多震地区公路边坡支护方案及稳定性研究

马锋,黄鹤,马璐珂,叶超,左生荣,祝向群

多震地区公路边坡支护方案及稳定性研究

马锋1,黄鹤2,马璐珂3,叶超1,左生荣4,祝向群5

1. 武汉科技大学城市学院, 湖北 武汉 430083 2. 中交第二公路勘察设计研究院有限公司, 湖北 武汉 430052 3. 中国市政工程中南设计研究总院有限公司, 湖北 武汉 430010 4. 湖北省路桥集团有限公司, 湖北 武汉 430056 5. 安庆职业技术学院, 安徽 安庆 246003

为了研究多震山区的公路边坡工程稳定性问题，以云南省红河州某高速公路边坡作为工程背景，首先采用极限平衡条分法，分析边坡稳定性与滑体应力状态在地震荷载作用下的响应规律，发现随着水平向地震荷载的变大，边坡安全系数和滑面上的法向力逐渐变小，而条间法向力逐渐变大，并且滑面中部的变化相比较坡顶和坡脚处更为明显。然后通过设计数值试验，计算得出锚索结构的相关支护参数；通过计算可知，采用该支护方案后，边坡滑面埋深增大；并且在正常工况与地震工况下，边坡稳定性均可满足规范要求。提出的锚索支护方案能解决该多震地区公路边坡的稳定性问题，研究结果对其它类似工程具有一定的参考价值。

震区;公路边坡; 稳定性; 支护方案

公路边坡的支护方案不合理，一直是给高速公路工程安全性带来危害的主要问题之一[1]。许多专家对边坡支护问题进行了研究，陶连金等[2]探讨了某临江公路边坡的支护问题，考虑水的作用提出了支护方案。周勇等[3]以兰永某公路边坡为例，分析了强风化软硬互层岩质边坡的失稳机理和加固处理措施。李韬等[4]利用离散元软件研究分析了白鹤滩水电站左岸坝基边坡在开挖卸荷作用下的失稳模式，并提出了采用预应力锚索及时跟进支护的加固方案。LIANG等[5,6]提出了锚杆的力学模型，分析了高应力条件下锚杆的支护效果。封永梅等[7]则针对锚杆加固岩土高边坡的效果机理展开了探讨，并提出了抗倾覆安全系数的计算方法；段星星、赖杰等[8-12]也分别选取不同边坡工程案例，根据实际工程条件提出了支护措施。但研究很少涉及多震地区的高速公路工程，为了保证多震区公路工程的顺利施工及运营过程中的安全性，有必要分析不同影响因素尤其是地震作用对边坡稳定性的影响规律，进而有针对性地给出路堑边坡加固方案，确保项目的顺利实施。本文以云南省红河州建元高速公路工程中的某一段边坡为工程背景，分析地震对边坡滑面受力状态及稳定性的影响规律，进而为该边坡工程设计出合理的支护方案。

1 工程概况

该公路工程位于云南省红河州，连接建水和元阳，线路全长约73 km，沿途涉及多处高陡边坡，其路线分布图如图1所示。工程沿线地质条件复杂，坡体主要由粉质粘土、全风化、强风化及中风化花岗混合岩等构成，该地区地震活动比较频繁，路基工程区地震峰值加速度为0.15 g~0.30 g，高频度的地震活动对边坡的影响作用不可忽视。本文以K2+220剖面边坡为例，探讨地震荷载对边坡稳定性和滑体受力状态的影响机制，在此基础上，根据实际地质情况建立边坡数值模型，通过数值试验计算得出锚索结构的相关支护参数，进而提出适合该边坡工程的支护方案。

图1 建元高速公路线路图

图2 K2+220剖面边坡坡形图

2 地震对坡体状态的影响规律

根据建元路K2+160~K2+380段路堑边坡的工程地质勘察资料与路线部署要求，该段边坡坡形开挖方案及坡形尺寸如图2所示。由于该区域位于多震设防区，现基于Slide软件，建立数值模型，对地震荷载对边坡滑面受力状态与稳定性的影响作出分析。其中，计算方法采用Bishop极限平衡条分法，滑面形式为圆弧滑面，计算采用的岩土体力学参数见表1。分别对正常条件及考虑地震荷载（地震峰值加速度为0.2 g，水平地震系数α=0.05）条件下，未支护边坡的安全性进行分析，结果如图3所示。可知，在未采取支护措施情况下，正常工况下边坡安全系数为0.88，地震工况下安全系数为0.80，均不满足相关规范要求。为了针对地震工况设计出合理的支护方案，有必要对地震荷载对边坡稳定性的影响机理进行研究。

