某高速公路下边坡稳定性分析及支护方案研究

陈 东12

(1.四川大学,四川 成都 610065; 2.云南交通职业技术学院 云南 昆明 650101)

0 引言

在我国经济腾飞的大环境下，高速公路的发展较为迅速，在高速公路设计施工时难免遇到复杂的地形和地质条件[1-3]，造成部分位置的边坡高陡、稳定性较差[4-7]。近些年，公路高边坡垮塌的事故屡见不鲜，严重影响行车安全，甚至造成人员伤亡[8-10]，因此对高陡边坡进行稳定性分析及选用相应的支护方案加固边坡具有重要意义。某高速公路下边坡高度较高且地质条件较为复杂，本文利用瑞典条分法和有限元仿真计算两种方式对其稳定性进行分析，并基于计算结果提出相应的支护方案，最后通过计算验证了支护方案的有效性。

1 工程概述

某高速公路K87+200～K87+320段路基下边坡坡度高度约为46～52 m，边坡坡度约42°～54°，边坡表层土体主要以粉质粘土为主，个别区域存在裸露的风化岩。边坡顶部为设计时速为80 km/h，双向八车道的高速公路。由于该边坡所在区域降水量较大，再加上边坡坡度较陡、地质条件相对复杂，边坡受车辆荷载扰动等多方面因素，极易发生边坡滑塌，因此需要对该道路下边坡进行边坡稳定性分析，并根据分析结果结合项目特点提出合理的边坡治理措施。经过现场勘察可知，本边坡从上至下可以分为粉质粘土、全风化凝灰熔岩、强风化凝灰熔岩和中风化凝灰熔岩4个地层，各地层的力学参数如表1所示。

表1 各地层的力学参数Table 1 Mechanical parameters of each layer土类名称与锚固体阻力/kPa内摩擦角/(°)内聚力/kPa重度/(kN·m-3)中风化凝灰熔岩9829.432.3421.07强风化凝灰熔岩88.227.4429.420.09全风化凝灰熔岩68.625.4828.9118.62粉质粘土4924.527.4417.64

2 基于瑞典条分法的边坡稳定性分析

本文选取的稳定分析对象为下边坡最高处，此处桩号为K87+260，边坡坡高约为52 m，由于此处边坡为粉质粘土、中风化和强风化凝灰岩。根据规范规定，本边坡安全系数需大于1.35。

本文基于瑞典条分法对边坡稳定进行分析，该方法在研究近似圆弧滑动面边坡稳定领域应用较广、精度较高[11-14]。本文基于理正软件对K87+260处下边坡的极限力学平衡状态分析计算，具体见表2、表3。

根据理正软件可知，最不利滑动面的半径为86.788 m，滑动面的圆心为(-8.012，86.760)，安全系数为1.241，小于1.35。说明该边坡的安全性较差，在降雨、人为扰动等情况下，易发生边坡滑塌事故。

表2 坡面线段数Table 2 Number of slope line segments坡面线号水平投影/m竖直投影/m超载数140.1827.44024.900031.471.960411.769.80050.001.96067.8400

表3 计算条件Table 3 Calculation conditions圆弧稳定分析方法稳定计算目标滑动方向与土条重切向分力反向时条分法土条宽度/m搜索时圆心步长/m搜索时半径步长/m瑞典条分法自动搜索最危险滑裂面当抗滑力对待110.5

3 基于Midas-GTS的边坡稳定性分析

3.1 有限元模型的建立

Midas-GTS软件凭借功能丰富、操作简单等优点在岩土领域内应用广泛，本文选用该软件建立二维有限元模型。本次仿真计算选用摩尔-库伦弹塑性材料模型[15-16]，共有2 436个单元和1 042个节点，具体如图1所示。边坡从上到下分别为粉质粘土、强风化凝灰熔岩和中风化凝灰熔岩，其弹性模量分别为110 060、447 000、578 000 kPa。

图1 有限元模型Figure 1 Finite element model

3.2 有限元计算结果分析

根据有限元计算结果可得应力云图如图2所示。根据图2(a)可知，在X方向上，边坡坡体内部以压力为主。其中坡脚处的压力值最大，随着高度的升高，压力值越来越小，坡顶处的压力值最小，坡顶处的部分区域出现了拉应力，最大拉应力值为57.2 kPa。拉应力值的出现主要原因为受边坡变形滑动的影响出现了张拉应力。根据图2(b)可知，在Y方向上的压应力分布规律与X方向上基本相同，即整体上边坡内的应力以压力为主，坡脚处压应力最大，沿着坡脚坡顶方向不断减小，坡顶的部分区域出现了拉应力。

