潘天軍

（貴州省公路工程集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550001）

0 引言

高速公路施工階段，需進(jìn)行土石方開挖及回填，特別是在山區(qū)高速公路工程中，高填深挖邊坡很常見，該類邊坡穩(wěn)定性較差，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較高[1]。近些年，業(yè)界就此類邊坡的穩(wěn)定性開展深入研究，結(jié)合高速公路工程實(shí)踐分析高填深挖路基邊坡的穩(wěn)定性影響因素，發(fā)現(xiàn)降雨對(duì)此類路基邊坡的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響較大，易引發(fā)邊坡滑坡及沖刷破壞等。因此，施工時(shí)需采取有效的加固措施進(jìn)行邊坡加固，并做好邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。為確保邊坡在運(yùn)營(yíng)階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，需深入調(diào)查邊坡區(qū)域地質(zhì)、水文條件，確保加固措施的可行性，有效減少邊坡失穩(wěn)的出現(xiàn)[2-3]。

1 高填深挖路基邊坡破壞形式及機(jī)理

1.1 邊坡破壞形式

高速公路邊坡失穩(wěn)的表現(xiàn)主要有滑坡、垮塌，其中滑坡最常見，破壞力也很大，滑坡的形成機(jī)制是部分邊坡面出現(xiàn)位移，土體沿著位移面滑動(dòng)，最終導(dǎo)致滑坡[4]?；诓煌男纬蓹C(jī)理，滑坡可分為牽引式滑坡、滑移式滑坡兩類；崩塌也是一種較為常見的邊坡失穩(wěn)形式，在自重的作用下，部分邊坡土體突發(fā)崩落，崩塌多出現(xiàn)在坡度較陡的邊坡。

1.2 路堤邊坡破壞機(jī)理

高速公路路堤邊坡破壞主要是坡腳、邊坡表面的沖刷破壞，河流附近的路堤會(huì)受到雨水沖刷，且強(qiáng)降雨可能引發(fā)洪水，持續(xù)沖刷路堤坡腳，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。邊坡表面的結(jié)構(gòu)破壞則與降雨形成的地面徑流有關(guān)，雨水在邊坡表面形成徑向溝槽，隨著降雨的持續(xù)，徑向溝槽持續(xù)擴(kuò)張，最終引發(fā)路基邊坡破壞失穩(wěn)。

1.3 路塹邊坡破壞機(jī)理

路塹邊坡破壞失穩(wěn)與地質(zhì)條件密切相關(guān)，地質(zhì)條件的影響包括以下幾點(diǎn)：

（1）路塹邊坡巖土體的力學(xué)性能因風(fēng)化作用變差，使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性減弱，最終引發(fā)邊坡失穩(wěn)。

（2）開挖路塹邊坡后未第一時(shí)間做好邊坡表面防護(hù)，導(dǎo)致外露的邊坡在外部影響因素的作用下出現(xiàn)失穩(wěn)。

（3）降雨時(shí)，邊坡表面雨水滲入邊坡結(jié)構(gòu)內(nèi)部，導(dǎo)致邊坡土體自重增加的同時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，在自重作用下，部分邊坡土體下滑，出現(xiàn)失穩(wěn)。

2 邊坡穩(wěn)定性影響因素

結(jié)構(gòu)因素：直接影響巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，邊坡結(jié)構(gòu)面尺寸、幾何形狀、土體性質(zhì)、空間分布等因素對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)有直接影響[5]。因此，僅定性分析邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不能作為邊坡加固處理的全部依據(jù)，還應(yīng)關(guān)注邊坡結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

含水率因素：水對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在邊坡土體自重的增加及其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低，含水率與邊坡土體自重成正比，與其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度成反比，外在表現(xiàn)為邊坡的下滑力增加以及抗滑力的降低，當(dāng)前者超過后者時(shí)邊坡土體出現(xiàn)滑移，進(jìn)而引發(fā)邊坡失穩(wěn)。

施工因素：高速公路路基工程施工階段，邊坡開挖會(huì)破壞邊坡內(nèi)部的應(yīng)力平衡，使得應(yīng)力重新分布。如施工過程中未采取措施進(jìn)行坡面加固，在雨水沖刷等環(huán)境因素的影響下，邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸降低。此外，對(duì)于需開展爆破作業(yè)的巖質(zhì)邊坡，爆破形成的沖擊力也破壞邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增加邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

