王 前

（中交綜合規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100024）

0 引言

公路邊坡失穩(wěn)問題在公路施工中一直是一個(gè)嚴(yán)重的技術(shù)難題，一旦發(fā)生失穩(wěn)，可能會(huì)引發(fā)災(zāi)害性交通事故，導(dǎo)致路面塌陷，公路損毀，給公路使用造成嚴(yán)重影響，增大了交通安全風(fēng)險(xiǎn)。在公路建設(shè)中，邊坡治理和加固成本高昂，若采取不恰當(dāng)?shù)拇胧┛赡軐?dǎo)致資源浪費(fèi)。從技術(shù)角度來看，需深入研究邊坡的地質(zhì)特征，建立準(zhǔn)確的力學(xué)模型和計(jì)算方法，以評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。

目前已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員針對(duì)公路邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了大量攻關(guān)。何如許[1]在錦屏一級(jí)水電站左岸坡地表及深層進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，通過對(duì)其連續(xù)變形現(xiàn)象的力學(xué)機(jī)制分析，結(jié)果表明傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法主要基于經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確性和可靠性有一定局限，需要進(jìn)一步研究和開發(fā)先進(jìn)的技術(shù)和方法，以提高邊坡穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確性和工程實(shí)用性。

在邊坡加固方面，研究錨固技術(shù)的應(yīng)用和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，可以提高邊坡的抗滑能力并降低工程成本。史彧[2]通過 Flac3D 建立有限差分模型，研究預(yù)應(yīng)力錨索加固巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律，并優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，在最優(yōu)范圍內(nèi)增加錨索長(zhǎng)度與邊坡穩(wěn)定性正相關(guān)，對(duì)于順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性，傾角變化影響并不明顯，而適當(dāng)增加預(yù)應(yīng)力則能提高支護(hù)效果。李劍[3]利用高陡邊坡計(jì)算模型，綜合考慮坡巖土體強(qiáng)度減低系數(shù)，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)力會(huì)迅速增加，尤其是錨索靠近坡腳處，其內(nèi)力增加更為明顯，當(dāng)減低系數(shù)一旦超過邊坡安全系數(shù)時(shí)，其內(nèi)力增加的速度就會(huì)更快。

在這樣的背景下，對(duì)于公路路基邊坡穩(wěn)定性分析和錨固優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究亟須進(jìn)一步研究。通過深入研究公路路基邊坡的地質(zhì)背景和特征，建立準(zhǔn)確的力學(xué)模型和計(jì)算方法，評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，為公路建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)，提高公路系統(tǒng)的安全性和可持續(xù)發(fā)展能力。

1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

1.1 極限平衡分析法

在坡面穩(wěn)定性分析中，應(yīng)用較多的是極限平衡法(極限平衡法)，也是設(shè)計(jì)程序中使用頻率最高的一種，算是一種數(shù)值分析法。極限平衡法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單的力學(xué)模型可以定量評(píng)估斜坡的穩(wěn)定性，但是只能提供所有可能危險(xiǎn)滑行范圍內(nèi)斜坡中的應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)；雖然在處理均勻土質(zhì)邊坡時(shí)方法比較可靠，而在涉及復(fù)雜介質(zhì)和邊界的巖質(zhì)滑坡體時(shí)，僅能提供一定程度的估計(jì)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況可能相差較大。

1.2 極限分析法

塑性極限分析法是根據(jù)極限狀態(tài)下自重和外荷載所做的功等于滑裂面上阻力所消耗的功的條件，求解極限荷載和邊坡安全系數(shù)的方法，將滑坡體作為服從流動(dòng)規(guī)律的理想塑性材料。這種方法將上限和下限定理與塑性極限分析相結(jié)合。

塑性極限分析法給出了在理想條件下才能得到邊坡穩(wěn)定解析解的邊坡安全系數(shù)范圍。此外，對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響，復(fù)雜的荷載、滲流等因素也很難考慮這種方法。所以，在實(shí)際運(yùn)用中，需要注意其局限性。

