高速公路高边坡稳定性分析与加固技术研究

田小军

（中交一公局第八工程有限公司，天津）

引言

随着交通运输的快速发展，高速公路的建设取得了巨大的成就。然而，由于地质条件的复杂性和自然环境的变化，许多高速公路面临着高边坡的稳定性问题。高边坡的不稳定性可能导致地质灾害，给行车安全和通行效率带来严重威胁，甚至造成人员伤亡和财产损失。因此，开展高速公路高边坡稳定性分析与加固技术的研究对于推动交通运输行业的发展和高速公路建设的安全可靠具有重要的意义。

1 高边坡稳定性分析及应用原理

1.1 平衡法

高边坡稳定性是指在地质环境作用下，边坡与岩土体之间的相互作用和平衡状态是否能够保持[1]。为了确保高边坡的安全性，需要对其进行稳定性分析来评估边坡的稳定状况。它基于力学平衡原理，通过解决边坡的平衡方程来评估边坡的稳定性。平衡法假设边坡在静止状态下，滑动力和抗滑力之间达到平衡，即滑动力沿边坡表面的切向分量与抗滑力之间的平衡。平衡方程可以表达为：

ΣFx=0

ΣFy=0

其中，ΣFx 表示水平方向上的力平衡；ΣFy 表示垂直方向上的力平衡。在边坡分析过程中，需要考虑各种受力因素，例如重力、地震力、水力等。将这些受力因素进行分解，并考虑土体的强度参数（如摩擦角、黏聚力等），可以得到具体的平衡方程。通过求解边坡平衡方程，可以获得边坡各个部分的受力情况和安全系数，以评估边坡的稳定性。如果计算得到的切稳定安全系数小于设计要求的安全系数，则表示边坡可能存在较大的稳定性风险，需要考虑采取加固措施或调整设计方案来提高边坡的稳定性。示意如图1 所示。

图1 平衡法结构示意

1.2 数值模拟法

数值模拟方法包括有限元法、有限差分法和边坡过程模拟法等。它们通过将边坡划分为离散的小区域，并考虑不同地质条件和应力状态，在计算机上求解边坡的力学行为，从而得出边坡的稳定状态。岩土工程试验方法通过采集边坡的岩土样本进行室内试验或现场试验，以获取边坡的力学参数（如剪切强度、抗剪强度等），并基于这些参数来估计边坡的稳定性。相似模型试验方法通过制作高边坡的缩尺模型，在实验室或户外的试验场中进行物理模型试验。通过模型试验得到的数据，可以模拟和评估边坡在真实环境下的行为，提供边坡的稳定性分析依据。

2 常用加固方法的原理与适用范围

常用的加固方法的原理与适用范围如表1 所示。

表1 常用的加固方法的原理与适用范围分析

在实际应用中，可能需要综合使用不同的加固方法来达到更好的效果。另外，还需要综合考虑施工条件、成本效益和环境影响等因素，以确保加固方案的可行性和安全性。

3 工程案例及应用

以某高速公路高边坡为例，通过分台阶逐渐放坡的方式进行挖掘，边坡坡脚295 m 左右，在挖掘了之后的最大高差是37.6 m，坡向角度94°。区域底层岩性体为奥陶系灰岩，覆盖了粉质粘土，厚度为2 m 左右。岩质整个比较硬，层间的结合能力比较好。经比选，本工程计划使用土钉加固法完成加固。其加固前的相关参数如表2 所示。

表2 岩体力学参数

4 土钉加固技术研究

4.1 土钉加固法技术原理及适用范围

土钉加固法是一种常用的高边坡加固技术，通过在高边坡上预埋或插入钢筋等材料，将土体与钢筋相互作用，提高高边坡的整体稳定性。土钉加固法具有施工简单、成本较低、效果显著等优点，在高边坡工程中得到广泛应用。

原理：土钉加固法的原理是利用土壤与土钉之间的摩擦力和土钉的拉力来形成一个结构联合体，并通过这种联合体来承担土体的部分荷载，提高边坡的整体稳定性。在土钉加固法中，土钉作为一根长型结构，通过其与土壤的相互作用实现对边坡的加固。土钉通常由钢筋、钢管或其他材料制成。土钉与土体之间存在一定的摩擦力，土钉通过摩擦力与土体紧密联系在一起。土钉的插入与固结使土体变得更加稠密，增加了土体的抗剪强度和内聚力[2]。土钉通过受到外部拉力的控制，保持一定的张拉状态。拉力的作用可以有效地消除土体中产生的剪切力并提高边坡的整体抗滑能力。拉力的大小应根据土壤特性、边坡高度和倾角等参数进行合理的设计以确保边坡的稳定性。土壤与土钉的相互作用以及拉力的存在使得土体和土钉形成了一个结构联合体。这种结构联合体能够承担部分荷载，减轻土体的变形和破坏，保证边坡的稳定性。示意如图2 所示。

图2 土钉加固示意

适用范围：土钉加固法适用于各类土质边坡的加固，包括黏土、砂土、砂质粘土和岩石等。具体的适用范围主要取决于土壤的力学性质和场地条件。一般来说，土壤的胶结力越高，土钉加固的效果越好。同时，高边坡的高度、坡度和倾角等特征也会影响土钉加固的适用性。

