公路高边坡稳定分析方法及支挡优化设计

周怀恩

摘要 文章从公路高边坡的稳定分析方法入手，论述高边坡稳定性评价方法及现有问题，结合实际工程对锚固结构参数进行了深度优化，得到了最佳组合的锚固结构参数。研究结果表明，边坡稳定性与锚固角成反比与锚固深度成正比，同时当锚固结构的锚固角为10°，锚固深度为19 m时，边坡处于最安全状态。

关键词 公路工程;高边坡;稳定性分析;支护措施;锚固结构

中图分类号 U416.14 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）07-0124-03

0 引言

随着我国经济的蓬勃、快速发展，公路工程等一系列基础设施也进入了空前的繁荣时期。与此同时，也对相应的公路工程建设提出了更高的要求，例如在山区及西部地区公路施工过程中，受特殊的地形、地貌及地质水文条件影响，不可避免地会遇到边坡开挖、支挡防护等一系列工程难题，并造成岩土体扰动、破坏周边环境以及诱发常见的地质灾害等问题。以高边坡稳定分析为依据，高边坡设计理念为核心，统筹协调边坡支护措施与周边环境，选择最为科学、有效的支挡优化方案对公路高边坡工程施工及运营维护均有显著意义。

1 高边坡稳定分析方法及现有问题

1.1 高边坡稳定分析方法

目前，高边坡稳定分析方法从分析类型方面大致可分为定性分析方法、定量分析方法以及非确定性分析方法三大类[1-2]。具体如下：

（1）定性分析是指采用地勘或调研等工程勘察形式，对诱发高边坡失稳的主要起因以及预期边坡灾害形式等进行系统分析的一种方法，通过与已变形或破坏的高边坡失稳原因及破坏形式进行对比分析，进而以类比的方法获知被评价高边坡的稳定性。常见的定性分析方法有：自然历史分析法、工程类比法以及边坡稳定分析数据库等。该法能够综合诱发高边坡失稳的多种因素，并快速确定其所处状态，被广泛用作高边坡稳定性的初步分析。

（2）定量分析方法目前主要有极限平衡分析法和数值分析法两种。极限平衡分析法具有较强的理论基础且能够充分考虑多种荷载形式，在高边坡稳定分析方面得到了广泛应用。极限平衡分析的大致思路是通过不同划分形式将滑坡体简化为若干条形体后，通过力学关系计算得到相应的边坡安全系数。常用的极限平衡方法有毕肖普法和简布法等。受预先假定滑动面位置以及无法充分考虑支挡结构与岩土体间的力学及变形关系等因素的制约，限制了该方法在边坡稳定分析方面的进一步发展。数值分析方法能够合理的消除极限平衡法所存在的弊端，目前已成为高边坡稳定分析主流方法，具体思路如下：采用不同求解方法确定公路高边坡力学及其响应特征后，分析岩土体边坡中不同位置处的力学及变形演化规律，求得对应位置处的边坡安全系数，以此作为依据判断公路高边坡当前所处的稳定状态。常用的数值分析方法有：有限元分析法、有限差分法、离散元法等。表1列出了不同数值分析方法在边坡稳定分析方面的特征。

（3）非确定性分析方法是以统计学理论为依据所提出的一种可用于高边坡稳定分析方法。由于诱发高边坡失稳的影响因素众多，同时这些因素大多具有显著的随机性和不确定性，很难通过量化关系获取所需的模型参数。从参数的随机分布出发，以非确定性分析方法为依据，通过统计分析，对高边坡进行稳定性评价是一种行之有效的方法。常见的非确定性分析方法有可靠度分析方法、灰色理论法、神经网络法等。但受样本选取难度大、容量大等且适用性较差缺点，仅在样本丰富的情况下适用。

1.2 高边坡稳定分析方法现有问题

目前高边坡工程中常用的边坡稳定分析方法，能够为边坡失稳提供一定的判据和预测，但目前仍存在以下问题有待进一步解决，即边坡安全系数的含义有待完善、边坡潜在滑动面位置的确定以及多场耦合在边坡分析中的实现等。

（1）安全系数在传统意義上被定义为潜在滑动面上的抗滑力与滑动力的比值。然而目前安全系数定义已经被扩展至宏、微观安全系数、经验安全系数等方面，诸如以强度指标储备的强度折减法作为安全系数等，这与传统定义存在一定的出入。上述安全系数的提出一定程度上丰富了边坡稳定性评价的发展，但所提出新的安全系数缺乏一定的物理含义或含义不明确，有待对安全系数的提出开展更为系统和完善的研究。

（2）边坡分析的主要目的是确定其潜在滑动面，特别是针对高边坡而言，其滑动面一旦发生破坏，造成的破坏难以预估。如何准确地预测公路高边坡潜在滑动面的位置至关重要。现有的滑动面确定方法主要有变分法和搜索法等。由于变分法在求解安全系数时所确定的潜在滑动面在数学方面缺乏一定的严谨性，搜索法在确定潜在滑动面时也会遇到数值问题，上述方面在确定高边坡潜在滑动面时仍存在缺陷，结合数值计算方法或提出新的滑动面预测方法是解决该问题的新途径。

（3）边坡失稳往往是由于外界条件改变而诱发土体参数发生改变造成的。科学、合理确定模型参数取值以及模拟外界条件环境因素变化对于边坡稳定分析是极为重要的。作为边坡稳定分析中最普遍被涉及的物理场、渗流场和应力场的流固耦合模拟，才能够较为真实地反映边坡真实情况。对于位于特殊气候或地质构造趋于多变或地震频发区域的边坡，对其稳定分析时还须考虑温度场耦合或动态有限元分析。只有在确定岩土体准确的力学参数条件下，充分考虑实际工程中可能遇到的多场作用，以多场耦合形式来求解公路高边坡稳定问题才更为科学、合理。

