公路路基滑坡穩(wěn)定性評價及防治研究

摘要：為解決山區(qū)高速公路高陡路基邊坡的穩(wěn)定性及加固防護問題，文章以廣西某新建高速公路路基工程為研究對象，運用數(shù)值模擬的方法建立分析模型，研究天然狀態(tài)和降雨狀態(tài)下邊坡的應(yīng)力-變形特征以及路基邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)變化過程，提出相應(yīng)的路基加固措施。研究表明：天然狀態(tài)下和降雨狀態(tài)下路基邊坡的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力分布規(guī)律大致相同；天然狀態(tài)下路基下方和后緣土體存在較大剪應(yīng)力，而降雨狀態(tài)下剪應(yīng)力主要集中在滑坡體前緣；天然狀態(tài)下路基下方的位移較大，而降雨狀態(tài)下最大位移發(fā)生在路堤下方和后緣土體；4種不同穩(wěn)定性計算方法得到的天然工況下的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)差異較大，天然工況下滑坡判別為基本穩(wěn)定-穩(wěn)定，降雨工況下滑坡判別為不穩(wěn)定-欠穩(wěn)定；采取圓形抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)對邊坡滑坡進行防治后，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，治理效果良好。

關(guān)鍵詞：路基邊坡；穩(wěn)定性分析；防治措施；瑞典條分法；仿真分析

中文分類號：U416.1+63A110324

0引言

交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大量修筑使線性的高速公路工程穿越各種地形地貌，同時為了解決偏僻落后地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展問題，高速公路不斷向山區(qū)延伸［1］。在山區(qū)復(fù)雜地形條件下，陡坡段修筑高速公路路基，其穩(wěn)定性受到多種因素的影響，諸如場區(qū)地質(zhì)條件、斜邊坡度、填料性能、填筑高度和降雨情況等。因此，分析路基邊坡的力學變形特征、破壞機制，評價邊坡的穩(wěn)定性是路基邊坡安全施工和加固措施設(shè)計的前提條件［2］。

羅金洪［3］以鷹潭至廈門鐵路的滑坡為研究對象，綜合分析了滑坡的工程地質(zhì)條件以及破壞模式，運用指標反算法確定滑坡面的物理力學參數(shù)，結(jié)合計算的穩(wěn)定系數(shù)，確定多排豎向鋼花管注漿+多排預(yù)應(yīng)力錨索框架的治理方案，指出該方案治理效果良好；徐方等［4］提出一種基于極限平衡狀態(tài)計算的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)計算新方法，可適用于任意形狀的滑裂面，相比傳統(tǒng)的極限平衡法，該新方法得到的安全系數(shù)偏于安全；王超等［5］依托某高速公路路基工程，運用ABAQUS軟件分析了不同降雨因素對路基邊坡穩(wěn)定性的影響，研究指出降雨時長和降雨強度對邊坡的安全系數(shù)影響最大，降雨會導致路基頂部下沉，穩(wěn)定性大幅度下降；王志強等［6］以甘肅省甘南藏族自治州王夏高速公路為研究對象，運用室內(nèi)試驗的方法，研究了土石混合路基在豎向荷載下的受力和變形規(guī)律，并基于極限平衡法分析邊坡的穩(wěn)定性，研究發(fā)現(xiàn)土石混合路基的滑動破壞面呈現(xiàn)雙螺旋曲面特征。

本文以廣西某新建高速公路為研究對象，運用數(shù)值模擬的方法，研究山區(qū)高陡邊坡路基在天然狀態(tài)下和降雨條件下的邊坡應(yīng)力特征和變形規(guī)律，分析降雨全過程的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律，并提出相應(yīng)的滑坡防治方案。研究成果可應(yīng)用于廣西丘陵和山嶺地區(qū)的高速公路路基工程邊坡穩(wěn)定性的評估和加固治理方案的確定。

