嚴重的技術難題，一旦發(fā)生失穩(wěn)，可能會引發(fā)災害性交通事故，導致路面塌陷，公路損毀，給公路使用造成嚴重影響，增大了交通安全風險。在公路建設中，邊坡治理和加固成本高昂，若采取不恰當的措施可能導致資源浪費。從技術角度來看，需深入研究邊坡的地質特征，建立準確的力學模型和計算方法，以評估邊坡的穩(wěn)定性風險。

目前已有國內外學者和工程技術人員針對公路邊坡穩(wěn)定性進行了大量攻關。何如許[1]在錦屏一級水電站左岸坡地表及深層進行位移監(jiān)測，通過對其連續(xù)變形現(xiàn)象的力學機制分析，結果表明傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法主要基于經驗公式和實地監(jiān)測數據，準確性和可靠性有一定局限，需要進一步研究和開發(fā)先進的技術和方法，以提高邊坡穩(wěn)定性分析的準確性和工程實用性。

在邊坡加固方面，研究錨固技術的應用和優(yōu)化設計方案，可以提高邊坡的抗滑能力并降低工程成本。史彧[2]通過 Flac3D 建立有限差分模型，研究預應力錨索加固巖質高邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律，并優(yōu)化設計相關參數。研究發(fā)現(xiàn)，在最優(yōu)范圍內增加錨索長度與邊坡穩(wěn)定性正相關，對于順層巖質邊坡穩(wěn)定性，傾角變化影響并不明顯，而適當增加預應力則能提高支護效果。李劍[3]利用高陡邊坡計算模型，綜合考慮坡巖土體強度減低系數，發(fā)現(xiàn)預應力錨索內力會迅速增加，尤其是錨索靠近坡腳處，其內力增加更為明顯，當減低系數一旦超過邊坡安全系數時，其內力增加的速度就會更快。

在這樣的背景下，對于公路路基邊坡穩(wěn)定性分析和錨固優(yōu)化設計的研究亟須進一步研究。通過深入研究公路路基邊坡的地質背景和特征，建立準確的力學模型和計算方法，評估邊坡的穩(wěn)定性風險，為公路建設提供科學依據和指導，提高公路系統(tǒng)的安全性和可持續(xù)發(fā)展能力。

1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

1.1 極限平衡分析法

在坡面穩(wěn)定性分析中，應用較多的是極限平衡法(極限平衡法)，也是設計程序中使用頻率最高的一種，算是一種數值分析法。極限平衡法的優(yōu)點是簡單的力學模型可以定量評估斜坡的穩(wěn)定性，但是只能提供所有可能危險滑行范圍內斜坡中的應力－應變狀態(tài)；雖然在處理均勻土質邊坡時方法比較可靠，而在涉及復雜介質和邊界的巖質滑坡體時，僅能提供一定程度的估計，計算結果與實際情況可能相差較大。

1.2 極限分析法

塑性極限分析法是根據極限狀態(tài)下自重和外荷載所做的功等于滑裂面上阻力所消耗的功的條件，求解極限荷載和邊坡安全系數的方法，將滑坡體作為服從流動規(guī)律的理想塑性材料。這種方法將上限和下限定理與塑性極限分析相結合。

塑性極限分析法給出了在理想條件下才能得到邊坡穩(wěn)定解析解的邊坡安全系數范圍。此外，對于邊坡穩(wěn)定性的影響，復雜的荷載、滲流等因素也很難考慮這種方法。所以，在實際運用中，需要注意其局限性。

1.3 數值計算法

在坡面穩(wěn)定性分析中，常用的數值方法有離散單元法、 Flac3D、Limited 元法等。這些方法適用條件不同，利弊得失也不同。離散單元方法和 Flac3D 主要是處理離散問題、非連續(xù)性問題和變形較大的問題?？梢钥紤]巖土體的斷裂和破碎行為，但其理論基礎相對較為復雜，需要對模型進行合理的離散化設置。有限元法（Limited Method）是一種應用廣泛、理論基礎成熟的數值方法。可以考慮巖土體的應力－應變關系，以及滑體和支護結構之間的相互影響。流形元法將有限元法和離散單元法的優(yōu)點結合在一起，可以對連續(xù)到非連續(xù)的巖土體大變形過程進行有效的計算，能夠更準確地描述巖土體的斷裂和破壞行為，在處理復雜邊坡問題時具有一定的優(yōu)勢。這些方法推動了邊坡破壞機制認識的發(fā)展，并作為邊坡工程設計和風險評估的依據。

