山区公路高边坡的失稳分析及加固设计分析

伍海林

(韶关市翔宏公路勘察设计有限公司，广东 韶关 512023)

1 引 言

我国是一个多山的国家，越来越多的新建高速公路位于丘陵或是峡谷地带，陡峻起伏的地形地貌、复杂多变的地质构造，给高速公路建设带来了诸多难题。尤其是高速公路路基开挖施工时，沿线两侧往往不可避免的形成大量高边坡，受到地质、环境、气候等因素的影响，山区公路高边坡的稳定性问题将直接应公路施工安全与进度，对此有必要加强山区公路高边坡的失稳分析及加固设计，保证山区公路工程顺利完工。

2 山区公路高边坡问题概述

交通运输是国民经济发展的重要一环，也是我国基础建设的重要内容。根据我国公路建设情况来看，自20世纪80年代以来至今，我国公路里程不断增加、施工技术水平持续提高的同时，也对公路建设生态环保性、服务性等提出了更高的要求。据统计，截止2020年末，我国公路总里程已经达到了519.81万km，随着公路网络的完善许多在建、拟建高速公路不断朝着山区延伸，且此类公路等级高、路面宽、开挖量大，难免产生大量的高边坡，如何保证高边坡的稳定性是一个绕不开的工程问题。

根据山区公路建设情况来看，高边坡是滑坡灾害发生的主体，且高边坡开挖过程中，其稳定性不仅受到岩土参数的影响，也受到人为施工、降雨以及外部荷载等诸多因素的影响，为减少和避免滑坡灾害的发生，需预先进行高边坡稳定性分析，并据此进行加固设计，提高加固方案的科学性、有效性，保证山区公路建设与运营安全性。

3 山区公路高边坡失稳主要影响因素与分析方法

3.1 高边坡失稳主要影响因素

(1)水的影响。山区公路高边坡失稳乃至滑坡灾害的发生，水都是十分重要的诱发因素，具体分为大气降水与地下水两个部分。其中，大气降水的影响主要表现在以下几个方面：降水填充岩土体裂缝与间隙，坡体下滑力增大；降水侵蚀、软化岩体结构面，边坡整体抗剪强度降低；长时间降雨冲刷边坡，诱发边坡失稳事故。地下水的影响主要表现在对坡体滑移面发育的作用上，一旦地下水位上升，将进一步增大坡内孔隙水压力，加剧动静水对岩土体的作用。

(2)地形地貌的影响。山区公路建设中高边坡的形成实质上是打破了原有坡体内部平衡，并按照需要开挖坡体、改造坡面，并通过支护加固实现边坡再平衡。对于山区公路工程而言，若是沿线地势平缓、征地不受限制，可放设缓坡，达到降低施工难度、提高边坡稳定性的目的；若是沿线地形较为复杂，如：深山峡谷，则对边坡开挖、支护加固设计与施工提出了更高的要求，必须落实边坡稳定性分析工作。

(3)岩体结构的影响。在岩体中，各种结构面不规则组合，并与岩石再组合，由此形成“岩体结构”。根据相关规范，可将岩体结构分为整体块状结构、层状结构、碎裂结构以及散体结构，合理进行岩体结构分类，是提高岩质边坡稳定性的重要基础。

(4)岩土性质的影响。根据山区公路高边坡稳定性分析可得，岩土性质是根本影响因素，如：石灰岩、花岗岩等岩性坚硬、岩体完整，开挖高陡边坡不易失稳；软弱岩石、土质边坡，极易发生失稳问题，必须开展稳定性分析，并做好相关加固设计工作。

(5)工程开挖的影响。山区公路施工过程中，对高边坡稳定性的影响主要分为以下两个方面：爆破开挖对近坡面围岩的扰动、开挖卸荷效应。其中，在岩质边坡开挖中，预裂爆破、光面爆破是主要施工方法，爆破扰动极易引起边坡围岩脱落，这是稳定性分析与加固设计必须考虑的因素；开挖卸荷效应主要表现为路堑边坡开挖，保留岩体由于应力状态急剧变化导致节理裂隙扩展，降低了岩土体强度，进而影响边坡稳定性。