4.2 土钉加固前计算

根据边坡土层情况，结合边坡高度状况及周边环境，本边坡适宜采用土钉支护法进行锚喷加固。

（1） 土钉抗拔力计算。

T=πDL2t

式中：T- 抗拔力，Mpa；π- 系数；D- 土钉直径，mm；L2- 锚固段长度，mm；t- 系数。

经计算，每根土钉的抗拔力为150 kPa。

（2） 土钉间距计算。

土钉间距包括水平间距X 和垂直间距Y，对钻孔注浆型土钉，可按6～12 倍土钉直径D 选定土钉行距和列距，且宜满足：

XY=KDL

式中：X- 土钉水平间距；Y- 土钉垂直间距；K- 工艺系数，取1.5-2.5；D- 土钉直径；L- 土钉长度。

经计算，本工程拟使用垂直和水平间距均为1.5 m 的布置方式。

4.3 施工方法

4.3.1 边坡修整。采用人工清理，为了保证喷射混凝土表面的平直，此工序一定要挂线来定位。如果出现了层含水量较高的边坡，可在支护面层后方插入长度为400～600 mm，直径不少于40 mm 的水平排水管包滤网，其外端伸出支护面层，保证其间距为2 m，确保可以将喷混凝土面层后的积水排出[3]。

4.3.2 底层初喷。底层初喷主要是为了维护坡面的坚固性，在土方开挖后的第一时间预喷混凝土，才能达到最佳效果。底层初喷选用的是C20 细石混凝土，在施工过程中，施工人员应将预喷厚度控制在30～50 mm 之间。

4.3.3 土钉安装。在土钉正式安装之前，施工人员必须进行相应的隐蔽检查与验收，对检查过程中发现的局部渗水或局部塌孔、松土等现象，必须及时处理。在挖洞时，通常采用冲击钻和洛阳铲，孔内的孔径要求为70～120 mm。土钉支护为常压注浆，注浆时，注浆的水泥浆比例必须保持在0.35～0.5 之间。在正式安装土钉时，为防止对杆体造成除了承受能力之外的压力，也要把浆管与土钉一同安装到钻孔中。其放置角度应与钻孔倾斜的角度保持一致（如图3）。但在此过程中，应注意将浆管的插入深度控制在20～25 cm 左右。另外，必须控制好钢筋的安装点与网孔的中心点的间距，埋入的深度不得少于原设计的90%，并在安装点后不得撞击[4]。

图3 土钉安装示意

4.3.4 绑扎钢筋网。工程钢筋网的绑扎要完全按照施工设计图纸进行，其绑扎长度必须符合工程的相关规定。在将钢筋网编织好之后，在其上方进行焊接，将其与钢筋网连接成为一个整体，从而达到很好的固定效果[5]。

4.3.5 复喷。复喷的目的是防止钢筋背部因施工原因而产生空隙，因此，在进行复喷时，应先喷后方，再喷前方。同时，为确保土体与墙面之间能够形成有效连接，可用加强钢筋拦截，确保连接不中断。复喷混凝土选用的是复合硅酸盐水泥，施工人员要将砂子的含水量控制在5%～7%之间，且通过筛选后的砂子颗粒不大于10 mm。

5 加固案例分析与效果评价

某地高速公路的一处高边坡遇到了稳定性问题，为了确保边坡的安全，进行了加固工程。最后，对已安装的土钉进行张拉，确保土钉与土壤之间有足够的结合力。在该加固案例中，分别使用填土加固法、增加支撑结构法、土钉加固法以及草坪护坡法对其进行了实验，观察四种不同的加固技术在加固后7 d、15 d 以及30 d 对其稳定性的影响，如图4 所示[6]。

图4 稳定性对比

土钉加固法原理是：在边坡中安装预应力钢筋（土钉），增加土体与钢筋的连接，提高边坡的稳定性。首先，按照工程设计，使用钻机在边坡中钻孔，并安装预应力钢筋。其次，要按照项目的需要来确定钢筋的长短和间隔，保证斜坡的稳定。然后，在钻孔中注入耐久性良好的混凝土填充钢筋孔，以增加钢筋的固定效果[7]。

加固效果评价如表3 所示。

表3 该加固案例效果评价分析

经过处理的边坡的位移和应变有了较大幅度的降低，其相对位移和应变值也有了较大幅度的降低。这表明边坡的稳定性得到了显著改善，滑坡和塌方的风险大大减小。加固后的边坡能够承受较大的荷载和自然力。结果表明，该斜坡对滑塌的治理效果较好。综上所述，利用土钉支护技术对高边坡进行加固是一种行之有效的方法。根据边坡的特点和土壤力学参数进行合理的设计和施工，能够改善边坡的稳定性，确保工程的安全可靠性[8]。

6 结论

综上所述，针对高速公路高边坡的稳定性问题，土钉加固法是一种常用有效的加固技术。通过在边坡中安装预应力钢筋（土钉），增加土体与钢筋的连接，可以提高边坡的稳定性。该方法施工简单方便，成本相对较低，并在实际工程中取得了显著的加固效果。在加固过程中，需要进行土体力学参数测试和结构分析与设计，并根据边坡特点选择合适的土钉参数。加固后的边坡稳定性得到了改善，滑动和塌方现象减少。因此，对于高速公路高边坡的加固工程，土钉加固法是一种可靠的选择。然而，在具体应用中仍需根据实际情况综合考虑工程要求、土体特性等因素进行设计和施工，并进行监测和维护，以确保加固效果长期稳定。加强科研与实践结合，持续改进和完善高边坡加固技术，将有助于提升高速公路工程的安全性和可靠性。