2 邊坡錨固機理及計算模型的建立

2.1 邊坡錨固機理

路基邊坡在自然狀態(tài)下，承受滑動面上方巖土體的切向力、滲透力等作用，同時還承受其他荷載?；旅鎺r土體的抗剪強度參數主要依賴于邊坡的穩(wěn)定性。在坡面工程中應用了錨固技術，以增強坡面穩(wěn)定性。錨固技術通過設置錨桿或索，將其與邊坡和周圍巖土體緊密連接。錨桿或索的固定和深入長度能夠產生摩擦力、摩托力和抗拉強度，從而分擔邊坡荷載并增加抗滑能力。通過合理布置錨桿或索形成穩(wěn)定的支撐系統(tǒng)，可以提高邊坡的抗傾覆能力。錨固作用力的作用使坡面各力系保持平衡，從而使坡面穩(wěn)定性得到保證。錨固力一定要能在滑行面上平衡作用的力量，保證其抗滑力力矩比下滑力力矩要大，這樣才能防止對邊坡造成不穩(wěn)定的破壞，這就是錨固力的作用，具體見公式（1）。

式中，∑ΔN——所有錨索受力變化量的總和；∑C——表示所有錨桿的剛度之和；ΔL——表示錨索長度的變化量；∑ΔT——所有附加載荷的總和；f——表示錨索摩擦系數的大小與某一固定件的摩擦特性；r——錨桿與巖體之間的距離。

公式（1）左側的部分表示錨固系統(tǒng)的抗滑力，由錨索受力、摩擦力和錨桿剛度共同作用產生。右側的部分表示附加載荷施加在錨固系統(tǒng)上產生的滑移力。當公式左側的抗滑力要大于等于右側的滑移力時，可以確保錨固系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

錨桿是一種用于防止邊坡塌方的加固技術，通過將錨桿插入穩(wěn)定地層并與巖土體相互作用，利用穩(wěn)定地層的錨固效應和被動性抵抗能力，將滑坡體產生的推力傳遞到更深的地下，從而保持邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。錨桿通過與潛在滑動面上的巖土體相互作用，防止滑坡體滑落。發(fā)揮錨桿錨固作用的關鍵是合理確定約束點的數量、位置和強度安排。只有當這些約束點的布置與設計合理時，錨桿才能有效地保持邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。經仁龍[4]通過以國道望冊公路沿線邊坡穩(wěn)定性分析為背景，得出如下研究結果：錨桿支護可以顯著減小坡體的變形量，同時防止塑性區(qū)形成貫通帶，提高滑體的穩(wěn)定性。雷越[5]在河南南陽內鄉(xiāng)西站附近工點巖坡變形規(guī)律分析通過極限平衡法、FLAC3D 數值模擬和正交試驗得出邊坡安全系數，邊坡錨桿通過正交試驗優(yōu)化設計確定最佳錨固組合。因此，在實際工程中，為保證邊坡的穩(wěn)定性，需要針對具體情況，設計布置合理的錨桿。

2.2 邊坡計算模型建立

該公路工程項目位于西南地區(qū)，設計時速80 km，雙向四車道。工程采用了現(xiàn)代化的設計標準，旨在提供高效、安全的交通通行條件。這條路最大的一條挖方坡，是一個高38 m、坡度達60°的斜坡。道路設有坡面等級，坡面總高度30 m，分為每級10 m 的3 個等級，并設有寬2 m 的平臺。這樣的設計在提高邊坡穩(wěn)定性的同時，減少了土方開挖量。邊坡模型如圖1 所示。