3.2 高边坡稳定性分析方法

在山区公路高边坡工程中，边坡稳定性分析是一大核心内容，目前相关分析方法发展较快，从二维扩展至三维、从单一方法发展至综合评价方法。目前，边坡稳定性分析方法主要可分为定性分析法、定量分析法以及不确定分析法，具体如表1所示。

表1 边坡稳定性分析方法

在上述诸多方法中，极限平衡法是一种利用安全系数定量评判边坡稳定性的方法，原理简单、使用方便，且计算结果精度高，目前依旧是边坡稳定性分析的主要方法；随着计算机技术的发展，数值分析方法逐渐发展起来，其可模拟边坡加载、卸载全过程，可通过严格应力、应变分析求解边坡的极限荷载，常用的有有限单元法、有限差分法、耦合算法等。此外，基于非线性理论、系统理论、模糊理论以及人工智能的发展，不确定分析法逐渐得到推广应用，且呈多学科、多专业、多部门融合的发展态势。

4 实例探析山区公路高边坡的失稳分析及加固设计要点

4.1 工程概况

本项目为某高速公路工程，项目位于山区，地形起伏大，呈南高北低的地势，属于剥蚀构造低山丘陵地貌单元。根据现场施工情况显示，K40+787～K40+877段主要沿着山体的坡腰延伸，左高右低，山坡坡脚为县城，除了局部地段外均为削方边坡，边坡坡口线外发展有多条裂缝，且裂缝的宽度不断增加，整个高边坡的稳定性较差。

4.2 边坡现场调查情况

根据前期踏勘与本地补勘显示，边坡开口线外山坡上发育有4条连续性好的变形裂缝，裂缝情况如表2所示。根据深部位移监测显示，测斜孔CK-3、CK-4在孔深19 m、19.5 m处发生位移突变。沿着裂缝4往下，可见基岩陡坎局部垮塌，且可见一拉张裂缝延往坡下，细微变形迹象在三级坡坡脚一带消失。根据调查结果推断，此高边坡是沿深部一软弱夹层发生的滑移变形，同时根据边坡变形破坏范围、潜在滑动面深度(平均厚度14 m)，估算潜在滑坡体方量7×104 m3，且边坡开挖是边坡变形主要诱因。

表2 变形裂缝情况

4.3 边坡稳定性分析与计算

本项目采用极限平衡法(Bishop法)对边坡稳定性进行分析，本次选用的是Geo-slope计算分析软件展开二维极限平衡分析。根据计算，工程地质剖面1-1′安全系数为1.00～1.05、剖面2-2′安全系数为0.986，剖面3-3′安全系数为0.995。由此可得，计算结果实际情况基本一致，验证了计算参数的可靠性，由此可判断坡体处于不稳定或临界状态。参考《公路路基设计规范》要求高速公路滑坡安全系数1.20～1.30，必须对边坡进行加固设计。

4.4 边坡加固设计

基于本项目边坡工程地质特征与稳定性分析结果，设计采用削方+锚固的边坡加固方案。经综合分析，剖面1-1′、2-2′设计为5级坡方案，每级边坡坡高10 m，其中，一级、二级坡采用原设计方案，三级坡坡比设计为1∶1.25，四级、五级坡坡比设计为1∶1.5，马道宽度2 m。经由计算显示，削方无法提高边坡安全系数，需进行锚固设计。

本项目坡体强风化厚度大，设计采用网格梁+预应力锚索的锚固方案。经综合分析，每级边坡设计为3根锚索，锚索间距3.5 m、锚索锚固力600 kN、锚索倾斜角度15°～20°。经由边坡安全系数验算显示，削方+锚固方案下，剖面1-1′、2-2′安全系数分别为1.261、1.252，达到规范要求的，此加固方案完全可行。此外，剖面3-3′计算显示，剪出口部位在坡体开口线外，决定在开口线外坡底低洼、坡度平缓位置设计桩板墙或锚拉桩，桩后回填形成坡比1∶3的填土坡，有效提高坡体安全系数。

5 结 语

综上所述，山区公路是线性带状工程，常穿越复杂地形地貌与不同地质构造单元，且高边坡工点多、坡体内地质条件复杂，落实高边坡稳定性分析十分重要。在工程实践中，需合理选择稳定性分析方法，明确山区公路稳定情况，并进行针对性的加固设计，全面提高边坡安全系数，保证公路施工安全、运营可靠。