路堤邊坡穩(wěn)定與保護方法的探討

摘要 以一條高速公路的高邊坡為實例，文章首先利用Midas-GTS有限元軟件對其進行了穩(wěn)定性分析，對其變形、破壞方式和發(fā)展過程進行了深入探討，并對其當(dāng)前所處的階段和潛在滑動面的位置等進行了詳細(xì)分析；然后在此基礎(chǔ)上，根據(jù)有限元分析的結(jié)論，針對該項目特點，選擇了“植物-錨噴-排水”的綜合整治方案；最后采用條分法對該斜坡進行了穩(wěn)定分析，根據(jù)結(jié)論可知其穩(wěn)定效果良好，符合設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞 高邊坡；穩(wěn)定；保護措施

中圖分類號 U417 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0000-03

0 引言

高邊坡通常是指垂直高度在20 m以上的土壤和30 m以上的巖石。高速鐵路是一條狀結(jié)構(gòu)，跨越了許多不同的地質(zhì)體，所以其地質(zhì)情況比較復(fù)雜。由于受天氣和地質(zhì)等多種因素的制約，高邊坡具有很強的安全性，有些高邊坡在建設(shè)初期還很穩(wěn)定，但是經(jīng)過長期的運行后，由于降雨和巖層發(fā)育等多種原因，高邊坡往往會發(fā)生嚴(yán)重的滑坡，造成重大的經(jīng)濟和社會經(jīng)濟損失[1]。在這種情況下，該文對存在高危險性的斜坡進行了穩(wěn)定分析，提出了防治對策，同時結(jié)合案例對高邊坡的穩(wěn)定問題進行了研究，給出了具體的處理方案[2]。

1 項目概況

某公路的邊坡高56 m，寬72 m，高邊坡段長150 m。因該高邊坡坡面陡峭，降雨多，這一斷面在人工或天然干擾下很容易出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，給人們的生命和財產(chǎn)帶來巨大的危害。結(jié)果表明，該高邊坡的安全性達(dá)到了1級，其重要性指數(shù)達(dá)到了1.12。

1.1 地貌和地質(zhì)情況

施工現(xiàn)場的地形是由構(gòu)造剝脫的淺丘-溝壑組成的，沿途大部分都是以種植蔬菜和樹木為主的農(nóng)田和森林，大部分都是原始地形。在該地區(qū)，探測點的最高和最低高程分別為381.86 m和330.23 m，相對高差為51.63 m，具有明顯的地貌特征，地形起伏很大。該巖層的產(chǎn)狀在9°～126°之間。在工程區(qū)的內(nèi)巖層中存在兩個裂縫，其產(chǎn)狀和特征分別如下：（1）150°～180°，裂縫平面平坦，部分裂縫被泥漿填充，裂縫之間的距離為1～2 m，這種構(gòu)造界面的黏結(jié)力較弱，屬于硬構(gòu)造界面。（2）260°～300°，斷面平整、平滑，間距為2～3 m，主要呈封閉狀態(tài)，局部開裂的寬度在1～2 mm左右，這種構(gòu)造表面黏接不良，也屬于硬構(gòu)造表面。

1.2 天氣和水情狀況

該地區(qū)屬亞熱帶潮濕季風(fēng)，四季特征分明，空氣濕度大，降水量大，多霧天。極高溫度出現(xiàn)在1978年8月15日，溫度為42.8℃；最低溫度出現(xiàn)在1975年12月15日，溫度為?3.5℃，年平均溫度為19.2℃。1998年的最大降水量為1 532.3 mm，年平均降水量為1 150.7 mm；在1964年8月28日，日最大降水量為214.8 mm，多年平均降水量為124.8 mm，最大小時降水量為62.1 mm；最大持續(xù)降水過程的累計降水量為214.8 mm，降水在一年中以5至10月最為集中[3]。

