晴兴高速公路煤系地层路基边坡加固设计方法研究

粟周瑜

(贵州省公路局　贵阳　550003)

晴兴高速公路煤系地层路基边坡加固设计方法研究

粟周瑜

(贵州省公路局贵阳550003)

摘要在我国西部山区广泛分布着煤系地层，这种地层具有软硬岩层频繁交替的特点，煤系地层上的路基边坡易发生变形破坏。文中结合晴兴高速公路路基边坡工程，探究煤系地层路基边坡的加固设计方法，利用已有试验参数，通过有限元方法分析边坡在锚杆加固、抗滑桩加固以及“锚杆-抗滑桩”联合加固下取得的治理效果。

关键词煤系地层路基边坡加固有限元分析

煤系地层是含有煤层的一套沉积岩层，彼此间大致是连续沉积，并在成因上有密切关系。其特征包括岩石组成、含煤层数、煤层厚度、煤质、煤类等。煤系地层多是软弱岩层，其工程地质条件通常较差。在建的晴隆至兴义高速公路穿过大量含有煤系地层的地区，煤系地层中的炭质泥页岩属于软岩，其路基边坡易产生变形破坏。

1晴兴高速煤系地层路基边坡破坏模式与加固方法

晴兴高速公路路基边坡在地下水、雨水、重力，以及特殊地质条件的作用下，可能发生变形破坏，其变形破坏现象可分为2大类：①煤系地层路基边坡局部破坏。调查分析，坡面局部破坏[1]包括剥落、冲刷和表面滑塌等类型，是由于水的浸润与蒸发、冻结与融化、日光照射等风化营力对表层

土产生复杂的物理化学作用所导致；②煤系地层路基边坡整体性破坏[2]。煤系地层路基边坡整体崩塌和滑坡均属这类煤系地层路基边坡变形破坏。煤系地层土质路基边坡在坡顶或上部出现连续的拉张裂缝并下沉，或煤系地层路基边坡中、下部出现鼓胀现象，都是煤系地层路基边坡整体性破坏和滑动的征兆。一般地区这类破坏多发生在雨季中或雨季后。

对于不同的煤系地层边坡类型及其破坏模式应采用不同的治理措施[3-5]。治理病害边坡的方法种类原则上可分为2种：①当边坡整体稳定无问题，仅对表部或局部出现的变形破坏而采取的防护措施；②边坡本身不能保持稳定，为清除或减少各种不稳定因素，增强边坡稳定性的整治工程措施。其中锚索框架梁和抗滑桩是煤系地层边坡2种主要的加固方式。锚杆可适用于各类边坡，但造价较高，一般在浅层稳定性差的边坡中采用较多。对于稳定性很差的高陡岩质边坡，有较理想作用。抗滑桩是将桩插入滑动面以下稳定地层中，利用稳定地层岩土的锚固作用以平衡滑坡推力、稳定滑坡的一种结构物。抗滑桩之所以被广泛应用，是因其具有抗滑能力大、支挡效果好、施工安全等优点。

2有限元计算分析

基于实际边坡建立模型，通过数值分析，从加固效果，经济效益等方面比较锚索加固、抗滑桩加固及锚杆+抗滑桩联合加固的实际效果。

2.1　加固前有限元分析计算

选取晴兴高速公路YK23+240处断面作为典型剖面作为研究对象建立模型，将实际边坡体按平面应变模型做简化处理，土体单元采用三角形平面应变单元，桩和锚杆采用梁单元，桩土以及锚杆与土相互作用采用embed建立接触关系[6]。边界条件为：水平边界只约束水平位移，模型底部采用全约束。单元总数约计20 000多个。根据施工单位提供的地勘报告以及岩石力学参数手册得计算模型参数见表1。

表1　模型计算参数

边坡土体采用莫尔-库仑材料模型，桩体和锚杆均采用线弹性模型。模型长度80 m，高度60 m，边坡分4级开挖，前2级开挖5.75 m(1∶1)，设2 m台阶，后2级开挖5 m(1∶1)。加固前开挖完成后的有限元模拟结果见图1。

a)竖向位移云图b)水平位移云图c)塑性应变云图

图1加固前开挖完成后的有限元模拟结果图

由图1可知：①边坡未进行加固前，开挖完成后坡体产生很大的水平位移和竖向位移；②边坡开挖时，各步骤产生的水平和竖向位移持续增大，最大位移均达到40 cm左右，说明边坡进入塑性状态；③坡体塑性应变区分布很广，呈明显的贯通状，必须采取一定的加固措施。

2.2　锚杆加固后有限元分析计算

模拟加固方案采用锚杆加固，锚杆直径22 mm，锚杆长度15 m，竖向间距1.5 m，锚固角度与水平面呈45°。锚杆采用梁单元进行模拟，采用线弹性模型。开挖步骤与加固前相同，开挖完成后的有限元模拟结果见图2。

a)竖向位移云图b)水平位移云图c)塑性应变云图

图2锚杆加固后开挖完成后的有限元模拟结果图

由图2可知：①边坡开挖完成后，在锚杆加固的作用下，坡体产生的水平和竖向位移均减少到很小，但竖向位移稍大些；②开挖过程中，位移曲线比较平顺，无明显拐点，说明开挖过程中边坡状态比较良好；③开挖过程中，坡体塑性区发展较快，虽未贯通，但仍存在安全隐患。