1.3 數(shù)值計(jì)算法

在坡面穩(wěn)定性分析中，常用的數(shù)值方法有離散單元法、 Flac3D、Limited 元法等。這些方法適用條件不同，利弊得失也不同。離散單元方法和 Flac3D 主要是處理離散問題、非連續(xù)性問題和變形較大的問題。可以考慮巖土體的斷裂和破碎行為，但其理論基礎(chǔ)相對(duì)較為復(fù)雜，需要對(duì)模型進(jìn)行合理的離散化設(shè)置。有限元法（Limited Method）是一種應(yīng)用廣泛、理論基礎(chǔ)成熟的數(shù)值方法。可以考慮巖土體的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，以及滑體和支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互影響。流形元法將有限元法和離散單元法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，可以對(duì)連續(xù)到非連續(xù)的巖土體大變形過程進(jìn)行有效的計(jì)算，能夠更準(zhǔn)確地描述巖土體的斷裂和破壞行為，在處理復(fù)雜邊坡問題時(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)。這些方法推動(dòng)了邊坡破壞機(jī)制認(rèn)識(shí)的發(fā)展，并作為邊坡工程設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的依據(jù)。

2 邊坡錨固機(jī)理及計(jì)算模型的建立

2.1 邊坡錨固機(jī)理

路基邊坡在自然狀態(tài)下，承受滑動(dòng)面上方巖土體的切向力、滲透力等作用，同時(shí)還承受其他荷載。滑坡面巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)主要依賴于邊坡的穩(wěn)定性。在坡面工程中應(yīng)用了錨固技術(shù)，以增強(qiáng)坡面穩(wěn)定性。錨固技術(shù)通過設(shè)置錨桿或索，將其與邊坡和周圍巖土體緊密連接。錨桿或索的固定和深入長(zhǎng)度能夠產(chǎn)生摩擦力、摩托力和抗拉強(qiáng)度，從而分擔(dān)邊坡荷載并增加抗滑能力。通過合理布置錨桿或索形成穩(wěn)定的支撐系統(tǒng)，可以提高邊坡的抗傾覆能力。錨固作用力的作用使坡面各力系保持平衡，從而使坡面穩(wěn)定性得到保證。錨固力一定要能在滑行面上平衡作用的力量，保證其抗滑力力矩比下滑力力矩要大，這樣才能防止對(duì)邊坡造成不穩(wěn)定的破壞，這就是錨固力的作用，具體見公式（1）。

式中，∑ΔN——所有錨索受力變化量的總和；∑C——表示所有錨桿的剛度之和；ΔL——表示錨索長(zhǎng)度的變化量；∑ΔT——所有附加載荷的總和；f——表示錨索摩擦系數(shù)的大小與某一固定件的摩擦特性；r——錨桿與巖體之間的距離。

公式（1）左側(cè)的部分表示錨固系統(tǒng)的抗滑力，由錨索受力、摩擦力和錨桿剛度共同作用產(chǎn)生。右側(cè)的部分表示附加載荷施加在錨固系統(tǒng)上產(chǎn)生的滑移力。當(dāng)公式左側(cè)的抗滑力要大于等于右側(cè)的滑移力時(shí)，可以確保錨固系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

錨桿是一種用于防止邊坡塌方的加固技術(shù)，通過將錨桿插入穩(wěn)定地層并與巖土體相互作用，利用穩(wěn)定地層的錨固效應(yīng)和被動(dòng)性抵抗能力，將滑坡體產(chǎn)生的推力傳遞到更深的地下，從而保持邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。錨桿通過與潛在滑動(dòng)面上的巖土體相互作用，防止滑坡體滑落。發(fā)揮錨桿錨固作用的關(guān)鍵是合理確定約束點(diǎn)的數(shù)量、位置和強(qiáng)度安排。只有當(dāng)這些約束點(diǎn)的布置與設(shè)計(jì)合理時(shí)，錨桿才能有效地保持邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)仁龍[4]通過以國(guó)道望冊(cè)公路沿線邊坡穩(wěn)定性分析為背景，得出如下研究結(jié)果：錨桿支護(hù)可以顯著減小坡體的變形量，同時(shí)防止塑性區(qū)形成貫通帶，提高滑體的穩(wěn)定性。雷越[5]在河南南陽內(nèi)鄉(xiāng)西站附近工點(diǎn)巖坡變形規(guī)律分析通過極限平衡法、FLAC3D 數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)得出邊坡安全系數(shù)，邊坡錨桿通過正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)確定最佳錨固組合。因此，在實(shí)際工程中，為保證邊坡的穩(wěn)定性，需要針對(duì)具體情況，設(shè)計(jì)布置合理的錨桿。

