尾砂矿区道路高陡边坡优化计算分析

韩海霞++李婷婷++钱行

摘 要：为研究尾砂矿复杂地貌区的高陡边坡的稳定性，利用Geostudio软件对某一地段的典型高陡边坡的稳定性进行分析，并针对避免二次征地的问题，提出削坡方案，将边坡的坡比由1：1.75削成1：0.5，为进一步提高边坡的稳定性，采用加筋支护的形式进行边坡支护。结果表明：边坡的安全系数随边坡的开挖而降低；加固后的边坡安全系数有所增大。为类似地区的高边坡的稳定性提供参考和建议。

关键词：路堤高边坡；边坡支护；稳定性分析；数值模拟；尾砂矿

在公路的修建过程中，难免会存在路堤的开挖的状况，在设计和施工的时候可以采用坡度较大的边坡。喻军华对岩质高边坡开挖与支护过程进行了系统的分析，但其理论与分析方法不宜用于土质边坡的稳定性分析；刘欣欣针对在季节性冻土地区边坡稳定性进行了研究，但对南方较少出现季节性冻土的土质边坡并不实用；廖小平（2003）根据边坡的不同类别与不同的边坡滑移方式分析了类土质边坡的稳定性与破坏形式，并阐述了其理论基础，但并没有针对某一算例进行定量分析，对实际施工具有较少的借鉴意义。针对以上不足，本文提出了针对南方某一地区存在的路堤高陡土质边坡进行稳定性分析，并对其进行优化处理。

1 工程概况

南京某绕越公路东北段地貌类型属垅岗状冲洪积倾斜平原区，路线经过区勘探深度范围内地层为第四系全新统、上更新统松散沉积物、第三系中新统雨花台组砂砾层及白垩系浦口组泥岩。由于后期人为剥露，局部区域主要土层为：粘土、粉质粘土层、圆砾、卵石层、强风化泥岩和中风化泥岩。地层上部堆积着灰黄色、灰色黏土，该层土层顶埋深0.00～3.10m、平均0.54m；层顶标高9.90～55.90m、平均36.83m；厚度2.50～7.50m、平均4.00m。由于上部分布着黏土，其塑限、液限相对较高，中部分布着颜色较杂，黄灰色为主的圆砾、卵石，该层土层顶埋深0.00～11.70m、平均5.12m；层顶标高1.30～63.60m、平均30.25m；厚度0.25～33.10m、平均12.22m。下部分布着砖红色、棕红色，坚硬的泥岩。

其中，K18+075～K18+180段路基附近有一较大采砂坑，沿路线方向长度一百多米，坑深26.5m～31.1m，设计路堤路肩距坑边约5～6m，设计路堤顶面高度距坑底约20m，因此该路基边坡属于高边坡，若采用常规折线形放坡或台阶式放坡，坑底坡址处将超过建筑红线，引起二次征地问题。

2 方案分析

本标段以原始方案为基础，分析原始方案的高陡边坡的稳定性，由于原始方案的占地面积较大，因此采用削坡的方式，削坡是分级进行的，初期是将边坡由1：1.75削成1：1，后期是将边坡由1：1削成1：0.5。但是边坡的开挖可能导致边坡的一部分土体在结构和含水率方面会发生变化成为扰动土，因此，在削坡的过程中要充分考虑扰动土的各项参数变化及其影响，以观察在此情况下的边坡的稳定性的相应变化。之后对削坡后的边坡采取支护的方式来提高边坡的安全系数，提高边坡的稳定性，边坡的支护考虑到当地土层的性质和经济的问题采用回填土加筋收坡的防护结构形式。土样的基本参数如表1，计算断面模型如图2.1。

2.1 原始边坡稳定性分析

在本方案中不考虑孔隙水的影响，滑动体从左到右共划分为30个土条，编为1～30号。计算迭代次数最大为2000次，迭代误差小于0.01%则认为达到收敛，滑动面与土条形状由系统自动选取，建立原始方案分析模型。原始高陡边坡的边坡安全系数是1.895。根据规范可知，该边坡的稳定性较好。

