山区公路边坡稳定性分析及支护设计

摘要 公路工程体系建设日益完善，山区公路工程建设也发展迅速，边坡稳定性对山区公路的正常运营有着重要影响，边坡失稳严重时会造成交通中断，增强其稳定性至关重要。因此，该文对山区公路边坡稳定性及支护设计进行研究，对边坡稳定性进行分析，提出采用锚杆成孔支护、格构加固技术和植被柔性支护的设计方式，其中采用锚杆加固后的抗剪强度值约为加固前抗剪强度值的2.5倍，可以有效提高山区公路边坡的稳定性。

关键词 山区公路；边坡稳定性；支护设计

中图分类号 U416 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）19-0127-03

0 引言

近年来随着国民经济的发展，公路工程体系建设日益完善，山区公路工程建设也发展迅速，由于山区地理环境相对较为特殊，地形较为复杂，进行山区公路建设需要考虑地形因素，山区公路边坡容易发生山体滑坡，山区公路建设对施工的技术要求较高，对山区公路边坡稳定性及支护问题进行研究成为人们的关注的焦点。林国进等[1]对通过抗滑桩加固的某三级边坡工程进行研究，结果表明桩身弯矩对于边坡稳定性影响较大，其弯矩峰值的位置也会与桩身的开挖深度有关。杨丽君等[2]对公路边坡稳定性进行分析，发现大部分山区的公路自然边坡稳定性不满足设计要求，需要经过支护措施以提高其稳固性。边坡稳定性对山区公路的正常运营有着重要影响，增强其稳定性至关重要[3]。蒙朝忠[4]针对多发生山体滑坡现象的公路边坡进行研究，提出采用网喷混凝土的支护方法对边坡进行加固，并且提出采用重力挡土墙方式也是对山区公路边坡支护采用较为广泛的一种措施。山区公路边坡稳定可以减少灾害事故的发生，保障了行车的安全性。因此，该文对山区公路边坡稳定性及支护设计进行研究，旨为山区公路的建设和发展提供一定的参考依据。

1 山区公路边坡稳定性分析

1.1 公路边坡稳定性影响因素

边坡稳定性首先会受到自然地质条件的影响，大部分边坡不稳地带多处于风化岩层地带、堆积层地带，或者在一些断崖层地带，尤其是对于具有复杂结构组成形式的多条断裂带，其构造类型较为特殊，属于压扭型，岩体内部的裂隙不断变大，会导致岩体内部发生裂隙，造成岩体内部的破碎，从而岩体整体的力学强度减弱，进而使得岩层和土层不够稳固。尤其是当此部分岩层处于倾斜状态时，长时间受到来自岩层土体本身的荷载，在受到其他作用力的情况下，其力学性能也会逐渐下降，导致边坡坍塌，进而引起山体滑坡，其主要原因是岩层力学强度较低、稳固性不强。

公路边坡稳定性同时也会受到施工因素的影响，由于施工过程中机械设备施工所产生的震动会造成岩层和堆积土体内部受到震动力的作用，导致内部孔隙率增大，与原有山体的附着力减弱，脱离原有山体表面[5]，同时大面积的施工也会造成大面积的临空面，临空面受到自身荷载作用较大，更容易造成边坡失稳。

1.2 公路边坡稳定性分析方法

对边坡稳定性进行分析的方法包括定性分析、确定性分析和不确定性分析，如图1所示。对工程进行定性分析可以采用对该地区的自然条件进行分析，分析其地貌特征、岩层情况及自然历史条件，也可以采用数据库进行边坡稳定性分析，参考已有数据库，结合工程实际情况进行定性分析。定性分析同时可以通过类似工程进行对比分析，进行边坡稳定性研究。而确定性分析方法种类较多，理论方法主要有极限平衡方法和强度折减法，强度折减法主要是用于计算边坡在事故点或失稳点的安全系数。数值模拟分析方法包括有限元法、离散元法和边界元法。Bishop、Janbu和Spencer法是进行边坡稳定性分析所采用的极限平衡法[6]，此外不确定分析方法是灰色系统法，其包括的方法为可靠度分析方法、综合评价法和神经网络法。数值模拟计算方法应用得越来越广泛，采用该种方法可以较为直观地观察边坡失稳的全过程动态模拟效果，并且模拟数据也更加准确直观，因此该文采用数值模拟方法分析边坡稳定性。