2 实例分析

2.1 工程背景

湖北某高速公路路线全长160 km，所处地区路线高程变化大，水文地质条件复杂，且地形条件极其复杂，途径多处高边坡地带。为保证公路建设的顺利实施，在设计时必须综合上述因素进行考虑，以期达到最佳的高边坡治理效果。路线全段采用一级公路建设标准，路基宽度设计为33.5 m，设计时速为100 km/h，通过对该工程案例中的公路高边坡进行优化设计与分析能够为相关高边坡支护设计提供一定的借鉴。

2.2 高边坡设计原则

高边坡治理设计过程中往往需要秉持着“预防为主、不留后患、经济并行、综合治理”的设计理念[3-4]。预防为主作为高边坡设计过程中的首要原则，不仅能够最大限度减少工程量，同时避免额外的施工成本投入。对于设计过程中遇到特殊岩土体或地质灾害多发地带，应尽可能选择改线，避开不利于公路施工及后期运营的地段。若无法实现改线避让时，避免采用高填深挖边坡，应采用隧道工程替代边坡工程。边坡治理应一次根治，在对岩土体边坡潜在地质灾害进行准确地分析与预估后，方能进行高边坡工程设计。通过对所提出的设计方案进行多方论证后，选定高边坡工程最为科学、合理的防治措施。一旦确定了高边坡治理方案后，严格按照相关规范对高边坡进行施工，避免出现工程安全事故。经济并行是高边坡治理设计的一大核心问题。在高边坡治理过程中，不仅要确保所提出的治理方案科学有效，同时应尽可能减少施工成本以及施工时间等。设计过程中在满足预防为主、不留后患的条件下应尽可能提出多种治理设计方案，从技术和经济层面进行优化比选，从而确定出最佳的高边坡治理设计方案。综合治理主要是针对诱发高边坡地质灾害的潜在因素，设计中不仅要以消除主要因素为目的，同时又要辅以其他措施对次要因素也进行相应治理，实现从全方面达到治理公路高边坡地质灾害的目的。此外，在确保高边坡安全基础上，也應考虑边坡治理的生态指标以及美观程度。

2.3 高边坡防护方案确定

长期以来，岩土工程界针对公路高边坡失稳破坏的防治积累了大量的经验，形成了以锚喷、钉、挡、护等为主导的边坡灾害防治措施[5]。支挡防护、护坡防护以及植被防护均被视为高边坡支挡措施。目前广泛采用的护坡防护措施有人工削坡、锚杆（索）支护结构、格构梁结构、SNS主动网以及挂网喷射混凝土防护结构等。其中的护坡防护措施往往并非单一形式，一般采用其中两种或三种综合运用，达到高边坡防护的目的。由于该工程中各标段间设计和安全性存在明显的差异，在实际公路工程项目中，应综合统筹地提出科学、合理的公路高边坡支挡防护设计优化方案。通过进一步对工程建设过程中所涉及的公路高边坡工程进行详细调研和稳定分析，确定当前边坡开挖过程中存在一定的安全隐患，对部分边坡进行相应的治理。其中最主要的治理加固措施采用预应力锚索边坡防护形式。该文后续的支挡防护优化设计主要针对锚固结构进行分析。

2.4 支挡防护优化设计

为进一步优化预应力锚索结构设计，采用有限元数值模拟的方法对预应力锚的锚固角和锚固深度进行了细致化研究，模拟采用的地层物理参数见表2。模型长、宽、高分别为280 m、70 m和136 m，边坡分为5级开挖，每级开挖高度为7 m，台阶宽度为2.0 m，如图1所示。由于数值模拟考虑了锚固角和锚固长度两种因素，具体的模拟工况为锚固角为10°、15°和20°，锚固长度为15 m、17 m和19 m。

图2和图3分别给出了从数值模型中提取的不同锚固角、锚固长度与边坡位移的结果。

由图2可以看出，随着锚固角的增大，边坡位移逐渐增大，这说明一味增大锚固角可能会导致边坡更快失稳。图3表明锚固深度越大，边坡位移越小。这是因为锚固深度可能深入到了存在潜在滑移风险的地区，通过加固能显著降低边坡位移。综合上述分析结果，设计中锚固结构的最优参数为锚固角为10°，锚固深度为19 m。此外，通过对比上述组合形式下边坡的安全系数发现此时的稳定系数最小，这也进一步表明该组合下边坡处于最安全状态。

3 结语

该文从高边坡稳定分析方法、高边坡治理设计理念和高边坡支挡措施及设计优化角度出发，总结分析了目前我国高边坡稳定分析及边坡治理过程中的问题。指出为提高公路高边坡工程施工及后期运营过程中的安全性，必要的边坡支挡结构必不可少。通过对高边坡实例工程进行数值模拟从而对锚固结构的参数进行了优化分析，以期为公路高边坡安全建设提供保障。

参考文献

[1]贾宏伟. 公路高边坡稳定分析方法及支护优化设计[J]. 交通世界， 2020（22）： 60-61.

[2]李静. 高速公路路堑边坡稳定分析及治理方法综述[J]. 黑龙江交通科技， 2013（2）： 68.

[3]高国林. 路基高边坡防护施工技术研究[J]. 交通世界， 2020（22）： 72-73.

[4]赵龙海. 对公路高边坡防护工程施工技术的分析与研究[J]. 绿色环保建材， 2020（6）： 145+149.

[5]陈孝勇. 路基高边坡防护工程施工技术研究[J]. 青海交通科技， 2019（6）： 41-43.