2.3　抗滑桩加固后有限元分析计算

模拟加固方案采用抗滑桩加固，桩径1 m，桩长22 m，嵌入岩层3.5 m，位置布置在边坡台阶处。抗滑桩采用梁单元进行模拟，采用线弹性模型。开挖步骤与加固前相同，开挖完成后的有限元模拟结果见图3。

a)竖向位移云图b)水平位移云图c)塑性应变云图

图3抗滑桩加固后开挖完成后的有限元模拟结果图

由图3可知：①边坡开挖完成后坡体产生的水平位移较小，竖向位移要大些；②开挖过程中，坡体塑性区发展很快，抗滑桩前后塑性应变较大，存在安全隐患，需采取进一步的加固措施。

2.4　“锚杆-抗滑桩”联合加固后有限元分析计算

模拟加固方案采用抗滑桩+锚杆加固[7]，抗滑桩桩径1 m，桩长22 m，嵌入岩层3.5 m，位置布置在边坡台阶处。锚杆直径22 mm，锚杆长度15 m，竖向间距1.5 m，锚固角度与水平面呈45°，只加固到台阶处。抗滑桩和锚杆均采用梁单元进行模拟，采用线弹性模型。开挖步骤与加固前相同，开挖完成后的有限元模拟结果见图4。

a)竖向位移云图b)水平位移云图c)塑性应变云图

图4桩锚加固后开挖完成后的有限元模拟结果图

由图4可知：①开挖完成后坡体产生的水平位移和竖向位移均很小；②开挖过程中，位移曲线比较平顺，无明显拐点，说明开挖过程中边坡状态比较良好；③坡体塑性应变区发展很小，边坡状态非常良好，加固措施取得了很大的成效。

2.5　不同加固方式效果评价

根据有限元的分析结果，将不同工况计算得到的坡顶(底)竖向位移和水平位移值进行了对比，绘制了图5～图8。利用强度折减法，得到各种加固方式下的安全系数，见表2。

图5　不同加固方式坡顶竖向位移图

图6　不同加固方式坡底竖向位移图

图7　不同加固方式坡顶水平位移图

图8　不同加固方式坡底水平位移图

工况安全系数提高比例/%加固前1.02锚杆加固1.2118.6抗滑桩加固1.1916.7桩锚加固1.4542.2

从图7、表2可见：①各种加固方式对开挖过程中产生的竖向位移均有减小，其中桩锚加固最为明显，锚杆次之，抗滑桩最差；②各种加固方式对开挖过程中产生的水平位移均有减小，其中桩锚加固最为明显，锚杆次之，抗滑桩最差；③其中桩锚加固对边坡的安全系数由1.02提高至1.45，比抗滑桩和锚杆单独加固时的效果更好；④最后得出加固效果比较：桩锚加固效果最好，锚杆和抗滑桩相差不大。

3结论

(1) 锚杆加固。与开挖未支护相比，坡顶和坡脚位移都有减小，这表明锚杆对于加固软弱层的效果较明显。但是，从应变云图来看，坡角处局部区域应变较大，且呈贯通趋势的应变向坡体深处发展。

(2) 抗滑桩加固。与开挖未支护相比，坡角的位移降低明显，但抗滑桩以上土体位移仍然较大，这是因为抗滑桩只是阻挡了坡体的滑动，但是并未加固软弱层。

(3) 锚杆+抗滑桩联合加固。此加固方式综合两者的优势，无论从位移云图还是应变云图都体现加固效果明显。

综上所述，对于这种有软弱层的牵引式滑坡，采用锚杆+抗滑桩联合的加固方式，具有明显的效果。

参考文献

[1]王红星.高填方路基边坡稳定性分析[D].郑州:河南工业大学,2013.

[2]张有天.岩石高边坡的变形与稳定[M].北京:中国水利水电出版社,1999.

[3]许湘华,朱能文,方理刚,等.贵州地区浅变质岩公路边坡稳定性分析[J].铁道科学与工程学报,2010(8):45-51.

[4]徐国民,杨金和.边坡支护需考虑的因素与支护结构形式的选择[J].昆明理工大学学报,2008,33(4):51-68.

[5]王惠勇,李玉娟,肖梅峰,等.高速公路路堑边坡滑坡机理及其加固技术探讨[J].中南公路工程,2005,30(2):80-82.

[6]贾金青,郑卫锋, 陈国周.预应力锚杆支护技术的数值分析[J].岩石力学与工程学报,2005,24(21):3978-3982.

[7]田景贵,范草原.预应力锚索抗滑桩的机理初步分析与设计[J].重庆交通学院学报,1998,17(4):59-64.

Design Method of Coal Strata Roadbed Slope Reinforcement in Qingxing Highway

SuZhouyu

(Guizhou Provincial Highway Bureau, Guiyang 550003, China)

Abstract：Coal-bearing strata are widely distributed in the western mountains of China. This soft and hard rock strata features is frequently alternating transverse isotropic. The embankment slope is easy to be out of shape and to destroy on this strata. In order to explore the coal strata reinforcement design method, combining with Qingxing highway roadbed engineering, the effect of Bolt Reinforcement, Anti-slide pile Reinforcement and "Bolt& anti-slide pile "governance Reinforcement of slope were analyzed and contrasted with the finite element method analysis by using the existing test parameters.

Key words:coal-bearing strata; roadbed slope reinforcement; finite element analysis

收稿日期：2015-03-31

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.032