表 1 岩土体物理力学参数

图3 未支护条件下滑面分布图

2.1 地震荷载对安全系数的影响

地震作用对边坡稳定性的影响作用不可忽视，为了简化计算，本文采用拟静力法进行计算[13]。拟静力法将地震作用简化为作用于滑体条块重心处并指向坡外（滑动方向）的水平静力，计算公式如下：

Q=ɑ(1)

式中，Q—滑体承受的地震力；—滑体重度；ɑ—水平地震系数。取值如表2所示。

表2 水平地震系数取值表

为了研究地震作用对边坡稳定性的影响规律，现选取两个不同埋深的滑面，位置如图4所示。分别计算不同地震荷载条件下（α分别取0、0.02、0.04、0.06、0.08和0.1），两个滑面对应的安全系数，并将结果绘制成柱状图和折线图，如图5所示，图中的安全系数变化率表示为：∆=(1-2)/1，其中1代表正常工况下的安全系数；2表示不同地震荷载条件下的安全系数。

根据图5可知，随着地震荷载的增大，不同埋深滑面的安全系数均逐渐变小，但变化率保持一致，说明地震荷载对滑面安全系数的影响程度与滑面埋深基本无关。

图4 不同埋深滑面分布图

图5 安全系数受地震荷载的影响规律

2.2 地震荷载对滑体应力状态的影响

数值计算采用的是简化Bishop法，滑体受力状态仅考虑条块底部的法向力与条间法向力。滑体共划分为25个条块，坡顶到坡脚的条块编号按从小到大的顺序进行设置。地震荷载对滑面法向力和条间法向力的影响规律分别如图6(a)和图6(b)所示。

由图6(a)可知：1) 随着边坡潜在滑面埋深的增加，条块底部的法向力变大，从坡顶至坡脚，不同埋深滑面法向力均先增加后减小；2) 随着水平向地震荷载的增加，条块底部法向力则逐渐变小，并且滑面中部的变化相比较坡顶和坡脚处更为明显。

图6 地震荷载对滑体受力状态的影响

由图6(b)可知：1) 随着边坡潜在滑面埋深增加，条块间法向力变大，且从坡顶至坡脚，不同埋深滑面的条间法向力均呈先增加后减小的变化趋势；2) 随着水平向地震荷载的增加，条间法向力逐渐变大，并且滑面中部的变化相比较坡顶和坡脚处更为明显。3) 随着埋深的增加，条块间法向力的峰值会往左偏移，即往坡顶处偏移。

3 支护方案设计

根据建元路K2+220附近路段的现场工程地质条件，结合勘察报告等资料，建议采用锚索结构作为主要支护手段。而采用锚索结构，首先需要确定锚索的长度、锚固段长度及锚索的倾斜角等参数。

3.1 锚固段长度

《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB 50086-2015）[14]指出锚固段长度的计算原则：确保锚固段提供的抗拔力不小于设计要求的抗拔力，计算公式如下：

式中：N—锚索轴向拉力设计值（kN）；—锚固段直径（m）；L—锚固段长度（m）；f—浆体和岩土层间极限粘结强度标准值；—浆体与周围土体间的粘结抗拔安全系数；—极限粘结强度受锚固段长度的影响系数。

结合规范建议与该边坡工程的实际地质条件，最终确定锚固段长度计算参数取值为：N=800 kN，=0.14 m；=2.2，=0.75，强风化花岗岩层与中风化花岗岩层的f分别取400 kPa和500 kPa。经计算可得，强风化花岗混合岩层锚固段的长度建议取为14 m；中风化花岗混合岩层锚固段的长度建议取为11 m。

3.2 锚索倾斜角及长度

锚索倾斜角，定义为锚索与水平面间的角度。其值的确定应考虑锚索布设的空间位置，并且为避免注浆时出现浆液与浆体分离及泌水现象，锚索倾角还宜大于11°。锚索长度值确定的基本原则是，要求锚索长度大于滑面埋深，以使锚固段位于滑体下部稳定区，保证锚固效果。综合考虑以上几种因素，现以锚索长度和倾角为变量，设计如下数值试验（表3），通过对比分析，给出满足该工程稳定性要求的锚索长度和倾角的建议值。