2 高邊坡的穩(wěn)定性分析

2.1 基于有限元軟件的建模

采用Midas-GTS有限元軟件對該高邊坡進行穩(wěn)定性計算，通過對該高邊坡的實際情況進行研究，確定了該高邊坡的地層物理參數(shù)，如表1所示：

高速公路邊坡在發(fā)生失穩(wěn)破壞過程中，由于邊坡體的力學(xué)特性，使得邊坡體在縱向上的運動軌跡難以準(zhǔn)確定位。公路邊坡在受到荷載作用時，兩側(cè)土體都會對其形成一個抗力，而這種抗力的強度和方向通常不可測量，使得公路邊坡的受力問題可以簡單地歸結(jié)為二維問題?？紤]工程的具體特征，有限元方法選取了邊坡的最高處（豎直方向X=56 m，水平方向Y=72 m）進行了數(shù)值仿真。采用Midas-GTS軟件，構(gòu)建了一個包含1 124個結(jié)點、2 832個單元的有限元模型，如圖1所示：

該模型在開展有限元仿真建模工作時，模型中的地應(yīng)力設(shè)置為巖體自身重量。

通過對該區(qū)域內(nèi)兩側(cè)X的數(shù)值進行分析，確定了該區(qū)域內(nèi)左右邊界的數(shù)值分別為0和56，并將該區(qū)域內(nèi)各邊界沿X方向進行了限制。此外，確定了該區(qū)域的地面邊界Y=0。綜合上述結(jié)果，該文從三個方向?qū)υ撃Ｐ褪┘恿诉吔缦拗啤?/p>

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果研究

圖2（a）為邊坡水平位移云圖，由該圖可知，邊坡模型在全過程都存在水平位移，其最大位移位置出現(xiàn)在邊坡底部，最大位移量達(dá)到了6.744 cm；最小位移位置出現(xiàn)在邊坡頂部，最小位移量為0.11 cm。從位移云圖可以看出，最大位移場接近四邊形，其他位移場分布近似于圓弧形，其中位移場占比最大的達(dá)到了45.1%，位移場數(shù)值為3.02 cm。

圖2（b）為邊坡最大剪應(yīng)力云圖，由該圖可知，在邊坡模型中，剪應(yīng)力呈現(xiàn)分層形態(tài)，每一層的剪應(yīng)力大小各不相同。在垂直方向上，隨著深度的增加，剪應(yīng)力逐漸變大，其最大剪應(yīng)力位于邊坡底部，最大剪應(yīng)力數(shù)值為686.7 kPa；最小剪應(yīng)力位于邊坡頂部，其數(shù)值達(dá)到了2.66 kPa。

圖2（c）為有效塑性應(yīng)變云圖。由該圖可以看出，有效塑性應(yīng)變最大值出現(xiàn)在邊坡底部位置，其數(shù)值大小為1.33；在整個云圖中，應(yīng)變?yōu)?的區(qū)域占到了37.9%。

通過對其進行有限元計算，發(fā)現(xiàn)其邊坡穩(wěn)定度F=1.28，比《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）所要求的1.35更低，說明其不穩(wěn)定。在降雨作用下，由于地層中存在著大量的裂縫，出現(xiàn)了高邊坡的失穩(wěn)，進而導(dǎo)致了滑坡的發(fā)生。為此，有必要對邊坡采取有效的防護措施。

3 邊坡的防護方法探討

3.1 邊坡防護工程規(guī)劃

該文確定了“植物+錨噴支護+排水”的綜合整治方案[4-5]，具體實施情況如下：

（1）邊坡整理。在實施支護工作之前，必須清除坡面上的野草和光禿的巖石。清除時應(yīng)采取相對安全的手工作業(yè)，并對鄰近建筑進行保護。

（2）排水。排水系統(tǒng)通常包括邊溝、排水管網(wǎng)、馬道截水溝和邊坡頂部截水溝等。馬道截水溝渠、邊溝及邊坡頂部截水溝均設(shè)置為大小0.5 m×0.5 m、厚0.3 m的梯形水溝，并選用C25混凝土進行墊層澆筑。

