柳 斌

（新疆立弓交通勘察設計研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 831401）

引言

高邊坡在改善公路線型的同時，增加了路基發(fā)生滑坡或是塌方的風險，對交通各方參與者帶來潛在生命財產(chǎn)損失威脅。為降低高邊坡帶來的風險，增強高邊坡路基穩(wěn)定性，需對路基高邊坡進行精準地穩(wěn)定性分析，提出對應防護措施［1］。發(fā)達國家針對路基高邊坡穩(wěn)定性的研究起步較早，形成了一套綜合的邊坡防護體系，邊坡防護的信息化程度也相對較高［2］。國內(nèi)針對路基邊坡穩(wěn)定性加固的應用和研究則相對薄弱，系統(tǒng)性、全面性的研究仍有較大的發(fā)展空間，還未形成全方位的指導性規(guī)范。國內(nèi)常采用兩種方案實現(xiàn)路基邊坡防護，包括坡面防護和坡體加固［3］。

路基邊坡穩(wěn)定性分析方法的研究及應用成果體現(xiàn)在三個層面，包括定性分析法，根據(jù)路基邊坡的工程地質(zhì)勘測結(jié)果，對路基邊坡可能發(fā)生的破壞形式、破壞直接原因以及破壞力學機理等內(nèi)容進行定性分析，可以快速得出路基邊坡穩(wěn)定性評價結(jié)果，但無法定量展開討論，較為依賴個人工程實踐經(jīng)驗［4］。隨著技術(shù)發(fā)展和研究深入，路基穩(wěn)定性的定性分析方法也得以實現(xiàn)，以莫爾-庫倫定律為基礎的極限平衡方法，計算過程簡潔，適用范圍廣泛，將諸多靜不定問題轉(zhuǎn)化為靜定問題進行求解，可得到最危險滑動面［5］。數(shù)值分析法能將路基土體的非均質(zhì)、變形大以及不連續(xù)特征納入考慮，可通過調(diào)整單元參數(shù)劃分決定計算精度，常見有限元、離散元、FLAC 法邊界元法等［6］?，F(xiàn)有針對路基邊坡穩(wěn)定性分析方法的研究，并未在針對路基高邊坡的分析上展開具體討論，缺少合理分析方法的對比。

1 工程數(shù)據(jù)

工程項目地處低山丘陵區(qū)，建設范圍內(nèi)地形地貌復雜多變，起伏不平，海拔高度處于980～1 750 m 范圍，相對高差平均50 m，最大處可達500 m，多分布有低山丘陵，V 型沖溝豐富。

該二級公路路基施工項目劃分為2 標段，包含31 處高路堤和5 處深路塹。其中高路堤的最大填土高度為39 m，由上往下每7 m 設有一處寬為3 m、外傾橫坡為2%的平臺，平臺中設計有截水溝；深路塹最大挖深達41 m，由上往下每5 m 設有一處寬為4 m、外傾橫坡為2%的平臺，同樣在平臺中設計有截水溝。

2 穩(wěn)定性數(shù)據(jù)分析計算

根據(jù)現(xiàn)行路基設計規(guī)范，對路基邊坡進行穩(wěn)定性計算時，宜采取簡化Bishop 法，為了對比不同計算分析方式對路基高邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果的影響規(guī)律，分別選取數(shù)值模擬分析方法ABAQUS 軟件分析和基于極限平衡法的理正巖土分析軟件，將兩種計算分析結(jié)果相互對比驗證。選取7 個代表性路基邊坡土體土樣指標參數(shù)，見表1。

表1 土樣指標參數(shù)

2.1 ABAQUS 軟件分析

常規(guī)的主線路基邊坡呈軸對稱，對稱軸兩側(cè)的力學分布規(guī)律可認為二者一致，因此，在利用ABAQUS 軟件進行分析時僅需考慮其中一半，有限元數(shù)據(jù)模型設計見圖1。

圖1 有限元數(shù)據(jù)模型設置

設置路基邊坡土體材料滿足莫爾-庫倫定律假設，設置公路基層土體材料泊松比為0.24，彈性模量取20 MPa；設置公路邊坡土體材料泊松比為0.32，彈性模量取16 MPa。搭建了2D 可變有限元數(shù)據(jù)模型，采取CPE4 單元形式劃分路基高邊坡有限元數(shù)據(jù)模型的網(wǎng)格形式，在模型下部設置了橫向X 軸方向和豎向Y 軸方向約束，兩側(cè)端部設置了橫向X 軸方向約束，模型的網(wǎng)格劃分示意，見圖2。

