高速公路岩质边坡稳定性及支护方法研究

王 彪

（中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089）

我国是一个多山的国家，大多数的高速公路都要穿越山区和丘陵地带，这些区域地质地貌条件复杂，为高速公路的建设带来了诸多的问题。边坡的稳定性对公路工程的施工以及运营影响重大。山区公路边坡中岩质边坡占大多数，公路的修建改变了岩体间原有的平衡状态，增大了发生滑坡、崩塌的概率，严重影响了行车安全[1]。顺层岩质边坡作为最为复杂的一类边坡，在在建和已经运营的高速公路中最易引发病害。每年因岩质边坡滑塌而引起事故造成的生命财产损失不计其数，因此针对岩质边坡的稳定性分析以及支护措施的研究就成了目前高速建设的重要课题[2]。

1 岩质边坡稳定性的影响因素

1.1 内在因素

内在因素主要指岩体自身的强度特性，其中包括岩体的强度、结构以及结构面的特征。与土质边坡不同的是岩层的倾角对岩质边坡的影响比较大，是控制岩质边坡稳定性最为重要的因素。边坡开挖之后会形成一个新的临空面，不稳定的岩体受到重力以及其他方面因素的作用，会导致下滑力逐渐增加。破坏首先会以顺层滑动的形式为主，如若含有软弱的夹层，滑动就会沿着软弱夹层的方向。对于岩层的岩性，硬质岩例如火成岩，节理裂隙相对不够发育，发生地质灾害的概率较低。而对于软质岩例如沉积岩和变质岩，其内部结构相比于硬质岩更为复杂，这使得发生滑坡等灾害的概率激增。边坡所在区域的岩层往往是由多种岩层共同构成的，因此在分析边坡稳定性时，还需要考虑不同岩性组合之间的影响。结构面是岩体相比较于土体特有的部分，结构面的分布规律、发育密度、表面特征以及结构面之间的组合都会对岩质边坡的稳定性造成严重的影响[3]。

1.2 外在因素

外在因素即力的作用，主要包含重力、水、爆破振动的作用。水的作用主要分为两个方面：地下水和降雨。大气降雨的积水会沿着裂隙渗入到坡体的内部，一方面水加大了坡体的下滑力，另一方面水会显著影响岩体的结构参数。水对坡体的影响主要体现在物化作用和水力效应这两个方面。在建设高速公路前，山体的岩石能够达到一种相对平衡的状态，但是公路的修建让坡体产生了临空面，打破了坡体之前的平衡，不仅会使坡面岩体应力松弛，还会加速节理裂隙的扩展，弱化岩土体力学性质。

1.3 其他因素

其他因素主要包括气候条件、自然风化作用、地震作用，等等。气候条件影响着降雨和温度，相关统计显示北方干旱地区的边坡稳定系数要高于南方多雨地区。

2 岩质边坡的稳定性分析

岩质边坡稳定性的分析整体上分为五大类：定性分析、定量分析、不确定分析、模型试验以及原位监测。具体还可以继续向下细分，如图1所示。目前在岩质边坡中最常用的是极限平衡法和数值模拟法[4]。