3 高填深挖路基邊坡穩(wěn)定性分析方法

3.1 定性分析法

工程類比法、圖解法是實(shí)踐中應(yīng)用較多的定性分析邊坡穩(wěn)定性的方法。其中，工程類比法的基本原理是依據(jù)邊坡地質(zhì)條件、土體性質(zhì)及是否發(fā)生過滑坡等條件尋找與當(dāng)前工程類似的路基邊坡工程實(shí)例，并進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)二者的異同，根據(jù)分析結(jié)果定性分析邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[6]。圖解法的基本原理是根據(jù)赤平極射投影原理，在同平面上投影邊坡產(chǎn)狀、巖土體結(jié)構(gòu)面，觀察二者的水平投影關(guān)系，確定邊坡的可能滑動(dòng)面，從而實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性的定性分析。

3.2 定量分析法

在定性分析的基礎(chǔ)上，定量分析高填深挖路基邊坡穩(wěn)定性可進(jìn)一步提高邊坡穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，為加固邊坡提供可靠依據(jù)?，F(xiàn)階段應(yīng)用較多的定量分析方法包括極限平衡分析法、數(shù)值分析法。

3.2.1 極限平衡分析法

在工程實(shí)踐中，極限平衡分析法的應(yīng)用較多，其基本原理是根據(jù)力學(xué)平衡原理，通過計(jì)算確定邊坡的潛在滑動(dòng)面，進(jìn)而得到合理的邊坡安全系數(shù)。極限平衡分析法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括分析邊坡滑坡面形態(tài)、邊坡滑坡范圍，極限平衡分析法可進(jìn)一步分為畢紹普法、簡(jiǎn)布法等，可以直觀高效地進(jìn)行計(jì)算分析。

3.2.2 數(shù)值分析法

現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷進(jìn)步的背景下，數(shù)值分析法應(yīng)運(yùn)而生，常用的數(shù)值分析法包括離散元法、有限差分法、有限單元法等。其中有限單元法應(yīng)用最多，其主要特點(diǎn)在于將邊坡土體的地質(zhì)條件考慮在內(nèi)，可以全面客觀地體現(xiàn)工程實(shí)際情況，根據(jù)邊坡結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力分析其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但該方法要求數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，需保證初始數(shù)據(jù)誤差在合理范圍[7]。

離散元法可有效解決有限單元法存在的問題，能夠直觀呈現(xiàn)邊坡位移等關(guān)鍵狀態(tài)，適用于塊裂巖土體邊坡穩(wěn)定性分析，但離散元法也存在缺點(diǎn)，如離散元計(jì)算時(shí)步小，很難確定相關(guān)系數(shù)[8]。

由此可見，合理運(yùn)用數(shù)值分析方法可以解決傳統(tǒng)分析方法無法觀測(cè)邊坡失穩(wěn)過程的問題，但需先進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、參數(shù)驗(yàn)算，對(duì)技術(shù)人員的專業(yè)能力要求更高。因此，在高速公路路基工程中需綜合運(yùn)用極限平衡法、數(shù)值分析法，互為補(bǔ)充，彼此驗(yàn)證，以有效提高邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果的可靠性。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

某山區(qū)高速公路為雙向四車道設(shè)計(jì)，起點(diǎn)樁號(hào)K70+800，終點(diǎn)樁號(hào)K72+800，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基設(shè)計(jì)寬度26.5 m，公路沿線共設(shè)置大中橋9座，天橋4座，匝道現(xiàn)澆橋2座，路基總長(zhǎng)度19 km，挖方量為573萬m3，填方量366.7萬m3。多路段需進(jìn)行高填深挖，高填深挖邊坡坡度范圍26°～32°，絕對(duì)高程180～285 m，相對(duì)高差28 m。

4.2 自然條件及施工環(huán)境

4.2.1 地形和地貌

該高速公路工程地處丘陵山區(qū)，地勢(shì)東低西高，海拔平均900 m，海拔最低點(diǎn)在（南池鄉(xiāng)二神口）916 m，區(qū)域內(nèi)溝壑縱橫，地形復(fù)雜。施工區(qū)域存在農(nóng)田以及山坡植被，坡面植被主要為雜草、灌木。