1工程概況

廣西某新建高速公路修建長度為77.80 km，里程范圍為DK6+200～DK84+000，路基寬度為26 m，為雙向四車道高速公路，設(shè)計時速為100 km。該高速公路主要穿越丘陵地形，部分地段為山嶺區(qū)。在DK29+000～DK38+000段，路基采用路堤的形式填筑，填筑高度為5 m。場區(qū)的地形起伏較大，路堤修筑在斜坡陡傾路段，地層界限較陡，存在下滑可能。如圖1所示，場區(qū)的地層較為簡單，上部為可塑-硬塑的①粉質(zhì)黏土，橫截面呈薄長條形；中部為②可塑黏土，橫截面呈厚長條形；下部為侏羅紀③中等風化泥巖。根據(jù)現(xiàn)場取樣和室內(nèi)物理力學試驗結(jié)果，各巖土層的物理力學性質(zhì)如表1所示。

除地形條件外，高速公路穿越區(qū)域具有充沛的年降雨量，路基邊坡穩(wěn)定性也受到降雨入滲的影響。區(qū)域?qū)儆诘湫偷膩啛釒Ъ撅L氣候區(qū)，年均降雨量達到1 304 mm，年蒸發(fā)量為1 146 mm，平均相對濕度為79%，降雨主要集中在夏季6～9月，降雨量可達到全年降雨量的80%。

2數(shù)值模型的建立

參照路基DK36+000斷面，研究運用GEO-Studio巖土分析軟件建立路基邊坡有限元分析模型，基于模型中的SLOPE/W模塊分析邊坡內(nèi)部在天然狀態(tài)下的應(yīng)力和變形特征；基于模型中的SEEP/W和SLOPE/W模塊耦合分析邊坡內(nèi)部在降雨狀態(tài)下的應(yīng)力和變形特征，并綜合分析路基邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

建立的模型中，橫向?qū)挾葹?67 m，邊坡左側(cè)高程范圍為120～159 m，邊坡右側(cè)高程范圍為120～134 m。邊坡左側(cè)和右側(cè)按邊界約束，水平位移為0，且為不透水邊界；底部按邊界約束，水平位移和豎向水位為0，且為不透水邊界；頂部邊界為自由，雨水可透入土層，且滲透規(guī)律符合達西滲透準則；各巖土層的本構(gòu)模型為彈塑性模型，其計算參數(shù)如表1所示。巖土層的材料參數(shù)基于軟件中的DIFINE進行創(chuàng)建，巖土層的破壞準則服從摩爾-庫侖準則。巖土層的網(wǎng)格劃分如圖2所示，共獲得1 920個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、1 178個單元。

考慮天然狀態(tài)和降雨條件2種不同的路基滑坡穩(wěn)定性計算工況，設(shè)置天然狀態(tài)工況（工況A）和降雨條件工況（工況B）。其中，工況A包括基本荷載（土體自重+車道設(shè)計荷載）+地表荷載（天然狀態(tài)）；工況B包括基本荷載（土體自重+車道設(shè)計荷載）+地表荷載（天然狀態(tài)）+20年一遇暴雨（飽和狀態(tài)）。車道設(shè)計荷載取15 kN/m。

3路基邊坡的應(yīng)力-變形特征分析

3.1天然狀態(tài)工況

如圖3所示為天然狀態(tài)下路基邊坡水平應(yīng)力分布計算結(jié)果。由圖3可知，天然狀態(tài)下，路基邊坡的水平應(yīng)力等值線呈現(xiàn)與邊坡坡度大致相似的分層分布規(guī)律，水平應(yīng)力從上至下不斷增加，最大水平應(yīng)力為300 kPa。

如圖4所示為天然狀態(tài)下路基邊坡豎向應(yīng)力分布計算結(jié)果。由圖4可知，天然狀態(tài)下，路基邊坡的豎向應(yīng)力等值線呈現(xiàn)與邊坡坡度大致相似的分層分布規(guī)律，水平應(yīng)力從上至下不斷增加，最大豎向應(yīng)力為800 kPa，遠大于水平應(yīng)力最大值。在①粉質(zhì)黏土和②可塑黏土的分界線上，邊坡豎向應(yīng)力最大值為50 kPa；在②可塑黏土和③中等風化泥巖的分界線上，邊坡豎向應(yīng)力最大值為300 kPa。