2.2 边坡优化后的稳定性分析

2.2.1边坡削坡后的稳定性分析

初步削坡后的边坡增加扰动土层，此时边坡的安全系数为1.415。可以看出，相较于原始边坡，初步削坡后的边坡的安全系数大大降低，但是根据规范，其安全系数仍然处于较好的范围，符合规范的要求。

再次削坡由于边坡的再次开挖，造成扰动土体的进一步扩大，导致边坡边缘处的土体性质变差。再次削坡后的边坡的潜在滑动面如图2.2所示，安全系数是1.069，根据规范可知该边坡的稳定性较差，且再次削坡后的边坡滑动面由上下边坡的共同滑动变为了只有下边边坡的滑动。滑动体明显向前移动，其稳定性有明显的而降低。因此，为了满足边坡整体稳定性的要求，还需对回填土边坡进行支护处理。

2.2.2支护边坡的稳定性分析

工程实践中削坡后的边坡的稳定性较差，因此，需对回填土进行支挡防护。常用的支挡结构有抗滑桩、挡墙等结构形式。然而，考虑到原始砂砾土层与下卧泥岩较好的工程性能，以及土层中卵石的大量分布，若采用传统的抗滑桩支护方式，现场钻孔以及机械施工较为困难；而重力式挡墙等支护形式虽然可以实现对回填土层的收坡作用，但相对较小稳定安全系数的提高，其工程造价性对昂贵。因此，考虑到边坡最不利滑动面位于回填扰动砂砾土层中，现场施工中可采用回填土加筋收坡的防护结构形式。

加筋土复合体是通过筋土间剪切作用将拉应力传递到相邻拉筋上的，而土体仅承受压应力及剪切应力，使加筋土体成为具有一定自承约束的复合结构。 最初，加筋土加固機理采用简单摩擦加固机理模型进行分析，参见图2.3。之后，加筋土“粘聚力理论” 分析模型逐渐发展起来，并得到进一步完善。工程实践与室内研究表明，对于土石混合料、碎石土、堆石体等填料加筋效果较为显著，可显著提高散体材料工程性能。

本工程中加筋后的边坡相比于无支护边坡，其安全系数由1.069提高为1.452，有明显提高，且滑动面明显后移，滑动体体积明显增大，因此调动滑动体的所需要的力也进一步增大，从而进一步提高了边坡的稳定性。

加固支护后的边坡土条的抗剪强度明显提高，这是由于在设置土工格栅后，危险滑动体的体积增大，土条的高度增加，对滑动面的压力也同时增加，由于在摩尔-库伦理论中抗剪强度与正应力成正比，所以增加正应力可以更好地发挥土体的抗剪能力，从而提高边坡的稳定性。

原始边坡与优化后的边坡数据如表2。

3 结论

本方案以原始高陡边坡的稳定性分析为基础，考虑到原始边坡占地面积太大可能引起二次征地的问题，设计出边坡的优化处理。初步采用削坡的方式，其中削坡分两部分进行，由1：1.75到1：1再到1：0.5，边坡的安全系数随着边坡的开挖而有所降低，稳定性下降。由于削坡后的稳定性较差，因此对回填土边坡进行加筋支护以提高边坡的稳定性。加筋支护后的边坡比原始边坡在占地面积的长度上要减少10m，同时比较各个边坡在不同方法下的安全系数可以得出加筋支护方案的安全系数较高，稳定性较好，故支护方案是合理可行的。

参考文献

[1] JTGD30—2004.公路路基设计规范[S]

[2] 喻军华.岩质高边坡开挖与支护过程分析[D].浙江：浙江大学建筑工程学院，2003

[3]刘欣欣.季节性冻土地区边坡稳定性分析[D].重庆：重庆交通大学岩土工程，2013

[4] 廖小平.类土质路堤边坡变形破坏类型及其稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2003（S2）：2765-2772

作者简介

韩海霞，河南省郑州市，现就读于郑州大学土木工程学院，研究方向：边坡与基坑工程。