（3）掛網(wǎng)噴錨保護。如圖3所示，對邊坡經(jīng)過清理和挖掘后，首先在巖石斜坡上噴灑15 cm厚的素混凝土，然后按照設(shè)計標(biāo)出的掛網(wǎng)錨桿的定位，在孔洞中使用錨桿鉆孔，然后在孔洞中注入M30水泥砂漿；錨桿在巖石表面露出地面10 cm處，懸掛φ6.5@20 cm×20 cm的鋼筋網(wǎng)；錨桿的間距和長度等技術(shù)指標(biāo)可依據(jù)高邊坡的實際條件進行適當(dāng)調(diào)整。坡面排水孔的孔徑為75 mm，深度為2 m，間隔為3 m，呈梅花狀排列；孔口使用的是聚氯乙烯塑膠排水管道，孔口管的長度為30 cm。掛網(wǎng)錨噴射支護邊坡處，每隔10 m應(yīng)有1個2 cm的伸縮縫，伸縮縫內(nèi)用瀝青進行填充。

（4）植物綠化。因為該工程地處市區(qū)，所以對綠化有很高的要求。為此，擬采用該地的蔓生樹種，它既能保持斜坡的長期穩(wěn)定性，又能達(dá)到景觀綠化的目的。

3.2 處理后的邊坡穩(wěn)定性分析

采用圓弧條分法，將邊坡按照圓心角及弧長等方式劃分為10條，對每個圓弧條塊進行驗算，得出的驗算結(jié)果見表2所示：

以表2的計算結(jié)果為依據(jù)，將表2中的數(shù)據(jù)代入式（1）進行計算，得到基于存在裂縫水壓力情況下的安全系數(shù)可達(dá)1.586，超過了規(guī)范要求的1.35，因此，防護措施符合設(shè)計規(guī)范要求。

（1）

式中，F(xiàn)s——安全系數(shù)；ci——第i道滑動弧段所處巖土地層的內(nèi)聚力（kPa）；φi——位于第i個滑動弧處的巖土地層中的內(nèi)摩擦力角度（°）；li——巖石和土壤中的巖石的滑動弧長（m）；γw——地層中的水的重度（kN·m?3）；h2 w——地層中巖石和土壤的含水量（%）；R——分弧長圓心角（°）；Ni——面積（m2）；Ti——質(zhì)量（kN·m?1）[6]。

4 結(jié)束語

該文基于Midas-GTS軟件，對案例工程的高邊坡展開了穩(wěn)定性分析，利用對應(yīng)力、位移和應(yīng)變等值云圖等對其進行了分析，最終得出了該邊坡處于不安全狀態(tài)，存在一定的安全隱患。在此基礎(chǔ)上，針對該工程的具體條件，采用“植草+錨噴支護+排水”的設(shè)計方法；采用條分法計算了支護后的高邊坡穩(wěn)定性，得出該高邊坡具有良好的穩(wěn)定性，達(dá)到了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，能有效地保障斜坡的穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]賈鵬云.順層巖質(zhì)高邊坡土體失穩(wěn)機理與處置方法的探討[J].山西交通科學(xué)，2017（4）：29-32.

[2]喬翔.高邊坡巖體失穩(wěn)機理與處理方法研究[J].鐵路施工技術(shù)，2017（8）：89-93.

[3]彭海.邊坡治理技術(shù)的理論與實踐[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2011.

[4]農(nóng)明可.公路高邊坡穩(wěn)定與保護技術(shù)的探討[J].中國公路科學(xué)與技術(shù)，2021（10）：8-11.

[5]張海迪，劉亞飛.高等級道路路堤的穩(wěn)定效應(yīng)及保護對策研究[J].科技與營銷，2014（12）：176+179.

[6]劉子振，嚴(yán)之新.基于有限元分析的非飽和粘性土邊坡穩(wěn)定分析[J].巖石力學(xué)，2016（2）：350-356.

收稿日期：2024-08-09

作者簡介：周大垚（1985—），男，碩士研究生，工程師，主要從事道路工程設(shè)計。