图1 边坡稳定性分析方法

2.1 极限平衡法

首先假设ABC是一个不稳定的下滑体，然后对该下滑体进行受力分析，最后通过建立力学平衡方程来分析其稳定性。计算简图如图2所示[5]。

图2 计算简图

对式（1）的边坡高度进行求导，可得：

可以看出Fs与坡体的高度密切相关，会根据坡高的增加而逐渐减小，换而言之边坡的高度越高，边坡的安全系数就越小，越容易失稳破坏。对式（1）的边坡坡角进行求导，可得：

可以看出边坡的坡角越大，边坡的安全系数就越小。对式（1）两边的岩层倾角分别求导，可得：

综上，可以看出最危险的滑动面主要和边坡的坡高、重度、黏聚力以及内摩擦角都有关系，其取值范围在，因此最危险的滑动面倾角均要大于。

2.2 数值模拟法

如遇到地质地貌环境较为复杂、岩层性质较为多样的情况，极限平衡法处理起来尤为麻烦，且分析的结果不够准确。此时，数值模拟法则会体现出较大的优势，该方法考虑到了边坡岩体的应力应变关系以及岩土体的各向异性，有效解决了极限平衡法所存在的缺陷，其模拟结果也比较符合工程的实际情况，计算结果也更加精细准确，能够更加合理、全面地分析坡体的整体受力状况。目前，有限元分析法、离散元法以及快速拉格朗日分析法是数值模拟在边坡稳定性分析中应用最为广泛的方法。这三种方法整体上各有优劣，有限元法考虑了岩土体材料的各向异性、不连续性、力学参数的差异性，但同时也存在复杂的边界条件问题等方面。而拉格朗日法是对有限元分析法的一种优化，其解决了有限元小变形的问题。而离散元分析法则主要用来预测边坡的变形趋势以及稳定性，能够真实地反映边坡在开挖过程中位移以及应力的变化情况。以上三种方法各有优劣，需要根据工程的实际情况来具体选择[6]。

3 岩质边坡加固方法分析及实际应用

3.1 岩质边坡的加固方法

岩质边坡加固措施的原理大致上可分为两类：一是减小下滑力；二是增大抗滑力。目前常用的岩质边坡治理手段主要包括削方卸载、坡脚反压、支挡锚固[7]。坡率法是一种相对较为经济的治理手段，但对于层面倾角较小，高度较大的边坡，采用该种方法清方和弃渣量较大，施工所要占用的面积较大，此时需要验证使用放坡治理的合理性。重力式抗滑挡墙在中小型的岩质边坡治理中应用的效果相对更好，该方法的优点是施工简单、取材方便。如采用这种方法，往往需要在坡脚处首先开挖，但顺层的岩质边坡开挖容易引发顺层的滑坡，因此为了避免边坡顺层面整体滑动，在开挖的过程中，必须采用分段开挖或者跳槽开挖的方法。锚杆加固主要是将将边坡下滑体的下滑力传递至坡体深处，从而达到提高抗滑力、增强稳定性的目的。抗滑桩的目的主要指抵抗下滑体产生的下滑力，达到增强抗滑的作用，相比较于其他的支护方式，抗滑桩作用效果更为明显[8]。

3.2 工程实例

（1）工程概况。某边坡倾向为10°、倾角为65°、斜高为62m，岩体沿与坡面倾向相同的结构面滑动，且部分岩体发生崩塌，岩体整体相对较为破碎，结构面的结合程度较差。经计算，该边坡的安全系数均小于1，已经濒临破坏的状态，且局部区域已经出现滑移崩塌迹象[9]。

（2）加固措施选择。对该边坡进行加固支护，主要遵循的原则就是弱开挖，强支护，对已经开挖的边坡放缓坡率、放宽坡型，加宽平台。此外，还需要对该边坡设置抗滑桩和锚索来进一步维护边皮的稳定。整体上来讲，就是在边坡的上部适当地进行刷方卸载并设置短锚杆，长度为9m。同时，在中部设置两道预应力锚索，长度为40m，与坡面的夹角为15°，锚固段长度为10m，张拉预应力为500kN；在下部设置抗滑桩，桩长为15m，桩径为4000mm。由于该工程地质条件与岩性复杂，因此采用数值模拟的方法，基于有限元分析法通过Midas GTS分析边坡的支护效果。

（3）结果分析。边坡支护前后的位移云图对比如图3所示。由图3可以看出，边坡在支护后位移发生了显著的改变，自然边坡的位移云图整体上呈带状分布，最大的位移值已经达到0.0492m，而经过支护位移值相比于之前减少了近一半，仅为0.0236m。

边坡支护前后的最大主应力对比图如图4所示。由图4可以看出，自然边坡的最大应力值在边坡的底部为479.57kPa，最小值位于坡顶为31.30kPa。而在支护之后应力集中的现象出现在了加支护的岩体附近，尤其是在抗滑桩桩顶的区域应力集中现象最为明显。在支护之后，桩锚附近的岩土体应力发生了显著的改变，直观地说明了支挡结构的改善效果[10-12]。

4 结束语

综上，文章首先从内在因素、外在因素和其他因素三个方面阐述了岩质边坡稳定性的影响因素；接着介绍了边坡稳定性分析的方法，并着重分析了极限平衡法和数值模拟方法；最后归纳了岩质边坡的加固措施，并结合具体的工程实例运用数值模拟的手段验证了加固效果，验证效果良好。

图3 位移云图