山区路堑边坡稳定性分析与加固方案

■张步龙

（福建省交通规划设计院，福州 350004）

0 引言

近年来随着我省高速公路的不断建设，发达地区以及平原地形较为平坦地区的高速公路已基本建成，高速公路建设逐渐向地形地质条件复杂的山区延伸[1]，超过30m的挖方路堑边坡逐渐普遍，山区公路边坡稳定性和安全问题日益凸显[2]。本文以福建省闽北某高速公路K288+689～K289+066路堑高边坡为例，根据外业调查及勘察资料，对该路堑边坡进行了极限平衡法、二维有限元变形特征分析，总结出边坡潜在滑动面特征及变形特征，并提出相应的综合处治措施。

1 工程概况

拟建高边坡位于闽北某山坡，属剥蚀丘陵地貌，设计为双向4车道，路宽约26m，路面设计标高约516m，左、右侧边坡最大高度约为15～70m。地形起伏，山坡坡面走向与路轴线方向夹角约80°，山坡自然坡度约10～25°，相对高差约20～30m，山坡坡面植被发育。典型地质横断面如下图1。

2 地质条件

拟建区域位于闽西北隆起带与闽西南坳陷带的过渡带上，南平-宁化大断裂带的北部,经地质测绘并结合区域地质，未见断裂带发育，亦没有活动性断裂构造通过。场区地下水类型为基岩裂隙水，受地形及岩性影响，仅为浅层风化裂隙水，水量较小，主要接受大气降水及地下水侧向补给，水量受降雨影响较大。

图1 段落典型地质横断面

据福建地震地质勘察院出版的 《湄重高速公路三明境明溪城关至枫溪段线路工程地震安全性评价报告》，工程场地设计基本地震加速度值为0.05g，场区地震基本烈度为6度，场地加速度反应谱特征周期全线为0.35s。

2.1 岩土层特征

根据钻孔和现场工程地质测绘揭露，本场区地层主要为第四系坡积土（Qdl）；下伏晚震旦系（上统）盖洋群（Z2s+lt）变质砂岩及其风化层。本深挖区主要岩土层特征现分述如下。

2.2 节理裂隙

拟建边坡地形起伏，基岩埋藏深，通过对K288+821、K288+887、K289+012处控制性横断面勘察可知，线路右侧会形成高约50m的边坡，坡体上第四系坡积土（Qdl）；下伏晚震旦系（上统）盖洋群（Z2s+lt）变质砂岩及其风化层，其岩层片理产状①为 31°∠50°，3～5 条/m，节理裂隙②为 295°∠65°，3～5 条/m， ③为 220°∠30°，1～3 条/m，其右侧边坡赤平投影如图所示。从图2结合赤平投影法综合分析可知，岩层片理①及节理裂隙②、③走向与边坡走向呈较大角度相交，对天然斜坡稳定性影响较小，但拟开挖边坡结构面结合差，坡体上部发育厚层全-碎块状强风化变质砂岩，结构较松散，且受推覆构造影响，坡体岩石破碎，主要成碎块状，在不利工况下（爆破、暴雨等）或边坡开挖后若不及时加固支护，易产生掉块、小规模溜滑等现象，对边坡稳定较不利。

图2 赤平投影

表1 主要岩土层特征表

3 边坡稳定性分析与评价

3.1 极限平衡分析及参数

本文借助GEO-Slope软件，对其进行极限平衡法和有限元计算[3]。根据挖方路堑横断面特点，选取典型K288+887横断面建立计算模型。K288+887横断面布置为：路堑中心挖深8.4m，路面宽26m。通过综合考虑地形地貌、水文、地层岩性及其结构面等情况，右侧边坡采用6级刷方， 边坡坡率分别为 1∶0.5、1∶0.75、1∶0.75、1∶1.0、1∶1.25、1∶1.25，单级坡高8m，每级间设置2m平台，形成路堑边坡高约48m。

根据勘察报告及相关规范，并结合工程经验综合确定各层岩土体计算参数如表2。

表2 岩土体计算参数表

由计算结果可知，刷方后路堑边坡最危险滑动面前缘位于坡脚岩层分界面，滑动面后缘位于挖方坡顶往斜坡上部约10m，滑动面下半部分沿碎块状强分化岩层与中风化岩层交界面展开。边坡安全系数为1.154，该边坡不满足《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）对高速公路路堑边坡稳定安全系数不小于1.20的规定[4]，故需对该边坡采取相应的加固措施。