4.2.2 氣象和水文

該公路工程所在區(qū)域?yàn)閬啛釒夂?，夏熱冬暖，降雨較多，四季分明，光照充足。根據(jù)往年降雨量數(shù)據(jù)計(jì)算可知年均降雨量1 332.9 mm，4—7月為雨季，降雨量占全年降雨量的85%，年平均氣溫9.3 ℃，年平均相對(duì)濕度70%，凍土深度最大約75 cm，無霜期約157天。由于該地區(qū)降雨量大，公路邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較高。因此，雨季來臨前需做好邊坡穩(wěn)定性分析，根據(jù)分析結(jié)果采取針對(duì)性的邊坡加固措施，以有效確保高填深挖邊坡穩(wěn)定。

4.3 極限平衡分析

公路K57+850右塹斷面如圖1所示，通過極限平衡分析邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，邊坡高47.23 m，邊坡結(jié)構(gòu)面傾角29.0°，邊坡加固方式為錨桿加固，邊坡結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角為25.3°、黏結(jié)力為33.4 kPa。利用理正軟件、極限平衡分析法中的圓弧滑動(dòng)面法求得邊坡安全系數(shù)為1.302＞1.2（規(guī)定安全系數(shù)），表明邊坡穩(wěn)定。

圖1 右側(cè)路塹斷面（單位：m）

4.4 數(shù)值分析

通過ABAQUS開展有限元分析，數(shù)值模型如圖2所示。該公路右側(cè)路塹邊坡屬于Ⅴ級(jí)邊坡，數(shù)值模型高95 m，寬180 m，邊坡土體性質(zhì)從上到下依次為強(qiáng)、中風(fēng)化粉砂巖，基于摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型建立數(shù)值模型，除上表面外，模型其他邊界均做位移約束，加固錨桿幾何尺寸為18×1 000 mm2。天然土體物理力學(xué)參數(shù)以及加固錨桿基本參數(shù)如表1所示。

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)和錨桿性能

圖2 數(shù)值模型

進(jìn)行錨桿加固后的邊坡土體塑性云圖如圖3所示，存在貫通畫面，邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性處于臨界態(tài)，利用圓弧滑動(dòng)面法求得邊坡結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.094＜1.2，表明邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性欠缺，需加強(qiáng)邊坡加固，以有效提高邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖3 開挖完成后的塑性區(qū)云圖

4.5 加固措施

（1）邊坡支擋：該措施的主要作用是提高邊坡土體的抗滑力，從而有效提高邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，是路基邊坡結(jié)構(gòu)加固的最有效方法。在工程實(shí)踐中可結(jié)合多種邊坡支擋方法進(jìn)行綜合運(yùn)用，最大限度地減少雨水沖刷破壞，起到加固坡體、防護(hù)坡面的作用。

（2）邊坡排水：邊坡土體含水率直接關(guān)系到邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，邊坡表面的積水以及邊坡土體內(nèi)部的水都會(huì)給邊坡穩(wěn)定造成負(fù)面影響。因此，需做好邊坡排水措施。常用邊坡排水措施主要分為邊坡表面排水措施與邊坡土體排水措施[9]。其中邊坡表面排水措施是指截引邊坡表面的地表水，確保其順暢排出，避免積水徑流在邊坡表面形成溝槽，破壞邊坡結(jié)構(gòu)。邊坡土體排水措施是指疏排地下水，主要排水設(shè)施包括滲溝、盲溝、滲井等。

該高速公路工程路塹較深，邊坡級(jí)數(shù)較多，坡度較大，邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，特別是在降雨情況下，邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)明顯增加。因此，需對(duì)第一、二級(jí)邊坡采取混凝土框架植草加固，對(duì)第三、四級(jí)邊坡采取錨桿加固，對(duì)頂級(jí)邊坡進(jìn)行掛網(wǎng)植草加固[10]。

5 結(jié)論

綜上所述，該文從高填深挖路基邊坡破壞形式及機(jī)理出發(fā)，分析了不同工況下的邊坡穩(wěn)定性，并以工程實(shí)踐為依托，提出了邊坡加固措施并得出以下結(jié)論：

（1）施工前需認(rèn)真制定施工方案、邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方案，實(shí)時(shí)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，施工時(shí)應(yīng)采用合理的邊坡加固措施。

（2）合理運(yùn)用極限平衡法、數(shù)值分析法等定量分析方法，互為補(bǔ)充、彼此驗(yàn)證，以有效提高分析結(jié)果的正確性。

（3）針對(duì)多級(jí)路塹邊坡，需對(duì)第一、二級(jí)邊坡采取混凝土框架植草加固，對(duì)第三、四級(jí)邊坡采取錨桿加固，對(duì)頂級(jí)邊坡進(jìn)行掛網(wǎng)植草加固。