高速公路岩质高边坡的稳定性评价

杨中方 杨绪祥

1 概述

岩质高边坡稳定性成为山区公路建设工程中常见和重要的岩土工程问题之一。它在很大程度上影响着公路工程建设投资和运营效益[1，2]。某高速公路位于西北部山区，由于境内崇山峻岭，山川河谷交错，垂直变化大，分布岩质边坡坡高多在30 m～50 m之间，属规范规定必须专门研究的超高边坡。对超高边坡的稳定性进行研究，其研究结果为完善设计工作和采取相应的防护措施提供科学依据。

2 工程地质、水文地质概况

根据钻孔柱状图及相关资料，可以确定本区为构造剥蚀中低山区，上覆第四纪残坡积物，下为第一、第二组白云钠长片岩及第三组绢云母片岩。钻探揭露的地质资料表明:坡面多有1 m～4 m的残坡积物，开挖后的边坡坡角多在45°左右。地下水资料，共有7孔出现地下水，其中3孔为坡脚-8 m～-9 m，分布在K15+038，K15+860和 K35+720断面;4孔为坡脚-1.5 m，分布在K45+300，K45+320，K51+819.5 和 K57+315.9断面。

3 边坡稳定性评价方法

目前工程中常用的边坡稳定性评价方法为极限平衡法，如费伦纽斯法、Bishop法、简布法、SARMA 法、M-P法等，另外还有有限元数值分析法等。这些方法都有各自的优缺点，极限平衡法是目前工程上用的最多的方法。本文即采用极限平衡方法的Bishop法和FLAC3D软件对边坡的稳定性进行对比研究，使得计算过程更加合理，计算结果更加符合实际。

3.1 计算参数的确定

计算参数取值见表1(仅以 K15+860，K26+420，K53+649三处边坡为例，下同)。

表1 计算参数取值表

3.2 计算模型及工况的选择

1)计算模型的建立。根据钻孔资料，除 K45+300，K45+320需要考虑软弱夹层的影响外，其他边坡岩层均按均质考虑，仅考虑风化壳的差异，各边坡计算参数，按表1取值。地表水在采取完善的防地表水措施后不再考虑;地下水在坡脚以下的岩质边坡不再考虑。软弱夹层产状根据岩层真实产状计算。地震采用7级烈度予以考虑。2)计算工况的选择。按GB 50330-2002建筑边坡工程技术规范规定，采用两种工况计算对比。即:a.天然状态;b.天然+地震(7级);对不能满足稳定性要求的，采用锚杆加固方案对边坡进行防护的还要验算;c.锚杆+天然;d.锚杆+地震(7级)两种工况时的稳定性。

3.3 计算结果及分析

3.3.1 极限平衡计算结果分析

1)计算结果。所有边坡模型原点均选在坡脚与路面相交处。计算采用:a.天然状态;b.天然+地震(7级)两种工况，按照GB 50330-2002建筑边坡工程技术规范，永久性超高边坡按一级边坡进行安全设计，设计安全系数为1.30。Bishop方法计算结果见表 2。2)计算结果分析。根据表2的结果，可以确定K15+860边坡具有足够的稳定性，在做好坡顶及坡面防水措施后可以不必采取加固措施，另两个边坡均不能满足稳定性要求，必须进行加固。加固方案采用预应力锚杆加格构护坡方案。

表2 Bishop法计算结果表

3.3.2 FLAC法计算结果分析

边坡稳定性安全系数的计算结果见表3。

表3 FLAC计算结果表

在地震荷载作用下，采用强度折减法计算出的加固前边坡的安全系数为 1.3，加固后的安全系数为1.35，从图1中可以看出滑坡面与简化Bishop方法计算出滑坡位置基本一致。

在地震荷载作用下，采用强度折减法计算出的加固前边坡的安全系数为1.18，加固后的安全系数为 1.44，从图2，图 3中可以看出滑坡面与简化Bishop方法计算出滑坡位置基本一致。

在地震荷载作用下，加固前边坡基本上无塑性区，加固后基本上也无塑性区，说明边坡加固后处于安全状态，并有较大安全储备。

在地震荷载作用下，采用强度折减法计算出的加固前边坡的安全系数为 1.02，加固后的安全系数为1.4，从图4，图5中可以看出滑坡面与简化Bishop方法计算出滑坡位置基本一致。

3.3.3 极限平衡法及FLAC法计算结果对比分析

1)对于采用锚杆进行加固处理的边坡。通过FLAC计算了在地震荷载作用下，高边坡在锚杆加固前后边坡的响应情况。计算结果表明:采用锚杆加固后，最大位移、最大剪应力较加固前减小。加固前塑性破坏区呈贯通态势，加固后由于预应力锚杆的作用，塑性破坏区变小，且未贯通，并且最大位移较小，说明加固后，即使在地震的作用下，边坡也处于安全状态。

采用强度折减法计算了临界失稳情况下高边坡在地震荷载作用下，锚杆加固前后的安全系数。计算结果表明:采用锚杆加固后，临界失稳时，加固后的滑坡速度要小于加固前的。

2)对于未采用锚杆进行加固处理的边坡。通过FLAC计算了在地震荷载作用下，高边坡的响应情况。计算结果表明:最大位移、最大剪应力较小，塑性破坏区未呈贯通态势，说明即使在地震的作用下，边坡也处于安全状态。

采用强度折减法计算了临界失稳情况下高边坡在地震荷载作用下的安全系数。计算结果表明:滑坡面的位置与简化Bishop方法计算出滑坡位置基本一致。

4 结语

1)岩质边坡的稳定性评价工作必须建立在翔实的地质勘察、岩土力学参数试验、现场施工条件调查的基础上。

2)用极限平衡方法的Bishop法对边坡进行稳定性研究，再运用FLAC3D软件进行数值模拟，将其结果与Bishop法进行对比分析，此法计算过程更加合理，计算结果更加符合实际。

3)边坡的防护应根据边坡的岩体结构特征、稳定性状况及潜在的变形失稳方式具体实施，由这一原则可知边坡的地质勘察和分析是边坡防护设计的基础，应充分重视，同时安全耐久、经济美观也是边坡防护的重要原则。

[1] 曾宪明，林润德，易 平.基坑与边坡事故警示录[M].北京:中国建筑工业出版社，1999:203-207.

[2] 杨航宇，颜志平，朱赞凌，等.公路边坡防护与治理[M].北京:人民交通出版社，2002.

[3] 陈宇基.公路边坡稳定性分析与加固处理[J].山西建筑，2009，35(23):316-317.