暴雨工况下的已加固黄土高填方路基边坡稳定性评价

王江荣，梁永平，任泰明，赵 睿

(兰州石化职业技术学院信息处理与控制工程学院,甘肃 兰州 730060)

随着我国“一带一路”战略的深入推进和西部大开发步伐的不断加快，在我国西部黄土高原丘陵沟壑地区建成(或者正在建)了许多高速公路。因复杂的地质环境和地貌特征在路基工程建设中出现了大量高填方(有的具有超大土方量)路基边坡，而高填方路基边坡易受地基固结沉降、路基自身压缩变形、填方体强度不足或填料的不均性和不良性、雨水渗入、不合理的防水或排水设施以及外荷载等因素影响出现失稳现象[1- 4]。因此，研究或评价高填方路基边坡的稳定性具有重大的实现意义，它关乎着人民生命财产安全和生态环境健康发展，现已得到工程技术人员、道路建设门部和道路安全管理部门的高度重视。为了使高填方路基边坡长期处于稳定状态，必须采取必要的加固技术(即挡土支护结构技术)控制其变形，防止其失稳滑坡。现有的加固技术主要有格构+锚杆、重力式挡墙、抗滑桩、桩板墙(锚索桩板墙)、锚定板挡墙、卸荷板挡墙、扶壁式挡墙、加筋土挡墙、悬臂式挡墙、锚杆(索)挡墙等[5]，至于采用何种加固技术应根据路基边坡安全等级要求及边坡工程实际灵活选取，且可多措并举。而对于已加固高填方路基边坡稳定性准确评价有助于在建和建后运营期公路边坡的安全维护，做到防患于未然。基于此，本文采用有限元岩土软件Midas/gts[6]对兰州南绕城高速公路邻接兰州金城公园段已加固(下部采了锚杆挡土墙防护技术、中上部采了格构+锚杆护坡技术)典型高填方路基边坡的安全稳定性进行评价，得出的结论供公路建设部门和公路安全管理部门参考和借鉴。考虑到降雨(特别是持续强降雨)是诱发边坡失稳的重要因素，因此在对所选已加固高填方路基边坡进行安全稳定性评价时重点考虑暴雨工况。

1 工程概况与地质条件

1.1 工程概况

兰州南绕城高速公路是连云港至霍尔果斯国家高速公路(G30)主干线的组成部分，位于青藏高原向黄土高原过渡的陇西黄土高原上，地形地貌总体为南北髙(黄土沟梁区)，中间低(河谷盆地区)，公路建设地区大部为海拔1500～2000m的黄土覆盖丘陵、盆地等，黄土覆盖厚度较大。沿途出现了大量高填方路基边坡，其中以邻接兰州金城公园路段(北侧面向公园)最具代表性，如图1所示。根据图1所示填方边坡的实际情况和依托的地质地形条件，选择合理的边坡绘制计算剖面图如图2所示。

图1 邻接金城公园的兰州南绕城已加固高填方路基边坡

图2 高填方路基剖面图

1.2 地层岩性及物理力学参数

①填土：填料主要为Q2黄土，厚度20～35m。

下面给出相关地层物理力学参数，见表1。

表1 岩土物理力学参数

1.3 气象水文条件

研究对象所在区(兰州西固区)属中温带大陆性气候，降雨稀少，冬无严寒、夏无酷暑，气候温和，区内海拔平均高度1520m， 年均气温11.2°C，年均降水量327mm，全年日照时数平均2446h，无霜期180d以上。另外，该地区处于陇西中部黄土丘陵中径流区，植被覆盖度大部分在15%以下，年径流深5～10m，地表水贫乏，多为间歇性河沟，只有暴雨时有水流通过，沟道流域面积较小。因连霍高速是交通运输部规划的国道主干线，包括本研究路段在内沿途均有良好的排水系统(建设时充分考虑了排水设施)，暴雨或强降雨过后不宜形成积水。