如下頁圖5所示為天然狀態(tài)下路基邊坡剪切應(yīng)力分布計算結(jié)果。由圖5可知，天然狀態(tài)下，路基邊坡的剪切應(yīng)力等值線在①粉質(zhì)黏土和②可塑黏土分界線上分布較為稀疏，等值線形變較大，且剪切應(yīng)力較?。辉冖诳伤莛ね梁廷壑械蕊L化泥巖分界線上分布較為密集，剪切應(yīng)力等值線沿著分界線分布且剪應(yīng)力較大，該巖土分界線是潛在的滑裂面。在路堤下方的土體存在應(yīng)力集中，導致路堤后緣土體產(chǎn)生了相應(yīng)的淺層剪切力，但應(yīng)力較小。

如下頁圖6所示為天然狀態(tài)下路基邊坡位移分布計算結(jié)果。由圖6可知，天然狀態(tài)下，路基邊坡的位移等值線呈現(xiàn)與邊坡坡度大致相似的分層分布規(guī)律，水平應(yīng)力從上至下不斷減小，最大位移主要發(fā)生在邊坡中部、路堤下方的①粉質(zhì)黏土層中，為700 mm。

3.2降雨條件工況

如圖7所示為降雨條件下路基邊坡水平應(yīng)力分布計算結(jié)果。由圖7可知，與天然狀態(tài)下相比，降雨條件下路基邊坡的水平應(yīng)力等值線呈現(xiàn)與邊坡坡度大致相似的分層分布規(guī)律，水平應(yīng)力從上至下不斷增加，最大水平應(yīng)力為350 kPa。

如圖8所示為降雨條件下路基邊坡豎向應(yīng)力分布計算結(jié)果。由圖8可知，降雨條件下，路基邊坡的豎向應(yīng)力等值線呈現(xiàn)與邊坡坡度大致相似的分層分布規(guī)律，豎向應(yīng)力從上至下不斷增加，最大豎向應(yīng)力為850 kPa，遠大于水平應(yīng)力最大值。在①粉質(zhì)黏土和②可塑黏土的分界線上，邊坡豎向應(yīng)力最大值為50 kPa；在②可塑黏土和③中等風化泥巖的分界線上，邊坡豎向應(yīng)力最大值為300 kPa。

如圖9所示為降雨條件下路基邊坡剪切應(yīng)力分布計算結(jié)果。由圖9可知，降雨條件下，路基邊坡的剪切應(yīng)力等值線在①粉質(zhì)黏土和②可塑黏土分界線上分布較為稀疏，等值線形變較大，且剪切應(yīng)力較小；在②可塑黏土和③中等風化泥巖分界線上分布較為密集，剪切應(yīng)力等值線沿著分界線分布且剪應(yīng)力較大，該巖土分界線是潛在的滑裂面。降雨條件下的路堤下方和后緣土體的剪切應(yīng)力較小，剪應(yīng)力主要集中在滑坡體前緣。

如圖10所示為降雨條件下路基邊坡位移分布計算結(jié)果。由圖10可知，降雨條件下，路基邊坡的水平應(yīng)力等值線呈現(xiàn)與邊坡坡度大致相似的分層分布規(guī)律，水平應(yīng)力從上至下不斷減小，最大位移主要發(fā)生在①粉質(zhì)黏土層中，最大位移為750 mm，發(fā)生在路堤下方和后緣土體，表明降雨滲入時，路堤后緣土體的力學強度首先受到影響，導致變形加大，推動了路堤的下方的土體向前滑移，并且這種位移也不斷向深層土體擴散。

4路基滑坡穩(wěn)定性分析

4.1天然狀態(tài)工況和降雨條件工況路基滑坡穩(wěn)定性分析

基于軟件中的4種不同路基滑坡穩(wěn)定性計算算法，分別為Ordinary法、Bishop法、Janbu法以及Morgenstern-Price法［7］，得到路基邊坡在天然狀態(tài)下和降雨條件下的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)如圖11所示。判別邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)原則為：Fs＜1.0時，判別為不穩(wěn)定；1.0≤Fs＜1.05時，判別為欠穩(wěn)定；1.05≤Fs＜1.15時，判別為基本穩(wěn)定；1.15≤Fs時，判別為穩(wěn)定。

由圖11可知，4種不同穩(wěn)定性計算方法得到的降雨工況下的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)差異較小，而得到的天然工況下的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)差異較大，Morgenstern-Price法的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)最大，Ordinary法的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)最小。綜合分析可知，天然工況下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)變化范圍為1.050～1.890，判別為基本穩(wěn)定-穩(wěn)定；降雨工況下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)變化范圍為0.097 9～1.004，判別為不穩(wěn)定-欠穩(wěn)定，邊坡需采取加固措施。