1.3 边坡稳定性计算分析

该文采用ABAQUS进行建模，分析边坡稳定性，岩石层类型为强风化安山岩、强风化泥质岩和强风化花岗岩，表层为粉质黏土、堆积土和一些沙土，设置参数如表1所示，其中边坡比例为1，岩体力学参数如表2所示。

在边坡破坏过程中，平面剪切滑动发生在有软弱夹层或裂隙的坡面，而旋转剪切滑动则通常发生在均质泥岩或页岩等岩层中。滑塌发生在边坡松散岩土的坡角大于其内摩擦角时，导致表层蠕动进一步发展，使岩土体沿着剪切变形带顺坡滑移、转动与坐塌。岩块流动则常发生在均质硬岩中，当岩石达到其峰值强度时，岩体发生破坏，导致岩体全面崩塌，考虑表层土壤的含水率对边坡稳定性的影响，观察其不同轴向的位移，如图2所示。X轴为横向位移方向，Z代表纵向位移方向。可以看出，随着含水率的增加，其X轴向和Z向轴向的位移值均逐渐增加，当含水率值高于12%时，其Z轴向位移增加值要明显大于X轴向的增加值，表明随着含水率的增加边坡各个方向的位移增量发展并不均衡，边坡的稳定性遭到破坏。

对A、B、C、D 四个位置点的边坡稳定性进行分析，如图3所示。从图4可以看出在A、B、C、D四个位置点的边坡稳定性系数存在较大差别，其中D点处的稳定性最强，其稳定性系数值约为2.548，在其他三个位置点的稳定性系数值偏低，稳定性系数值均低于1.5，可见不同位置的边坡稳定性系数存在较大差异，从边坡剩余下滑力可以看出，边坡剩余下滑力与边坡稳定性系数关系呈负相关，边坡稳定系数与剩余滑力未表现出明显的相关性。

2 山区公路边坡支护设计

2.1 预应力锚杆成孔支护

锚杆成孔支护是加强边坡稳定性的重要手段，被广泛应用于山区边坡支护的工程建设中。该支护方式主要是采用预应力锚杆去改变边坡岩土层的稳定性，通过增加预应力锚杆以提高边坡滑移面应力值，预应力锚杆可以有效抵消边坡长时间在自身荷载作用下所产生的拉力，增强锚杆的使用寿命。采用锚杆与混凝土共同作用可以增强锚杆与岩层之间的作用力，有效抑制滑坡现象的发生，为进一步分析预应力锚杆对边坡的支护效果，该文分析了采用预应力锚杆加固前后的岩体力学性能指标的变化情况，如图4所示。

混凝土强度C值和抗折强度值Rb的改变会影响到岩体的抗剪强度值Ro，加固前后的混凝土强度C值和抗折强度值Rb均逐渐增加，而岩体的抗剪强度值Ro增加较大，加固后的抗剪强度值约为加固前抗剪强度值的2.5倍，由此可以看出采用预应力锚杆支护可以有效提高岩体的抗剪强度值，可以有效减弱边坡下滑的趋势，从而提高边坡的稳定性。

2.2 格构加固技术

格构加固技术是在采用预应力锚杆技术层面上的一种升级的边坡支护技术，采用该技术可以更有效地提高边坡的稳定性。格构加固技术除了应用预应力锚杆技术以外，同时还需要利用现浇混凝土和预拌混凝土，采用砌块石构成钢筋混凝土框架结构，该结构可以承受来自锚杆构件压力，作为一种受弯压构件，在维护边坡稳定性的过程中起到传递力的作用，属于支撑结构。对边坡起到固定作用的是锚杆，锚杆将力传递给格构框架，框架将其所受到的力传递给周围土体，进行均匀分配，此框架结构多为十字形状，除可以对边坡起到加固作用外，还可以在格构框架内种植植物，进行边坡美化，更好地提高边坡加固效果。

