山区公路路基边坡危险性及防治措施研究

文/冯志刚

1 前言

公路路基边坡是山区公路工程需要特别考虑的内容，也是直接决定项目安全性的重要因素，因此就需要制定合理的防治措施。同时施行防治措施后，也应对边坡的可靠性进行分析，目前常用的方法有有限元软件法以及传统分析法，其各自有着不同的优势与局限，因此两者的比对就显得尤为重要。

2 山区公路路基边坡危险性常见防治措施

在确定公路路基边坡防治措施时，应当基于工程实际情况而展开，同时满足防治的基本原则。对于同一边坡应当制定多个不同的防治方案，并对不同方案的经济性、可行性做出论证，比对得到最优的方案。在实际的山区公路路基边坡防治工作中，一般采取深层处理与浅层处理相结合的方式完成施工。

2.1 挡土墙

实践表明，挡土墙能够很好地约束土体的横向侧移，起到控制边坡稳定性的作用。具体来看，挡土墙根据结构形式可分为若干个不同的类型，其中比较常见的有重力式挡土墙、锚杆挡土墙以及桩板式挡土墙等。对于具体的工程，挡土墙的类型、位置、尺寸都应当密切联系工程实际情况来确定，对不同的方案进行横向对比，分析其经济性、可行性，选择其中最佳的方案。重力式挡土墙以及衡重式挡土墙具有结构简单、便于应用的优势，其中前者主要通过自身重量来平衡土体的侧向压力，而后者则利用了墙体后的填土重量来提升稳定性。半重式挡土墙一般采用混凝土浇筑，并在墙体背后埋设适量钢筋，这一类挡土墙有着更轻的重量，能够在地基承载力较低的地区发挥良好作用。

在挡土墙的构造要求上，其背面坡角一般可取15o，且上下墙体的高度之比最好为2/3。墙顶最小宽度应当大于0.6m，在部分地形变化较大、环境条件复杂的地区，墙顶还需要加设护栏进行保护。挡土墙施工一般是在天然地基上进行的，因此这就对地基承载力提出了一定的要求，对于部分承载力不足的工程可以采取扩大基础的设计。此外，对于地形起伏大的工程，可以采取台阶基础设计；而在涉及软土地基时，则可采取拱形基础。值得注意的是，在台阶基础设计中一般应当将宽高比控制在1/2，同时由于受到偏心作用的影响，地层台阶的宽度需要大于1.5m，而其他台阶高度也应大于1.0m[1]。

2.2 抗滑桩

抗滑桩在我国有着悠久的应用历史，并在我国路基边坡的防治工作中得到了广泛的应用，且随着我国工程建设需求的不断提高，逐渐衍生出了П 形钢架抗滑桩、排架抗滑桩以底部锚杆抗滑桩等。在抗滑桩实际工作中，结构主要抵抗水平作用，其设计一般在弹性地基梁之上进行。抗滑桩的设置主要为直线或者曲线，不同桩之间的间距需要根据土压力、桩长等参数来确定，一般在6～10m 的范围内。在地形地势复杂、土压力较大的工程中，可按照梅花桩的分布进行双排布置。此外，桩的长度应当伸入到稳定岩层之下，且最大单桩压力需要低于地基承载力。抗滑桩的施工一般采取人工开挖的方式完成，且为便于施工作业，桩的横向最小尺寸一般需要大于1.2m。

一般而言，作用在抗滑桩上的推力大致呈现出梯形与三角形的组合形状，且在滑动体具有足够刚度时推力分布趋向于矩形，相反若滑动体的刚度较小则趋向于三角形。抗滑桩上的抗力分布大致呈现为抛物线形，且抗力的峰值一般位于滑动体的上半部分，也可粗略看成梯形与三角形的组合。同时，根据推力的分布情况可以发现，抗滑桩的弯矩、剪力峰值出现在滑动面的根部位置，若以该位置作为配筋参考，则设计相对比较保守[2]。

若采用双排设计，则前排抗滑桩的推力大致为梯形分布，而后排抗滑桩的推力大致呈现为矩形分布。不同抗滑桩之间的间距不尽相同，因此在水平作用下前后排桩所承受的荷载往往也存在较大差异，一般而言前排桩主要分担约30%～40%的荷载，而后排桩则承担了约60%～70%的荷载。在桩截面形式的选择上一般优先采用矩形，且井口位置需要设置锁扣，如有必要还应当设置护壁。而对于配筋而言，纵向主筋直径应当大于16mm，抗剪箍筋的直径应当大于14mm。

3 工程案例分析

本文以我国某山区公路工程为例展开分析，该项目针对不同路段的地质条件采取了不同的边坡支护方案，下面分别采用MIDASGTS 软件以及传统分析方法对边坡安全性进行评价，并对这两类技术进行比对。