圖1 邊坡模型示意圖

3 錨固參數優(yōu)化設計

預應力錨索的使用，對邊坡穩(wěn)定性起到明顯改善作用，減少了坡面位移。根據工程經驗，預應力錨索的傾角、間距和長度是影響加固效果的主要因素。為了確保邊坡的穩(wěn)定性，并使預應力錨索發(fā)揮最佳作用，需要進行優(yōu)化設計以確定最合適的錨固參數。

3.1 傾角優(yōu)化設計

在優(yōu)化設計時，錨索的傾角是關鍵因素。錨索傾斜度較大，影響了錨固作用。為保證注漿飽和度符合設計要求，在進行錨索鉆孔前需要進行注漿處理。錨索的斜角和橫向夾角要達到10°以上。然而，過大的傾角也不利于錨固效果，因此規(guī)范規(guī)定了錨索傾角的取值范圍為10~35°。設計的時候要綜合各方面的因素，選擇最好的傾斜角度，這樣才能起到拋錨的效果。

為研究錨索傾斜度對邊坡穩(wěn)定性的影響，采用控制變量法進行了優(yōu)化設計。在保持錨索長度（15 m）和垂直間距（2 m）不變的情況下，通過軟件將錨固角分別設置 為10°、12°、14°、16°、18°、20°進 行 分 析。如 圖2所示為錨索布置，如圖3 所示為邊坡穩(wěn)定性受到錨索傾斜影響的結果。通過這樣的設計方式，可以更好地理解錨索傾斜程度對斜坡穩(wěn)定性的影響，同時也可以找到最佳狀態(tài)的傾斜數值。這將有助于指導實際工程中的邊坡設計和錨固施工。

圖2 錨索布置圖

圖3 不同傾角下的安全系數變化圖

從圖3 可以觀察到坡度的安全系數隨著傾斜度的提高而逐漸降低。這同時也意味著邊坡的水平位移也呈現(xiàn)相似的趨勢。通過前面的分析可以知道，邊坡失穩(wěn)的原因主要是巖層之間存在著薄弱的結構層。而錨索的作用在于使坡面的抗滑性更好地通過橫向的方式來實現(xiàn)。隨著傾角的增大，水平拉力的值會減小。因此，為了保證邊坡的穩(wěn)定性，可以選擇10°作為最佳的錨固傾角，以獲得最佳的錨固效果。這樣的設計在實際工程中可以有效地起到引導作用，應對坡面穩(wěn)定性的問題。

3.2 錨索長度優(yōu)化設計

在錨桿長度縱距2 m，錨桿傾角10°的情況下，根據圖2 的設置對錨索長度進行優(yōu)化設計，以保證錨固效果。分析不同長度錨桿（4 m，6 m，8 m，10 m，12 m，14 m，16 m，18 m，20 m）對邊坡安全系數的影響。利用有限元軟件對不同錨索長度下的邊坡穩(wěn)定情況進行了模擬，并得到了變化趨勢如圖4 所示。

圖4 不同錨桿長度下安全系數變化圖

研究結果表明，如果斜坡錨桿加固的長度在18 m 以下，那么斜坡的安全系數會隨著錨桿長度的增加而逐漸增加，只不過這種關系是非線性的。但錨桿長度的增加，反而會導致在超過18 m 的坡面錨桿加固時，坡面安全系數降低。在實際工程中，選擇適當的邊坡錨桿加固長度是非常重要的，過長或過短的錨桿長度都可能不利于邊坡的穩(wěn)定性。

4 結語

（1）傾斜面增大，邊坡安全系數降低，說明傾斜面增大會使邊坡穩(wěn)定性降低，這是由于斜面增大而引起的。為了提高邊坡的抗滑力，選擇10°作為最佳的錨固傾角能夠獲得最佳的錨固效果。這樣的設計對于邊坡穩(wěn)定性的問題，在實際工程中能夠得到有效的解決，起到一定的導向作用。

（2）在實際工程中，坡面安全系數與錨桿加固長度呈現(xiàn)非線性正相關關系。但是過長的錨桿長度在錨桿加固18 m 以上的時候，反而會對邊坡的安全系數造成不利的影響，即引起安全系數的下降。