高速公路錨桿格梁邊坡防護穩(wěn)定性研究

摘要 針對高速公路路基邊坡加固措施的確定，文章以山東省某工程為研究案例，首先使用赤平投影法分析了邊坡的穩(wěn)定性，并通過數(shù)值模擬計算了邊坡施作錨桿格梁后的邊坡受力特征，通過動態(tài)監(jiān)測得到了邊坡沉降變形規(guī)律。研究結(jié)果表明：邊坡兩組軟弱結(jié)構(gòu)面的交點處于天然邊坡與開挖邊坡的投影弧之間，坡體下部存緩傾軟弱面且在開挖邊坡上出露，此時可能形成折線形滑動面；邊坡每級臺階坡腳處出現(xiàn)明顯的較大位移，最大位移達81 mm，局部較不穩(wěn)定，極易出現(xiàn)坡腳破壞滑移失穩(wěn)現(xiàn)象；施作錨桿后僅在各級邊坡坡腳處出現(xiàn)小范圍的較大變形，坡面處變形與邊坡內(nèi)部變形基本一致，邊坡穩(wěn)定性得到了較大提高，保證了高速公路邊坡的穩(wěn)定性，為類似工程提供了參考案例。

關(guān)鍵詞 公路邊坡；錨桿格梁護坡；邊坡穩(wěn)定性；數(shù)值模擬；沉降監(jiān)測

中圖分類號 U416.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）13-0139-03

0 引言

在高速公路建設(shè)過程中，道路兩側(cè)邊坡的穩(wěn)定性對公路的安全運營尤為重要。錨桿格梁邊坡防護作為一類常用的邊坡防護技術(shù)措施，已廣泛應(yīng)用于高速公路各種邊坡防護工程中。錨桿格梁邊坡防護技術(shù)在理論研究、材料研究、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、施工技術(shù)、監(jiān)測與評估等方面均取得了顯著進展，為工程建設(shè)提供了有力支持[1]。為了確保錨桿格梁邊坡防護的安全性，通過安裝位移、應(yīng)力、滲流等監(jiān)測設(shè)備，對邊坡的變形、錨桿的受力、格梁的工作狀態(tài)等進行實時監(jiān)測，為工程安全提供保障[2-3]。同時，采用預(yù)應(yīng)力錨桿技術(shù)提前對錨桿施加預(yù)應(yīng)力，可以提高其抗滑能力[4]；通過采用空間格梁結(jié)構(gòu)，可以提高邊坡的整體穩(wěn)定性[5]。該文以山東省某高速公路為研究案例，針對邊坡穩(wěn)定性及邊坡加固技術(shù)措施的確定，使用赤平投影法分析了邊坡的穩(wěn)定性，通過數(shù)值模擬計算了邊坡施作錨桿格梁后的邊坡受力特征，并設(shè)計邊坡監(jiān)測方案得到了邊坡沉降變形規(guī)律，保證了高速公路邊坡的穩(wěn)定性，為類似工程提供了參考案例。

1 工程概況

山東省某高速公路工程，路寬26.2 m，設(shè)計的最大行車速度為120 km/h，路基段邊坡設(shè)計有錨桿格梁邊坡防護，邊坡護坡坡率為1∶1，采用12 m長φ32 mm的熱軋螺紋鋼筋作為錨桿桿體。每級護坡豎向高度8 m設(shè)計1處2 m寬的平臺。護坡坡面采用鋼筋混凝土格梁加固，格梁主體使用的C35混凝土現(xiàn)場澆筑而成，格梁采用φ22 mm鋼筋作為主筋。

路基邊坡所處地形表層為第四系殘坡積層粉質(zhì)黏土，主要呈現(xiàn)為黃褐色；邊坡上部局部巖土體夾少量礫石，厚約0.2～2.1 m，硬塑；下伏基巖為鈣質(zhì)頁巖，青灰色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，層理較發(fā)育，近水平發(fā)育，巖體弱風化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部較密集，主要有兩組節(jié)理，間距0.2～0.8 m，節(jié)理面平直，泥質(zhì)充填。