4.2降雨全過程路基滑坡穩(wěn)定性分析

由于Ordinary法的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)最小，計算結(jié)果最不利，因此基于Ordinary法對邊坡降雨全過程的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)進行計算，計算時間長度為36 h，其中0～5 h為天然邊坡狀態(tài)（工況A），5～24 h為持續(xù)降雨狀態(tài)（工況B），24～36 h為降雨后狀態(tài)，計算結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，在天然狀態(tài)下，滑坡的穩(wěn)定性基本無變化，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)維持在1.050，而在降雨初期（5～8 h），邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)略有上升，并達到峰值1.099。這是因為天然的土體為非飽和土體，在降水入滲后，邊坡會產(chǎn)生由坡面指向坡內(nèi)的滲透水壓力，對于邊坡的穩(wěn)定性有利。隨后，邊坡土體逐步飽和，受到雨水的浸泡，土體的抗剪強度折減，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)呈非線性減小，并在20～24 h收斂于0.985；在停雨后，由于土體飽和自重增加，水體從坡體內(nèi)滲出，存在從坡內(nèi)指向坡面的滲透水壓力，對于邊坡的穩(wěn)定性不利，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)近似線性降低，并在32 h后趨于收斂，收斂值約為0.799，邊坡失去穩(wěn)定性，產(chǎn)生滑裂。

5路基滑坡防治措施研究

基于以上分析可知，降雨條件下邊坡的安全穩(wěn)定性存在不利工況，降雨導致土體推移下滑，土體抗剪強度降低。為此，研究采取圓形抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)對邊坡滑坡進行防治［8］，設(shè)置位置為距離路堤堤腳1.0 m處，并在坡腳設(shè)置截排水水溝，以迅速排干地表水和地下水，如圖13所示?？够瑯兜闹睆綖? 200 mm，樁間距為5.0 m，長度為12.00 m，嵌入中等風化巖≥5.0 m，樁身混凝土強度等級為C30。實踐結(jié)果表明，圓形抗滑樁實施后驗算降雨條件下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.750，＞1.15，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。同時邊坡變形監(jiān)測表明，圓形抗滑樁有效控制了邊坡位移的進一步發(fā)展，邊坡治理效果良好。

6結(jié)語

本文以廣西某新建高速公路路基工程為研究對象，運用數(shù)值模擬的方法建立分析模型，研究天然狀態(tài)和降雨條件下邊坡的應(yīng)力-變形特征，以及路基邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)變化過程，提出相應(yīng)的路基加固措施，得到以下結(jié)論：

（1）天然狀態(tài)下和降雨條件下路基邊坡的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力分布規(guī)律大致相同；天然狀態(tài)下路基下方和后緣土體存在較大剪應(yīng)力，而降雨條件下剪應(yīng)力主要集中在滑坡體前緣，兩種工況下②可塑黏土與③中等風化泥巖巖土分界線上的剪應(yīng)力均密集。

（2）天然狀態(tài)下路基下方的位移較大，而降雨條件下最大位移發(fā)生在路堤下方和后緣土體，表明降雨滲入時，路堤后緣土體的力學強度首先受到影響，導致變形加大，推動了路堤下方的土體向前滑移。

（3）4種不同穩(wěn)定性計算方法得到的天然工況下的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)差異較大，天然工況下滑坡判別為基本穩(wěn)定-穩(wěn)定，降雨工況下滑坡判別為不穩(wěn)定-欠穩(wěn)定；降雨初期邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)略有上升，隨后呈非線性減小，在停雨后，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)近似線性降低，并在32 h后趨于收斂。

（4）采取圓形抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)對邊坡滑坡進行防治，實踐結(jié)果表明，圓形抗滑樁實施后降雨條件下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.750，＞1.15，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡變形監(jiān)測表明，圓形抗滑樁有效控制了邊坡位移的進一步發(fā)展，邊坡治理效果良好。

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作者簡介：蒙永樂（1992—），工程師，主要從事高速路道路橋梁建設(shè)工作。