图3 加固前计算结果

3.2 二维有限元分析

本文同时对典型K288+887横断面进行二维有限元计算，通过分析变形特征，并结合极限平衡法计算结果，分析边坡稳定性影响因素及变形特点，进而指导该路堑边坡加固处理措施的设计。

二维有限元模型边界条件及网格划分如图4所示。模型左右两侧施加水平向约束，限制水平位移；模型底部施加铰支约束，限制水平及竖向位移；边坡坡面及路面为自由面。本模型土体单元类型采用四节点平面实体单元，根据极限平衡法计算结果及工程经验，对砂土状强风化变质砂岩层及碎块强风化变质砂岩层进行网格加密处理，网格划分后共得到956个单元，961个节点。

图4 二维有限元数值模型图

计算结果详见图5所示，由图5模型最大剪应变云图可以看出，最大剪应变集中出现于碎块状强风化岩层与中风化岩层分界面以上强风化岩层内部，说明该区域存在较大的潜在破坏；同时，边坡开挖面坡脚处岩层交界附近的剪应变也较其他坡面处大，且与岩层内部最大剪应变集中区域连贯。因此，可以认为该路堑边坡的潜在滑动面前缘位于坡脚第一、二级岩层交界处附近，然后沿强风化岩层与中风化岩层交界面滑动，这与极限分析平衡法的计算结果基本一致。

图5 模型最大剪应变云图

4 加固措施分析与计算

根据本文第3.1、3.2小节所得的结论，结合使公路与沿线自然及社会环境协调相融，最终实现“安全、环保、舒适、和谐”的设计目标。加固方案以预应力锚索（杆）加固为主，重点对坡脚潜在剪出口以及岩层交界面处的潜在滑动面进行加固，绿色植草坡面防护为辅。各级边坡加固防护措施如表3，加固措施断面设计详见图6。

表3 各级边坡加固防护措施一览表

图7为施加加固措施后边坡极限平衡法计算结果，图8为加固后非正常工况Ⅰ下计算结果，如图中所示，加固后路堑边坡安全系数为1.264，满足《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）对高速公路路堑边坡在正常工况下安全系数不小于1.20的要求；同时加固后非正常工况Ⅰ下路堑边坡安全系数为1.168，满足规范对高速公路路堑边坡在非正常工况Ⅰ下安全系数不小于1.10的要求。

图6 加固断面设计图

图7 加固后计算结果

5 结论

拟建高边坡（K288+689～K289+066）存在路堑挖方边坡高度大，坡体上部发育厚层强风化变质砂岩，结构较松散，且坡体岩石破碎，边坡开挖后若不及时加固支护，易产生掉块等现象。本文根据外业调查及勘察资料，对该路堑边坡进行了极限平衡法、二维有限元变形特征分析，并提出了相应的治理措施，现形成以下结论：

在刷方后未采取加固措施的工况下，极限平衡法与二维有限元变形分析计算结果基本一致：即该路堑边坡的潜在滑动面前缘位于坡脚岩层交界处附近，沿强风化岩层与中风化岩层交界面展开，滑动面后缘位于挖方坡顶往斜坡上部约10m。

依据上述特点，综合考虑地形地貌、水文、地层岩性及其结构面等情况，本文针对坡脚潜在剪出口采用系统锚杆及预应力锚杆框架进行加固，针对坡体内岩层交界面处的潜在滑动面采用预应力锚索框架进行加固。加固方案以预应力锚索（杆）加固为主，绿色植草坡面防护为辅。

图8 加固后非正常工况Ⅰ下计算结果

通过计算分析路堑边坡稳定性及变形特征，可以针对性地对路堑边坡进行加固防护，能够有效地提高边坡安全系数，确保路堑边坡坡体稳定和交通运输安全。

[1]潘建标.高填陡坡路堤稳定性分析及处治方案[J].福建交通科技,2017(5)：1-5.

[2]赵占群,杨强国,谷明成,等.四川得荣峡谷公路边坡稳定性评价与防治措施建议[J].中国地质灾害与防治学报,2016,27(2)：55-60.

[3]张良建,卢丙清,徐佩华,等.基于GEO-Slope方法的危岩体边坡稳定性研究[J].地下空间与工程学报,2010,06(a02)：1587-1590.

[4]中华人民共和国交通部.JTG D30-2015,公路路基设计规范[S].北京：人民交通出版社,2015.