某高速公路深挖路堑稳定性分析及处理对策研究

何 颖 何安生 廖 鑫

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

某高速公路一段深挖路堑所在地貌单元为剥蚀丘陵区。丘陵山顶高程约87.50 m，自然坡度15°～35°，坡脚沟谷高程约23.00 m。山坡表层多为第四系残坡积层覆盖，厚度较浅薄，下卧寒武系粉砂岩，多呈全强风化。初步分析，受人工开挖、坡体各岩土层遇水后力学强度降低以及软弱夹层、节理裂隙发育等诸多因素影响，可能存在开挖高边坡的稳定性问题。本文依据相关原则，通过对典型断面进行数值模拟分析，并针对性地提出设计方案，以期为同类项目的边坡设计提供参考。

1 工程概况

本段边坡路段路基中心高程27.02～29.06 m，坡顶高程37.07～84.85 m，开挖边坡高度8.0～56.4 m，中心开挖高度2.09～14.46 m。边坡范围主要分布粉砂岩 （∈bc） 风化层，岩层产状N48°E，NW∠51°。主要节理3组，产状分别为①N10°E，NW∠78°；②N48°E，NW∠59°；③N75°E，NW∠20°。该段深挖边坡左侧开挖，为斜交顺向坡，自然边坡整体稳定。边坡表层零星分布残坡积黏土，厚度0.5～1 m。下卧全风化粉砂岩风化剧烈，结构基本被破坏，岩质较软，遇水易崩解，岩芯呈土夹岩状，层厚7～11 m，为Ⅲ级硬土。边坡下部强风化粉砂岩层状构造，遇水易软化，岩质较软，手掰易断，岩芯多呈块状，强风化厚度大于20 m，土石工程分级为Ⅳ级软石。本坡段岩层呈中倾角产出，边坡为斜交顺向坡。工程地质平面示意图见图1。

图1 工程地质平面示意图

2 边坡计算及加固原则

路堑边坡稳定安全系数根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）、《公路滑坡防治设计规范》 （JTGT 3334—2018） 相关规定执行，路堑边坡计算工况及设计安全系数见表1。

表1 计算工况及设计安全系数

针对本段边坡的处理原则如下：

（1） 路堑边坡加固工程设计原则遵循“以防为主、防治结合、一次根治、不留后患”的原则，以稳定为本，加固为主，排水、防护并重，并尽量考虑绿化环保、恢复自然景观等多种因素综合处理，确保施工中的临时稳定和通车后的长期稳定[1]。

（2） 对于稳定性差的高边坡利用受力极限平衡法进行定量分析，计算需要的锚固力和支挡力。深挖路堑防护方案遵循“先表面后深部，先简单后复杂”“固脚强腰”等原则，主要采用放缓边坡与支挡、锚固结合，在保证路基边坡稳定的前提下，从土石平衡角度出发，采取比较缓的边坡坡率，并适当采取锚杆 （索） 框架植草等有利于边坡稳定及沿线环境景观的防护形式。

3 分析模型及分析方法

通过对该段边坡进行地质调绘、钻探取样、试验分析，地勘单位提供了本段的典型地质断面及各层岩土物理力学参数（见表2）。依据以上基础资料，并采用Geoslope软件建模进行试算。

表2 各岩（土）层物理力学参数取值表

（1） 计算荷载。

①边坡体自重；②地下水荷载，静水压力按全水头考虑，其中上部全风化岩层按6 m入渗深度考虑；强风化岩层按5 m入渗深度考虑；③地震荷载，本区域地震基本烈度为Ⅵ度，按照0.05 g考虑。

（2） 计算工况。

①天然工况，即岩、土均按照天然参数取值；②暴雨工况，全风化岩层按6 m入渗深度，强风化岩层按5 m入渗深度，对该部分岩、土按照饱和参数取值；③地震荷载，按照0.05 g考虑。

（3） 稳定性计算方法。

针对本段地质条件，采用简化Bishop法进行计算。

未加固前路堑边坡开挖考虑采用1∶1.0～1∶1.5的坡率刷方，每级坡高8 m，共7级，最大边坡高度58.1 m。第1～3级坡面坡率1∶1，坡高均为8 m；第4、5级坡面坡率1.00∶1.25，坡高均为8 m；第5、7级坡面坡率1.0∶1.5，坡高均为8 m。一般平台宽度2 m，第3级、第5级平台加宽至4 m。计算分析结果见表3。

表3 加固前的边坡稳定性计算结果

边坡稳定性分析计算表明，该段开挖边坡整体稳定性较差，各工况下，边坡整体稳定系数均不满足规范要求的设计安全系数。此外，该段边坡为顺向坡，开挖后边坡局部受岩层层面、软弱夹层及节理裂隙组合切割，遇长时期、高强度暴雨，可能形成沿软弱夹层面的局部浅表顺层滑移及强风化层的崩解滚石。有较大的安全隐患，故须对该段边坡进行必要的加固。

4 边坡加固及计算分析

边坡加固首先考虑对边坡减载，即放缓边坡或将中部平台加宽，以上方案均可有效地减少坡脚应力集中，提高边坡稳定性，但由于本段用地受限，故只能在现有的边坡坡率下进行加固处理。通过对本段边坡反复试算，最终确定了网格梁锚索的加固方案，具体方案为：边坡坡率、平台宽度维持原方案，第1～3级坡面采用600 kN锚索框架植草防护；第4、5级坡面采用人字形骨架植草防护；锚索长度自第1～3级边坡分别为32 m、34 m、36 m，确保最不利滑动面以下的锚固深度；第4、5级坡面采用人字形骨架植草防护；第5、7级坡面采用人字形骨架植草防护，框（骨）架内均考虑植草绿化，确保坡面能及时封闭，且生态环保。在各级平台上设置平台截水沟，在小桩号端经引沟或通过坡面急流槽汇水引入边沟内。具体示意图如图2和图3所示。

图2 深挖路堑典型设计断面

图3 深挖路堑典型设计立面

经计算分析表明，加固后的边坡稳定性结果均满足规范要求，具体见表4。

表4 加固后的边坡稳定性计算结果

5 结语

本文基于geoslope软件建立某高速公路深挖路基的有限元模型，计算分析了各计算工况加固前、后的边坡稳定安全系数，针对性地提出了网格梁锚索的设计方案，有效地解决了边坡的安全隐患并保证了后续的施工、运营的安全，希望能为同类工程的设计提供参考。