3.1 边坡工程概况

该工程项目位于山区，地质条件属于构造剥蚀浅切割丘陵地貌，项目沿线最高边坡为20m 的岩土质边坡，且其风化严重，具有突出的安全风险。

3.2 工程地质状况

项目勘察位置在背斜西侧，岩层具有单斜产出的特征，借助勘察人员的检测与分析，未在勘查区内发现断层或活动断裂带，其地质结构相对简单。对勘察区的岩体进行调查发现，其产状主要为310o∠32o，岩层面闭合且平直，层间未发现胶结与填充，判定为硬性结构面。对勘察区北侧出露基岩进行观察发现两组裂隙，其中一组裂隙的产状为280o∠82o，裂隙界面闭合且平直，层间未发现胶结与填充，裂隙延伸长度为1～3m，裂隙之间的距离为0.6～1.5m；第二组裂隙的界面闭合且平直，层间未发现胶结与填充，裂隙延伸1～2m，裂隙之间的距离为1～1.5m。根据当地记录的地质资料可知，建设沿线未有断层，整体地质状况比较简单。

勘察区北侧以及东南侧的土层较为松散，且该处处于低洼地带，地表水系有向该处汇聚的趋势，因此在降水量大的季节岩体可能储存较多的孔隙水，需要对降水工作予以足够重视。同时，根据勘察结果可以发现，勘察区及附近区域发生崩塌、滑坡等灾害的风险较低。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011─2010）确定该项目的设计地震分组为第一组，抗震设防烈度取为VI 度，设计基本地震加速度值为0.05g。

3.3 路基边坡治理措施

基于地勘报告，本项目对不同位置的边坡选取了不同支护方法，具体如下：

边坡高度10.5m，边坡类型为混合边坡，其破坏模式为土体内部出现圆弧形的滑移，并伴随岩体分化剥落、坍塌掉块，支护方案采用放坡+锚杆支护；边坡高度8m，边坡类型为土质边坡，其破坏模式为土体内部产生圆弧形滑移，支护方案采用重力式挡土墙；边坡高度6m，边坡类型为岩土混合，其破坏模式为土体内部出现圆弧形的滑移，并伴随岩体分化剥落、坍塌掉块，支护方案采用重力式挡土墙；边坡高度6m 不等，边坡类型为岩土混合，其破坏模式为土体内部出现圆弧形的滑移，并伴随岩体分化剥落、坍塌掉块，支护方案采用自然放坡。

3.4 MIDASGTS 对重力式挡土墙的分析

借助有限元分析软件MIDASGTS 对边坡2 段的挡土墙进行分析。通过计算机计算可以得出边坡右侧位置的地基反力水平比较高，而其在X 方向上，力的水平较低。对重力式挡土墙的平面应力、应力图进行分析可以发现，X 方向上挡土墙平台及底部应变程度最大，同时墙根处的应力也最高。在X 方向上坡顶位置的土体最松散，但在竖直方向上坡顶、坡角以及平台位置的应力处于较低的水平。

根据MIDASGTS 软件分析的结果来看，重力式挡土墙对于土体的约束作用比较显著，能够大大减小土体的滑移，仅在坡顶位置存在下滑的趋势。同时也可发现挡土墙的薄弱位置主要在挡土墙的墙根以及平台处，这也是挡土墙主要的受力部位。而对边坡工程而言，其最不利位置广泛分布于挡土墙的各个部位，特别是墙体后的土体滑动面十分薄弱，滑动面整体呈现为圆弧形[3]。

对分析数据进行整理可以得出抗力与滑动力之比约为1.72，因此边坡处于稳定状态下。

3.5 两种分析方法的对比

传统分析主要是基于库伦土压力计算式来完成压力计算，并借助极限平衡法来判定边坡稳定与否，最终得出传统分析法下边坡2 的安全系数为1.61，这与MIDASGTS 计算得到的1.72 相近，因此可以认为两者分析结论都为可靠。将MIDASGTS 软件计算与传统分析法进行对比，可以得出以下几点：

传统分析所用的极限平衡法包含了复杂参数，因此在确定边坡滑动面时需要严格依据规范要求进行假设、推定。若过程中有多个组合面，那么还应当对其逐一计算、反复比对，得出最不利的结果。而在有限元分析下，则省去了确定边坡滑动面的工作，滑裂面一般出现在抗剪能力不足的位置，因此根据应力分布图能够快速确定破坏面。

有限元软件分析充分考虑了岩土的变形协调问题，并对材料本构关系中非线性的部分进行考虑，此外还规避了假设未知参数的问题，这就使得分析结果更加可靠、精准。这主要是因为传统分析法是以弹性假定为基础而建立的，将岩土看作了完全线形的材料，因此传统分析法的结果相对更加保守。

借助有限元分析能够得到边坡破坏的全过程，并且比较精准地描述其塑性变化，进而得到边坡的破坏铰分布情况，进一步研究边坡的破坏机理，这也是传统分析法难以实现的作用。

4 结语

山区公路路基对于工程整体安全性有着突出的影响，并根据工程实际情况选择合适的防治方法，其中挡土墙和抗滑桩是我国实际工程中最为常见的两类技术。传统分析法与有限元软件法在边坡稳定分析中都具有很好的应用效果，同时有限元软件还有许多独特的优势，表现出了突出的应用价值。