膨胀土地区高速公路高边坡柔性支护方案设计与稳定性分析

曾宪群

摘要：以X高速路膨胀土路堑边坡为例，针对边坡的柔性支护，介绍了相应的方案，并分析了边坡的塑性区和位移，最后对柔性支护条件下边坡稳定性进行了详细深入的分析。

关键词：膨胀土；路堑高边坡；支护

1 项目概况

X高速路，所在区域属于膨胀土区域，路堑高边坡大部分用锚杆框架梁的方式加固。拟设高边坡全长280m，最大挖深40.8m，边坡位于某村500m的山体中，且在A2标段内。

2 边坡柔性支护方案

2.1 柔性支护

柔性支护结构包括土工格栅、土工袋等，这种结构能够适应膨胀土的变形。张永防等人通过对实际工程的数据采集分析得出锚杆框架梁对边坡的维护有良好的效果。杨和平等人用有限差分结合极限平衡分析的方法，对支护前后膨胀土边坡稳定性进行分析，结果表明：采用柔性支护方式使膨胀土边坡稳定性提高显著。柔性支护结构有良好的受压能力，也允许土体在一定范围内形变，并且对土体的应力和膨胀能的释放也有良好的吸收效果，所以建议采用此结构护理膨胀土边坡。

2.2 支护方案

根据膨胀土的相关特性，整个膨胀土边坡工程采用了锚杆框架梁的支护措施加固。本文数值模拟选择标段K12+100-K12+140，此段边坡地形较陡且坡高，坡度在45°～65°之间。路堑边坡开挖从上至下分一、二、三级，高8m宽2m，坡率分别为：1：1.75，1：1.5，1：1。

锚杆与水平面成1500角，长6m，锚杆纵向间距均为3米，锚杆成10CM的孔径，并配C32mm螺纹钢，灌注M30的水泥浆于孔内，其中框架梁尺寸为0.30m×0.30m。

3 柔性支护条件下边坡稳定性分析

3.1 塑性区分析

在数值模拟时，屈服准则的塑性区用Plot zonecolor by state命令来显示，以确定破坏的状况。边坡失稳过程为：塑性区域延伸，扩展至贯通；土体进入流塑态；最后边坡不能承载而滑坡失稳。

以X高速膨胀土路堑边坡例，按实际的施工顺序，借助FLAC3D有限差分软件，对边坡开挖支护前后进行了数值分析，在各个不同施工阶段，边坡体的塑性区在各级支护下的变化情况如图1所示。

边坡未支护：塑性区范围大，并不断向边坡上部扩展，贯通边坡顶部，此阶段以剪切破坏为主，如图1（a）；

完成一级支护：塑性区的扩展趋势不变，但剪切破坏明显缩减，如图1（b）。

完成二级支护：剪切破坏进一步缩减，如图1（c）。

完成三级支护：塑性区稳定，剪切破坏再进一步缩减，坡体处于稳定状态，如图1（d）。

各级边坡支护前后潜在画面的发展趋势可以推断出边坡在各施工阶段的分布情况，这对膨胀土的边坡支护设计有一定参考价值。

3.2 边坡位移分析

膨胀土路堑边坡开挖后，由于土体结构破坏，边坡受到卸荷回弹力和抗剪強度降低的影响，有明显向外滑动的趋势。施工中应该注意监视两个位置的位移变化情况：第一是一级边坡坡面中下部，这里的位移最大；第二是三级边坡的坡顶靠近坡面的位置，这里竖向沉降最明显。完成一级支护后，坡顶的沉降缩减明显，但边坡中下部位移抑制效果一般。当完成二级支护后，边坡位移进一步减小，但最大位移量仍有22mm。当边坡支护完成后，边坡的竖向沉降及水平移动降到了非常小，且最大水平位移位置也上移，边坡滑动趋势基本消除，边坡整体趋于稳定。

3.3 锚杆轴力分析

在完成三级支护数值模拟后，提取出支护后的锚杆轴力云图，以研究锚杆的锚固作用以及工作性能。第一级边坡轴力最大值为151KP，位于中下部第八排，第二、三级边坡的锚杆轴力值不超过100KP。轴力最大处都位于各级锚杆的顶端，且呈现从顶端向末端递减的趋势，末端均小于10KP。分析坡面水平位移，得出锚杆轴力有由上至下逐渐增大的趋势。其中位移最大处，锚杆轴力最大，轴力最大处，边坡的水平位移也最大。

3.4 安全系数分析

为验证设计的支护效果，分别计算边坡不同支护阶段的边坡安全系数，计算结果见表1。

由表1可知，边坡未支护时，安全系数仅为1.08，说明土体受到开挖的破坏，土体抗滑、抗剪能力弱，边坡很有可能失稳。完成一级支护后，安全系数提高到了1.12，虽然不会发生失稳，但是安全强度储备不够，且低于规范要求。二级支护完成后，安全系数升到1.25，同样低于规范要求。当支护全部完成后，安全系数达到1.42，此时满足《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）的有关规定（Fs≥1.35）。安全系数随着各级支护的完成不断增大，说明各级支护都发挥了相应作用。因此，此支护对膨胀土路堑边坡具有适用性和可行性。

参考文献：

[1]王玉平，曾志强，潘树林.边坡稳定性分析方法综述[J].西华大学学报（自然科学版），2012：31（2）：101-105.

[2]杨义辉，唐树名.基于传递系数法的边坡稳定性分析[J].北方交通，2013，07： 20-22.

[3]郑颖人，赵尚毅，邓楚键，等.有限元极限分析法发展及其在岩土工程中的应用.[J]中国工程科学，2006，8（12）：39-62.