圖2 有限元數(shù)據(jù)模型尺寸設置

2.2 理正巖土軟件分析

為有效且快捷地利用理正巖土分析軟件計算路基高邊坡的穩(wěn)定性結(jié)果，選取等層厚的路基高邊坡土體單元作為計算單元，采取簡化Bishop 法多次計算得出最危險滑動土層交界面。數(shù)據(jù)計算模型多次計算對比過程中設置的半徑步長為50 cm，圓心步長為100 cm，土層的條帶寬度同樣設置為100 cm。

3 數(shù)據(jù)計算結(jié)果

3.1 ABAQUS 分析結(jié)果

分析過程中以具代表性的BD3 路基高邊坡土體模擬計算分析結(jié)果展開說明，路基高邊坡失穩(wěn)的標志以計算結(jié)果不收斂作為表征。利用ABAQUS 軟件在模擬驗算至第二分析步0.651 2 時達到不收斂閾值，此時對應的折減系數(shù)值為2.345 21，安全系數(shù)可取2.345，模擬計算得到的路基高邊坡塑性應變情況見圖3。可以明顯發(fā)現(xiàn)其塑性應變已貫穿路基高邊坡全范圍，出現(xiàn)了一個危險滑動面，與之對應的節(jié)點空間位移情況見圖4。ABAQUS 有限元分析法可較好地分析應力、應變以及變形發(fā)展。同理，可計算得到各標段路基高邊坡的安全系數(shù)情況。

圖3 塑性應變

圖4 節(jié)點空間位移

3.2 理正巖土軟件分析結(jié)果

以具代表性的BD3 路基高邊坡土體模擬計算分析結(jié)果展開說明，通過理正巖土分析軟件的數(shù)值計算過程，可以得到最不利滑動面對應的圓弧位置，并確定其圓弧半徑為118.217，圓心坐標為（8.064，117.946），安全系數(shù)是2.358，數(shù)據(jù)驗算結(jié)果見圖5。理正巖土分析軟件具有模擬計算快捷簡便的優(yōu)勢。同理，可計算得到各標段路基高邊坡的安全系數(shù)情況。

圖5 理正巖土分析軟件數(shù)據(jù)模型

各標段路基高邊坡的ABAQUS 安全系數(shù)分析結(jié)果及理正巖土軟件安全系數(shù)分析結(jié)果見表2。

表2 安全系數(shù)對比情況

可以發(fā)現(xiàn)，兩種方法的穩(wěn)定性驗算結(jié)果較為接近，整體上可以反映出各標段路基高邊坡的安全性變化規(guī)律。施工項目各標段的路基高邊坡安全系數(shù)均滿足規(guī)范≥1.25 的要求，同時，存在設計過于保守的問題。

4 防護措施方案

保守的路基高邊坡形式設計能夠保證邊坡穩(wěn)定性得到充分保證，但會造成較大的資源浪費，因而提出有效的路基高邊坡防護措施顯然具有重要意義。

4.1 抹面

當路基高邊坡土體為土質(zhì)或軟巖時，易發(fā)生沖刷或風化病害時，可考慮利用水泥砂漿或是石灰混合料等原材料進行抹面處置，但此方法在高等級公路的邊坡防護應用中有著明顯的局限性。

4.2 噴射混凝土

為有效組織地表水侵入路基高邊坡，將其上的裂隙、孔隙封閉可有效實現(xiàn)增強邊坡穩(wěn)定性的目標，噴射混凝土效果明顯且施工便利。缺陷則在于原材料成本較高、施工精度難以把控、生態(tài)環(huán)境破壞嚴重等。

4.3 植草

對于一些邊坡坡度相對較為緩和、沖刷不嚴重以及土質(zhì)適合植草的路基高邊坡路段，可考慮采用植草方案實現(xiàn)邊坡穩(wěn)固、增強穩(wěn)定性。采用此方案的優(yōu)勢在于能夠營造良好的公路景觀，能夠營造和諧的自然生態(tài)，缺點在于無法保證植草的高成活率。

4.4 砌石

砌石防護方案可顯著提升路基高邊坡的穩(wěn)定性，目前常見的砌石方法包括有護面墻、干砌片石以及漿砌片石等。分別適用于軟質(zhì)巖層、易風化軟巖以及水侵蝕嚴重的場景，砌石方法優(yōu)勢明顯，得到廣泛地應用。

5 結(jié)語

（1）ABAQUS 分析和理正巖土軟件分析得到的安全系數(shù)結(jié)果較為接近。（2）ABAQUS 有限元分析法可較好地分析應力、應變以及變形發(fā)展，而理正巖土分析軟件具有模擬計算快捷簡便的優(yōu)勢，實踐過程中應將二者結(jié)合應用。（3）該路基高邊坡建設工程的高邊坡路基均滿足穩(wěn)定性要求，設計存在過于保守的問題。（4）可綜合利用抹面、噴射混凝土、植草以及砌石等方案保證路基高邊坡穩(wěn)定性。