1.4 边坡支护结构设计

依据相关规范[7- 10]，结合现场实际，选择锚杆挡土墙、格构锚杆联合支护。公路路基左侧(邻接兰州金城公园)边坡分三级支护加固，自下而上第一级高为12m，边坡与水平面倾角为75°，采用锚杆挡土墙支护；第二级高度18m，坡率为1∶1.75，采用拱形格构+锚杆支护；第三级高度15m，坡率为1∶1.5，采用拱形格构+锚杆支护，第二级与第三级间平台宽2m；坡顶为公路且总宽度为24.5m。右侧为单级坡，邻接沟峪，坡率为1∶2，坡高为25m，采用拱形格构+锚杆支护。边坡支护局部立面图如图3所示。格构梁的尺寸为0.3m×0.3m，相邻格构梁的规格为2m×3m，框架梁锚杆长度为8m，挡土墙锚杆长度为24m，锚杆采用Φ25螺纹钢且全长灌浆(黏结)，锚固角为25°。框架格构及挡土墙分别采用C30和C20混凝土浇筑，并给挡土墙锚杆预应力为200KN。拱形格构的弹性模量为30000MPa，泊松比为0.2，重度为24kN/m3；挡土墙的弹性模量为22000MPa，泊松比为0.2，重度为25kN/m3。锚杆的物理参数见表2。

表2 锚杆的物理力学参数设置

图3 边坡支护局部立面图

2 边坡数值模型建立

根据选定的高填方路基工程地质剖面(图2)及相关参数、边坡支护结构设计，利用Midas/gts岩土软件建立边坡三维有限元数值模型和支护结构数值模型，如图4所示。为了提高分析结果的准确性， 模型外围尺度作了适当延伸，其大小设定为320m×135m×20m(即模型底面长为320m，宽为20m，底面到路面的垂直距离为135m，)。模型网格划分采用混合网格，以六面体为主，过渡部分为四面体(三棱锥)，边坡部分的网格尺寸为0.6m，边界上的网格为6m,共得到划分节点数25420个，单元数38288个。结构单元的格构梁采用析取方法实现，锚杆直接采用植入式桁架单元模拟划分。

图4 三维边坡数值模型及支护结构数值模型

模型的左右施加x方向约束，前后施加y方向约束，底部施加x、y、z方向约束，给路面添加20kPa的竖向荷载(以模拟车辆经过的情景)，为了增强边坡稳定性，在坡脚及邻近区添加100kPa的堆载反压。在利用Midas/gts进行数值模拟分析时岩土本构模型采用经典摩尔-库论屈服准则[11]。

3 模拟结果分析

降雨(特别是持续强降雨)是诱发边坡失稳的重要因素，限于篇幅，本文仅考虑暴雨工况下已加固高填方路基边坡的稳定性。通过数值模型计算边坡的稳定性系数、位移、应力、塑性区、格构锚杆轴力及弯矩等，并对边坡支护效果进行评价。利用岩土软件Midas/gts模拟暴雨工况时，雨水从坡顶渗入边坡土体，使土体处于完全饱和状态，对此可以通过将水位设置到地表来模拟。作为对比，对有支护的天然工况情形仅给出计算结果。

3.1 边坡稳定系数

从图5可看出，采用强度折减法[12]计算出的暴雨工况下已加固边坡稳定性系数为1.10(暴雨工况下无支护结构的边坡稳定性系数为0.8，边坡处于失稳状态)，表明边坡处于基本稳定状态，说明加固方式(如图6所示)有效(说明一点：在已实施加固措施的基础上，在坡前距离坡脚9m地面区域内施加了100kPa堆载反压，以此增大抗滑力，提高了边坡的安全稳定性)。另外，潜在滑动面区域较加固之前有所增加，后续应在坡脚位置再次加强，以达到固脚强腰的效果。而天然工况下已加固边坡的稳定性系数为1.8，说明降雨(暴雨或持续强降雨)大幅度降低了边坡的稳定性，作好防水设施或排水系统非常重要。