根据有限元计算结果可得位移等值线云图如图3所示。根据图3(a)可知，在X方向上，边坡坡面上存在一个通过坡脚的圆弧滑动面，最大横向位移出现在距离坡脚10 m的位置，最大位移值为19.26 cm。根据图3(b)可知，在Y方向上，边坡整体上均存在向下移动的位移和趋势，其中竖向位移的最大值出现在坡顶处，为15.62 cm。坡脚处由于挤压作用产生了隆起，隆起位移值约为5.021 cm。根据图3(c)可知，在XY方向上，整个边坡存在向下的位移，其中位移较大的位置为圆弧型，最大位移为19.86 cm。因此整个公路下边坡存在向外滑移的趋势，其中坡脚附近的位移值最大，最容易产生滑移。

(a) X方向

(b) Y方向

(a) X方向

(b) Y方向

(c) XY方向

根据有限元计算结果可得最大应变等值云图如图4所示。由图可知，边坡的最大应变云图与应力云图较为相似，其中滑动面为通过坡脚的圆弧型。因此可知基于有限元分析法得出的滑动面形状与瑞典条分法得出的结论基本相同。

图4 最大应变等值云图Figure 4 Maximum strain equivalent cloud map

根据有限元计算结果可知，本边坡的稳定安全系数为1.309，小于规范规定的1.35。因此边坡处于不稳定的状态，易发生边坡滑移的事故。

4 边坡治理方案

基于瑞典条分法和有限元计算结果，结合本项目的工程特征，提出了如下边坡治理方案：清理边坡后进行挂钢筋网锚喷支护，并增设截水沟、排水沟等排水设施，最后进行边坡绿化工作。具体为：

a.对边坡坡面进行清理修整，清理边坡坡面的杂草、石块等。

b.边坡开挖清理后，先素喷混凝土厚15 cm对坡面进行防护，再按设计放样挂网锚杆位置,采用压力注浆锚杆钻孔并灌注M30水泥砂浆；锚杆岩面外露10 cm，挂Φ6.5@20 cm×20 cm钢筋网。锚杆为Φ32压力注浆锚杆，锚杆长度为12 m，锚杆间距为1.5 m×1.5 m，呈梅花形布置。在坡面上设置坡面泄水孔，钻孔直径75 mm，孔深2 m，间距3 m，梅花形布置；孔口采用50 mm直径PVC塑料排水管，孔口管长30 cm。在挂网锚喷支护坡面每10 m应设置伸缩缝,缝宽2 cm,并用沥青麻絮填塞。

c.设置排水系统，在边坡坡顶处设置梯形截水沟，尺寸为底宽:0.8 m×顶宽:1.2 m×高:0.8 m；在坡脚处设置矩形排水沟，尺寸为：高0.5 m×宽0.5 m；在坡面上设置跌水井，尺寸为：高0.6 m×宽0.6 m；在马道处设置矩形马道排水沟，尺寸为：高0.4 m×宽0.4 m。上述排水设施的材料均为C15混凝土。

d.植被绿化：根据当地土壤特性，本工程选用当地藤本植物进行边坡绿化。

基于理正软件对支护后的边坡进行稳定性分析，计算结果如下：总抗滑力：11 196 kN、总下滑力：8 239 kN。最不利滑动面半径71.098 m、滑动圆心：(4.639，71.035)。安全系数：1.359>1.35，满足规范要求。

5 结论

本文依托某高速公路下边坡工程实例，分别利用基于理正软件的瑞典条分法和Midas-GTS的有限元发对该边坡的稳定性进行了分析，计算结果表明两者的滑动面基本一致。瑞典条分法的安全系数为1.241，而有限元法得到的安全系数为1.309，说明瑞典条分发的计算结果相对保守。上述两种方法计算得到的安全系数均小于规范规定的1.35，因此该边坡处于欠稳状态，在降雨、车辆荷载等因素的扰动下易发生边坡滑塌事故。根据本边坡特性，本文提出如下治理方案：清理边坡后进行挂钢筋网锚喷支护，并增设截水沟、排水沟等排水设施，最后进行边坡绿化工作。最后基于理正软件对支护后的边坡进行稳定性分析，支护后的边坡的安全系数为1.359，符合规范要求，说明边坡处于稳定状态。