将表3内不同锚索参数对应的边坡安全系数列于图7中，可以明显看出，当锚索总长度较短时(本案例中指小于30 m)，边坡的安全系数随着锚索倾角的增加而呈增大趋势，而当锚索总长度较长时(本案例中指大于30 m)，安全系数便随倾角的增加呈先增加后减小的变化趋势，并且锚索的长度越大，安全系数到达峰值时对应的锚索倾角越小，即曲线峰值随锚索长度增加会往左移。根据数值试验计算结果，以规范规定的安全系数阈值为标准，最终确定的锚索基本支护参数为：长度35 m，倾角20°。另外，考虑到边坡滑面埋深一般中部埋深大，上下两端埋深相对较小。为降低工程成本，提高工程经济效益，只需保证锚索锚固段穿过边坡滑面嵌入下层稳定区即可，上下两端的锚索不必过长，节约支护材料。因此，综合考虑数值试验结果与工程经济效益，最终确定的边坡支护方案如图8所示，具体支护参数见表4。

表3 不同参数对应的安全系数

图7 不同锚索参数对应的安全系数

图8 锚索支护方案

表 4 锚索支护参数

3.3 边坡支护方案验证

采用极限平衡条分法（简化Bishop法），利用Slide 6.0计算软件对加固后的边坡进行稳定性分析，其中滑移破坏形式为圆弧滑动，计算结果如图9所示。结果表明，正常工况下，采用该支护方案后的安全系数为1.96，满足安全系数大于1.15的要求；地震工况下（地震峰值加速度为0.2 g，水平地震系数α=0.05）边坡的安全系数为1.77，同样满足非正常工况下安全系数大于1.05的要求，说明本文提出的支护方案合理可行。

图9 数值计算结果图

4 结 论

通过现场调研与数值试验等手段，考虑地震影响因素，对云南省红河州某高速公路典型剖面边坡进行研究分析，得出以下结论：

（1）通过研究地震荷载对不同埋深滑面的影响规律可知：随水平向地震荷载的增加，滑面的安全系数均逐渐变小，且影响程度与滑面埋深基本无关；随水平向地震荷载的增加，滑面法向力逐渐变小，条间法向力则逐渐变大，并且滑面中部的变化相较坡顶和坡脚处更为明显；

（2）采用极限平衡条分法对未支护状态下的边坡进行稳定性计算，发现正常条件与地震条件下的安全系数均小于1，须进行加固处理；基于国家规范与数值试验，计算确定锚索支护的主要设计参数：锚索长度、倾斜角及锚固段长度，最终给出边坡的综合支护方案；

（3）通过数值计算可知，采用该支护方案后，正常工况下边坡安全系数为1.96，地震工况下为1.77，均满足规范要求；并且支护后边坡滑面埋深变大，提高了边坡的抗滑性。可见本文提出的锚索支护方案能解决该多震地区路堑边坡的稳定性问题，研究结果对工程施工具有一定的参考意义。

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Study of the Support Scheme and Stability of Highway Slope in Earthquake Prone Area

MA Feng1, HUANG He2, MA Lu-ke3, YE Chao1, ZUO Sheng-rong4, ZHU Xiang-qun5

1.430083,2.430052,3.430010,4.430056,5.246003,

In order to study the stability of highway slope in the areas prone to earthquakes, a slope in Honghe Prefecture of Yunnan Province was selected as the engineering background. First, the slope stability and the stress state of sliding body under seismic load were analyzed using the limit equilibrium slice method. The results show that with the increase of the horizontal seismic load, the safety factor and the normal forces at the bottom of bars become smaller, while the normal forces between the bars become larger, and the change in the middle of the slip surface is more obvious than that at the top and foot of the slope. Then, the support parameters of cables were calculated based on the numerical test. From the calculated results, it can be seen that the buried depth of the slip surface increases, when the support scheme is adopted, and the slope stability can meet requirements of specifications in both natural conditions and earthquake conditions. The support scheme proposed in this paper can solve the stability problem of the highway slope in earthquake area, and the research results provide references for other similar projects.

Seismic area; highway slope; stability; support scheme

TU457

A

1000-2324(2021)02-0322-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.02.030

2019-11-18

2019-12-26

武汉科技大学城市学院重点科学研究项目(2018CYZDKY003);武汉科技大学城市学院院级一般科学研究项目(2018cyybky005);安徽省高校自然科学重点研究项目(KJ2016A450,KJ2017A787)

马锋(1982-),男,研究生,讲师,研究方向,结构工程. E-mail:55304293@qq.com