2 邊坡穩(wěn)定性赤平投影法分析

赤平投影法是一種有效的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析工具，其可以幫助工程師直觀地理解邊坡巖體的結(jié)構(gòu)特征，從而更準確地評估邊坡的穩(wěn)定性[6]。分析過程主要包括以下步驟：

（1）確定結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)：需要對邊坡巖體中的結(jié)構(gòu)面進行詳細的地質(zhì)調(diào)查，記錄各組結(jié)構(gòu)面的走向、傾角等幾何參數(shù)。

（2）制作赤平投影圖：利用極射赤平投影方法，將結(jié)構(gòu)面的幾何參數(shù)投影到一個赤道平面上。這可以通過點投影的方式實現(xiàn)，即使用一個球體作為投影工具，通過球心做一個赤道平面（ESWN）作為投影平面。

（3）分析結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系：通過赤平投影圖，可以直觀地看出各組結(jié)構(gòu)面之間的組合關(guān)系，以及它們與邊坡的相對位置關(guān)系。

（4）確定不穩(wěn)定塊體：分析可能由結(jié)構(gòu)面切割形成的不穩(wěn)定塊體，以及可能的變形失穩(wěn)方向。

（5）穩(wěn)定性評價：結(jié)合赤平投影圖和巖體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，對邊坡巖體的穩(wěn)定性進行評價。

現(xiàn)場勘查所得的邊坡赤平投影圖如圖1所示，根據(jù)兩組節(jié)理的組合結(jié)果可以得出以下結(jié)論：邊坡主要有2組節(jié)理，第1組裂隙，產(chǎn)狀為211 °∠68 °，張開度大于7 mm，裂面較為粗糙，局部泥質(zhì)充填；第2組裂隙，產(chǎn)狀為167 °

∠5 °，張開度大于6 mm，裂面粗糙，局部泥質(zhì)充填；巖層產(chǎn)狀為150 °∠11 °，邊坡坡向為254 °∠38 °。上述兩組軟弱結(jié)構(gòu)面的交點處于天然邊坡（坡頂面）與開挖邊坡（邊坡面）的投影弧之間，坡體下部存緩傾軟弱面且在開挖邊坡（邊坡面）上出露，此時可能形成折線形滑動面，在暴雨等不利天氣狀態(tài)下容易對邊坡的穩(wěn)定性造成不利影響，需增加錨桿格梁邊坡防護。結(jié)合實際邊坡的坡率，將錨桿格梁護邊坡防護坡率設(shè)計為1∶1，采用12 m長φ32 mm的熱軋螺紋鋼筋作為錨桿錨固桿體。每級護坡豎向高度8 m設(shè)計1處2 m寬的平臺，整體坡面均采用鋼筋混凝土格梁加固，格梁主體使用C35鋼筋混凝土。

3 數(shù)值模擬計算

對于地質(zhì)條件復(fù)雜的邊坡，數(shù)值模擬可以考慮多種因素的綜合作用，更準確地評估邊坡施作錨桿格梁邊坡的穩(wěn)定性。該節(jié)使用有限元軟件對施作錨桿格梁前后的邊坡進行計算，對計算結(jié)果中的變形及剪應(yīng)力結(jié)果進行分析。

邊坡開挖后無錨桿支護位移云圖如圖2所示，根據(jù)計算結(jié)果可以得出以下規(guī)律：每級臺階坡腳處均會出現(xiàn)明顯的較大位移，第二級臺階的整體位移較大，最大位移達81 mm，局部較不穩(wěn)定，極易出現(xiàn)因坡腳破壞導(dǎo)致的滑移失穩(wěn)現(xiàn)象。

邊坡開挖后無錨桿支護剪應(yīng)力云圖如圖3所示，根據(jù)計算結(jié)果顯示：一級臺階坡腳處的剪應(yīng)力最大，最大值為8.15 MPa；各級臺階坡腳均有明顯的剪應(yīng)力集中區(qū)，并向邊坡內(nèi)部有明顯延伸，在不利外界條件下極易出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。

邊坡開挖后施作錨桿支護位移云圖如圖4所示，由計算結(jié)果可以看出：各級邊坡的變形明顯減小，僅在各級邊坡坡腳處出現(xiàn)小范圍的較大變形，坡面處變形與邊坡內(nèi)部變形基本一致，計算結(jié)果表明施作錨桿格梁后的邊坡穩(wěn)定性得到了較大提高。

