山区公路深路堑边坡稳定性分析

蒲德红，杨　伟，翟文光，3

(1.重庆市交通规划勘察设计院，重庆　401121；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆　400067；3.重庆交通大学，重庆　400074)



山区公路深路堑边坡稳定性分析

蒲德红1，杨伟2，翟文光2，3

(1.重庆市交通规划勘察设计院，重庆401121；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067；3.重庆交通大学，重庆400074)

深路堑边坡是山区公路工程常见的边坡类型，采用Slide V6.0软件对广东某深路堑边坡进行模拟，计算分析其在不同工况下的稳定性。根据分析计算结果，为边坡支护加固的位置、类型选择、参数选取提供依据。分析过程也可为同类边坡稳定性计算和支护的选择提供参考。

；深边坡；工况；稳定性；Slide软件

在山区公路建设中，会出现大量的山体开挖，由于地形条件和技术指标的限制，将不可避免地出现深路堑边坡。岩体开挖形成前缘临空面后，由于风化将致使其内摩擦角和粘聚力降低，在自重力作用及受降雨浸水的影响下易产生滑移变形，出现岩体掉块和较大体积的局部块体破坏问题，危害公路，危及行车安全。传统的边坡稳定性分析软件(如SLOPE/W、理正岩土、FLAC3D、ANASYS等)一定程度上能较好地为工程实践服务，但往往建模复杂、计算繁琐，给研究、设计带来诸多不便。

基于竖直条分法极限平衡分析的Slide软件，可有效评价边坡的安全系数和失效概率，建模简单、计算快捷，为越来越多的研究设计人员使用。本文结合工程实例，采用Slide软件对某深路堑边坡在不同工况下进行稳定性分析，得出危险滑动面的安全系数，并对偏安全的滑面采用相应的支护措施，从而达到边坡的加固，为同类边坡的稳定性分析评价和支挡防护提供新的思路、途径和方法。

1　边坡稳定性分析理论

极限平衡法是目前国内使用最为广泛的一类路堑稳定性分析方法，实践证明，极限平衡法能有效地解决工程中的实际问题[1]。其特点是不引入应力-应变关系，而是对多余未知量作出假定，使方程式的数量等于未知数数量，从而使得二次静不定问题转化为静定问题，简便可解[2，3]。

本文工程实例中，路堑稳定性计算采用简化Bishop法。Bishop考虑了条间力的作用，安全系数计算公式如图1所示[4]。其中，Wi为土条自重，Qi为水平作用力，Ei及Xi分别表示法向及切向力，Ni、Ti分别为土条底部的总法向力(包括有效法向力及孔隙应力)和切向力。

图1　Bishop法计算边坡稳定性分析

Bishop法安全系数计算公式为：

(1)

式中：Fs为安全系数；αi为第i块土条滑面与水平面的夹角，(°)；ui为作用于第i块土条的渗透水压力，kPa，在稳定渗流情况下ui=γwhwi；bi为第i块土条的长度，m；φi为第i块土条滑面的内摩擦角，(°)；ci为第i块土条滑面的粘聚力，kPa；Qi为第i块土条的水平作用力，kN；Xi为第i块土条的切向条间力，kN。

简化Bishop法的计算公式如下：

(2)

2　工程概况

以某高速公路右侧深路堑边坡为例，该边坡长104 m，最大坡高33.7 m，自然坡角25°～35°，路基代表性断面如图2。坡面局部为土层或风化层覆盖，在基岩出露处存在3组较发育的微张型节理，节理面光滑且无充填。该区域地下水有第四系孔隙水、基岩风化裂隙水及构造裂隙水，无地表水。

图2　边坡横断面图(单位；m)

3　模拟工况及结果分析

Slide软件由加拿大Rocscience公司研发，可进行圆弧或者非圆弧滑动的岩质或土质边坡稳定性分析、渗流模型分析，模拟多种外部荷载、地下水和支护形式。其程序计算方法是基于竖直条分法的极限平衡分析理论(如Bishop法，Janbu法，Lowe-Karafiath法，Spencer法等)，对既定边坡可指定滑面或者驱动程序使之自动搜索滑面，进行边坡稳定的概率分析和敏感性分析。

3.1模拟工况

该边坡所处地区年降雨量2 000 mL左右，降雨强度大，存在暴雨或连续降雨的情况，应分析边坡在非正常工况Ⅰ下的稳定性。根据《公路路基设计规范》JTG D30-2015 3.7.5条规定，本例中边坡稳定计算采用简化Bishop法，综合地勘物理力学实验成果及工程经验计算参数取值如表1。