图5 暴雨工况下已加固边坡稳定性系数计算云图

图6 高填方路基边坡加固局部图

3.2 水平竖向位移

从暴雨工况下已加固边坡的位移云图(图7)可知，最大位移出现在第一级边坡与挡土墙顶部位置，最大总位移为0.361m；从水平位移云图(略)知最大水平位移0.013m亦出现在此处；从竖向位移云图(略)知，竖向沉降最大值出现在坡顶处，最大沉降量为0.199m；最大隆起出现在坡脚位置，最大隆起值为0.209m。因暴雨工况下无支护边坡处于失稳状态，用midas/gts做静力计算时呈现不收敛现象，可推断出最大总位移、最大水平位移及最大沉量等远大于有支护的情形。综合表明暴雨工况下支护结构发挥了重要作用，提高了边坡的稳定性。

图7 暴雨工况下已加固边坡的总位移图云图

3.3 应力与塑性区

从应力云图(仅给出最大主应力云图，见图8)与塑性区云图(图略)可知，边坡在暴雨加固工况下应力最大值出现在边坡挡土墙区域内，且最大主应力值为3.65MPa。塑性区域与加固之前的塑性区域范围相近，但加固后的边坡拉伸破坏区域大大减小，不存在卸载再加载区域。而在非加固条件下，当暴雨进程到65%时最大主应力值为3.59MPa，超过了混凝土C20的抗拉强度，边坡已破坏；同时出现了卸载再加载的区域，拉伸破坏明显。对比分析表明支护结构的维稳效果明显。

图8 最大主应力云图

3.4 锚杆轴力及弯矩分析

暴雨加固工况下，格构梁的最大轴力较天然加固工况(最大轴力为1363kN)有了较大提升(最大轴力为2038kN)，且最大值位置出现在二级边坡坡顶处(如图9所示)。从剪应力云图(如图9所示)可看出，最大剪应力出现在二级边坡顶端，且最大值为486kN。拱形格构梁位置的轴力、弯矩及剪力均较小。从弯矩云图(略)可以出，最大弯矩亦出现在二级边坡顶部的框架梁上，且最大值为200kN·m。另外，从锚杆轴力分布图(略)可看出自下而上锚杆轴力逐渐减小，挡土墙内锚杆的最大轴力为378kN，一级边坡锚杆最大轴力为165kN，二级边坡锚杆最大轴力为30kN。数据表明支护内力均在安全范围内，支护结构安全可靠。

图9 格构梁的轴力分布图

图10 格构梁的剪应力云图

4 结论及建议

以兰州南绕城高速公路邻接兰州金城公园的已加固高填方路基高边坡为研究对象，并采用有限元岩土软件Midas/gts对典型已加固高填方路基边坡建模分析。因暴雨或持续强降雨是诱发边坡失稳的主要因素，故在暴雨加固工况的基础上对所建三维模型从稳定性系数、水平竖向位移、应力、塑性区、格构锚杆轴力及弯矩等方面进行了模拟分析，得出以下结论：

(1)天然未加固工况下的稳定性系数为1.43，天然加固工况下的稳定性系数为1.8；暴雨未加固工况下的稳定系数降至0.8。根据潜在滑动面的位置确定加固方案，即在放坡的两级边坡上采用格构梁+锚杆的方式，在挡土墙布设锚杆加固，在坡前坡脚邻近位置采用堆载反压等方式对边坡进行加固，暴雨加固后边坡稳定性系数达到1.10，边坡处于基本稳定状态，后续需要在潜在滑动面或者剪出面增加抗滑桩或注浆加固等形式增强其抗滑力，增大边坡稳定性系数。

(2)从暴雨加固工况下的支护结构轴力和弯矩来看，支护结构内力符合规范，即在安全范围内。因最大剪出面位于挡土墙以及挡土墙前地面位置，所以为了边坡的长期安全稳定可适度增加挡土墙内的锚杆密度，同时对挡土墙前地面位置(地基)进行适当加固。而一级坡和二级坡上的格构梁间距可适度增大，以此节约成本。

(3)尽管所建模型与实际高填方加固边坡有偏差，但通过模型分析所得出的结论还是比较符合实际。兰州南绕城高速公路于2018年年底建成通车，安全运营近两年(曾出现过2～3次的强降雨)，沿途高填方路基边坡是安全稳定的，但为了边坡的长期稳定，需要作好后续防护加固工作。