2.3 植被及柔性支护

采用植被支护是支护方式中较为有效的一种支护方式，植被支护通常可以采用种植草类的方式进行支护设计，对于采用该种方式的边坡对坡面的坡度和水的流速具有一定的要求，边坡的坡度比不能超过1∶1，水的流速要低于0.65 m/s[7]。种植草的方式主要通过散播、喷播和客土喷播的方式，其中第一种方式适用于边坡土层较为松软的地带，并且边坡坡度较为缓和的地带，边坡土层为沙土、粉质黏土和堆积土时多采用该种播种方式。对于土层黏土层较薄、多为砂砾土层时多采用喷播的方法，客土喷播是将固体的肥料先填入提前挖好的洞穴，然后再播种上种子，该种方法可以改善原有土壤的特性，增强种子的成活率，有利于提高边坡支护的效果。柔性支护主要采用边坡防护网，其材质为塑料材质，是一种多层的塑料防护网，抗拉强度较高，属于一种立体结构网，利用该种柔性结构网将边坡进行覆盖，可以降低雨水及大风等恶劣天气对公路边坡带来的不良影响，增强边坡的稳定性。

3 结论

公路工程体系建设的发展持续加快，山区公路工程建设也进展迅速，由于山区地理环境相对特殊，地形较为复杂，多山地，且地势较高，起伏较大，进行山区公路建设需要考虑地形因素，山区公路边坡稳定可以减少灾害事故的发生，保障了行车的安全性。基于此，该文对山区公路边坡稳定性及支护设计进行研究，得到以下结论：

（1）在边坡破坏过程中，其塑性应变逐渐延伸到边坡顶部，在某一方向上的边坡移动的位移较大，边坡的稳定系数下降。对边坡的剪力进行分析，边坡在被破坏的过程中其剪力的分布也逐渐重新分布，同时剪力分布范围也会逐渐增大，表明边坡稳定性在被破坏的过程中，其剪力也进行了重新分布。

（2）边坡剩余下滑力与边坡稳定性系数关系呈负相关，边坡稳定系数加大时，其剩余下滑力较小，说明此处的边坡稳定性相对较高。可以采用预应力锚杆、格构加固、植被及柔性支护方式进行边坡加固，其中采用预应力锚杆支护加固后的抗剪强度值约为加固前抗剪强度值的2.5倍，可以有效减弱边坡下滑的趋势，从而提高边坡的稳定性。

参考文献

[1]林国进，卿福民，陈家强.基于Midas/GTS对某边坡支护工程施工过程的稳定性分析[J].安阳工学院学报，2024（2）：100-104.

[2]杨丽君，赵叶江.基于FLAC3D的边坡支护方案优化研究[J].黑龙江科学，2024（2）：51-55.

[3]桑伟宁，吴红波.山区高速公路高边坡稳定性分析及动态设计[J].安徽建筑，2021（9）：149-152.

[4]蒙朝忠.山区公路路基边坡稳定性分析及支护设计的实例[J].中国高新科技，2021（16）：126-127.

[5]唐荣，李云霞.山区高速公路挖方路基边坡稳定性及动态设计分析[J].工程技术研究，2020（20）：193-194.

[6]蔡益丰，李志宽，沈朱斌.降雨条件下复杂地质边坡稳定性动态分析[J].北方交通，2023（9）：25-29.

[7]李春意.排水固结加固软土堤防稳定性分析[D].杭州：浙江大学，2023.

收稿日期：2024-05-22

作者简介：张潇（1991—），女，本科，工程师，从事交通勘察与设计工作。