邊坡開挖后施作錨桿支護剪應(yīng)力云圖如圖5所示，根據(jù)計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：除一級邊坡外，其他臺階剪應(yīng)力集中帶均消失，邊坡滑移失穩(wěn)風險基本得到了有效控制，邊坡的受力得到了較大程度的改善。

4 邊坡沉降監(jiān)測分析

邊坡防護沉降觀測是為了確保邊坡穩(wěn)定性和安全性而進行的一項重要監(jiān)測活動。根據(jù)邊坡的地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)特點和防護措施，在路堤兩側(cè)坡腳外0.5 m處及邊坡臺階各設(shè)置一處沉降觀測樁。觀測相鄰點高差中誤差應(yīng)不大于0.15 mm；前后視距應(yīng)控制在20 m以內(nèi)，前后視距差不應(yīng)超過1.0 m，前后視距累積差應(yīng)不大于3 m；每個監(jiān)測斷面的間距不得大于20 m。沉降監(jiān)測樁應(yīng)設(shè)置在邊坡平臺上。

待路基邊坡沉降14 d趨于穩(wěn)定后，對典型沉降變形圖像進行繪圖分析，典型圖像如圖6所示。根據(jù)沉降監(jiān)測結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：穩(wěn)定后的沉降值隨距離路基邊緣呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢；在路堤處附近的沉降值為35～47 mm，此處的沉降變形是由于路基填料受重力影響產(chǎn)生，小于設(shè)計要求值50 mm，能夠滿足使用要求；受邊坡開挖出現(xiàn)新的臨空面巖體內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力重分布和坡面巖土體沉降影響，在距離路基邊緣12 m處出現(xiàn)最大沉降值73 mm，距離路基邊緣25 m以外的沉降變形小于30 mm。在施工過程中，應(yīng)嚴格按照設(shè)計要求進行，確保邊坡的開挖、填筑和壓實等工序滿足規(guī)定標準，避免因施工不當導(dǎo)致的邊坡變形。

5 技術(shù)控制措施

路基邊坡穩(wěn)定施工控制措施具體如下：在施工過程中，應(yīng)嚴格按照設(shè)計圖紙和規(guī)范要求進行，確保邊坡的角度、形狀和尺寸符合設(shè)計要求；分層開挖與填筑，對于高填方或深挖方的邊坡，應(yīng)采用分層開挖和填筑的方法，控制每層的厚度，并確保每層都經(jīng)過充分的壓實，以防止因不均勻沉降而導(dǎo)致的邊坡變形；在施工過程中，應(yīng)確保邊坡排水設(shè)施的有效性，包括臨時排水溝、集水井等，以防止雨水對邊坡的沖刷和浸泡。

6 結(jié)論

（1）根據(jù)邊坡赤平投影結(jié)果，邊坡兩組軟弱結(jié)構(gòu)面的交點處于天然邊坡與開挖邊坡的投影弧之間，坡體下部存緩傾軟弱面且在開挖邊坡上出露，此時可能形成折線形滑動面，在暴雨等不利天氣狀態(tài)下容易對邊坡的穩(wěn)定性造成不利影響。

（2）邊坡每級臺階坡腳處均會出現(xiàn)明顯的較大位移，最大位移達81 mm，局部較不穩(wěn)定，極易出現(xiàn)因坡腳破壞導(dǎo)致的滑移失穩(wěn)現(xiàn)象。施作錨桿后僅在各級邊坡坡腳處出現(xiàn)小范圍的較大變形，坡面處變形與邊坡內(nèi)部變形基本一致，邊坡穩(wěn)定性得到了較大提高。

（3）對邊坡進行沉降監(jiān)測，受邊坡開挖出現(xiàn)新的臨空面巖體內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力重分布和坡面巖土體沉降影響，在距離路邊緣12 m處出現(xiàn)最大沉降值73 mm，距離路基邊緣25 m以外的沉降變形小于30 mm，能夠滿足設(shè)計要求。

參考文獻

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收稿日期：2024-03-08

作者簡介：孫珂（1990—），男，碩士研究生，工程師，從事道路與交通工程工作。