表1 岩土计算参数岩土名称正常工况重度γ/(kN·m-3)粘聚力C/kPa内摩擦角Φ/(°)粉质粘土17.82620砂质粘性土18.52022砂土状强风化花岗岩22.52729非正常工况Ⅰ重度γ/(kN·m-3)粘聚力C/kPa内摩擦角Φ/(°)18.6221819.3182023.32426 注:钢筋与M30水泥砂浆粘结强度标准值为2.5MPa;钢绞线与M30水泥砂浆粘结强度标准值为3.5MPa。

根据上述分析，设置4种工况对该边坡稳定性进行分析，如表2所示。

表2 模拟工况模拟工况正常工况或非正常工况Ⅰ有无支护工况1正常工况无工况2非正常工况Ⅰ无工况3正常工况有工况4非正常工况Ⅰ有

3.2结果分析

对于工况1和工况2，稳定性计算结果分别如图3，图4。

如图3，图4可知，当边坡采用自然放坡时，最危险滑动面由第1级边坡至坡顶，滑面较长。经计算，该断面在正常工况下边坡整体稳定安全系数Fs=1.114<1.2，非正常工况I时，最小安全系数为Fs=0.971<1.1，均不满足《公路路基设计规范》表3.7.7中相关要求。因此要对边坡进行支护加固，需要进一步分析工况3和工况4。

图3　工况1稳定性计算

图4　工况2稳定性计算

对深路堑边坡的加固处治应遵循“强腰固脚”的原则，在加固坡脚与边坡中部坡体的同时，施加预加固措施[5，6]。预加固主要采用预应力锚索框架梁、锚杆(钉)格子梁、锚墩(杆)等措施。根据Slide分析所确定的危险画面的位置，可准确地在滑动面上采取加固处治措施，以增加安全系数，从而提高边坡的稳定性。采用工程措施如下：

第1级边坡采用锚杆框架梁加固，锚杆长11.5 m，采用Φ28HRB400钢筋，下倾20°；第2、3级采用锚索框架梁加固，锚索长分别为24、26 m，锚固段均为10 m，采用4束φ15.2高强度低松弛的无粘结钢绞线，下倾20°；第4级边坡采用拱形骨架植草防护。

对于工况3和工况4，稳定性计算结果分别如图5，图6所示。

经验算，边坡加固后正常工况时Fs=1.576>1.2，非正常工况I时Fs=1.376>1.1，满足规范要求，大大提高了边坡的稳定性。

图5　工况3稳定性计算

图6　工况4稳定性计算

4　结论

本文以Slide软件为基础，模拟4种不同工况下的边坡稳定性。根据不同工况下边坡的最小稳定性系数，为深路堑边坡失稳变形的评估预测和治理措施的选取提供科学依据。深路堑边坡稳定性受多因素的影响，其中支护方式及降雨影响均较大。主要结论如下：

1) 无支护时，正常工况下Fs=1.114，在暴雨或连续降雨情况下，Fs=0.971，安全系数显著降低，边坡不稳定。对潜在滑动面进行支护和加固后，Fs=1.376，边坡稳定性显著提高。

2) 受到降雨影响，边坡岩土体含水量的不断增加，孔隙水压力不断增大，坡体的抗剪能力降低，稳定性也随之降低。

3) 工程人员需重点做好边坡的排水工作，降低雨水对边坡稳定性的影响，从而有效地提高边坡的稳定性，降低事故发生的概率。

[1]唐树名，碎裂结构岩体路堑边坡锚固机理分析及其应用研究[D].重庆：重庆大学，2003.

[2]王广和，杨书涛，王宏志，等.包钢白云鄂博东矿C区滑体变形研究及边坡稳定性评价[A].第二届全国岩土与工程学术大会论文集(上册)[C].2006.

[3]王艳霞.边坡稳定性分析三维极限平衡法研究及实现[D].西安：长安大学，2002.

[4]高大钊，袁聚云.土质学与土力学[M].北京：人民交通出版社，2006.

[5]周宏元，曾智勇.预应力锚杆框架梁边坡加固结构的应用分析[J].铁道工程学报，2013(3)：16-18，85.

[6]尹紫红，孔书祥.关于预应力锚索长度设计的探讨[J].铁道建筑，2004(9)：38-40.

2016-03-31

蒲德红(1971-)，男，高级工程师，主要从事公路规划、勘察设计的技术工作。

；1008-844X(2016)03-0015-03

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