2.2 邊坡計(jì)算模型建立

該公路工程項(xiàng)目位于西南地區(qū)，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km，雙向四車道。工程采用了現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，旨在提供高效、安全的交通通行條件。這條路最大的一條挖方坡，是一個(gè)高38 m、坡度達(dá)60°的斜坡。道路設(shè)有坡面等級(jí)，坡面總高度30 m，分為每級(jí)10 m 的3 個(gè)等級(jí)，并設(shè)有寬2 m 的平臺(tái)。這樣的設(shè)計(jì)在提高邊坡穩(wěn)定性的同時(shí)，減少了土方開挖量。邊坡模型如圖1 所示。

圖1 邊坡模型示意圖

3 錨固參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力錨索的使用，對(duì)邊坡穩(wěn)定性起到明顯改善作用，減少了坡面位移。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，預(yù)應(yīng)力錨索的傾角、間距和長(zhǎng)度是影響加固效果的主要因素。為了確保邊坡的穩(wěn)定性，并使預(yù)應(yīng)力錨索發(fā)揮最佳作用，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以確定最合適的錨固參數(shù)。

3.1 傾角優(yōu)化設(shè)計(jì)

在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，錨索的傾角是關(guān)鍵因素。錨索傾斜度較大，影響了錨固作用。為保證注漿飽和度符合設(shè)計(jì)要求，在進(jìn)行錨索鉆孔前需要進(jìn)行注漿處理。錨索的斜角和橫向夾角要達(dá)到10°以上。然而，過大的傾角也不利于錨固效果，因此規(guī)范規(guī)定了錨索傾角的取值范圍為10~35°。設(shè)計(jì)的時(shí)候要綜合各方面的因素，選擇最好的傾斜角度，這樣才能起到拋錨的效果。

為研究錨索傾斜度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，采用控制變量法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保持錨索長(zhǎng)度（15 m）和垂直間距（2 m）不變的情況下，通過軟件將錨固角分別設(shè)置 為10°、12°、14°、16°、18°、20°進(jìn) 行 分 析。如 圖2所示為錨索布置，如圖3 所示為邊坡穩(wěn)定性受到錨索傾斜影響的結(jié)果。通過這樣的設(shè)計(jì)方式，可以更好地理解錨索傾斜程度對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響，同時(shí)也可以找到最佳狀態(tài)的傾斜數(shù)值。這將有助于指導(dǎo)實(shí)際工程中的邊坡設(shè)計(jì)和錨固施工。

圖2 錨索布置圖

圖3 不同傾角下的安全系數(shù)變化圖

從圖3 可以觀察到坡度的安全系數(shù)隨著傾斜度的提高而逐漸降低。這同時(shí)也意味著邊坡的水平位移也呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)。通過前面的分析可以知道，邊坡失穩(wěn)的原因主要是巖層之間存在著薄弱的結(jié)構(gòu)層。而錨索的作用在于使坡面的抗滑性更好地通過橫向的方式來實(shí)現(xiàn)。隨著傾角的增大，水平拉力的值會(huì)減小。因此，為了保證邊坡的穩(wěn)定性，可以選擇10°作為最佳的錨固傾角，以獲得最佳的錨固效果。這樣的設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中可以有效地起到引導(dǎo)作用，應(yīng)對(duì)坡面穩(wěn)定性的問題。

3.2 錨索長(zhǎng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)

在錨桿長(zhǎng)度縱距2 m，錨桿傾角10°的情況下，根據(jù)圖2 的設(shè)置對(duì)錨索長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證錨固效果。分析不同長(zhǎng)度錨桿（4 m，6 m，8 m，10 m，12 m，14 m，16 m，18 m，20 m）對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響。利用有限元軟件對(duì)不同錨索長(zhǎng)度下的邊坡穩(wěn)定情況進(jìn)行了模擬，并得到了變化趨勢(shì)如圖4 所示。

圖4 不同錨桿長(zhǎng)度下安全系數(shù)變化圖

研究結(jié)果表明，如果斜坡錨桿加固的長(zhǎng)度在18 m 以下，那么斜坡的安全系數(shù)會(huì)隨著錨桿長(zhǎng)度的增加而逐漸增加，只不過這種關(guān)系是非線性的。但錨桿長(zhǎng)度的增加，反而會(huì)導(dǎo)致在超過18 m 的坡面錨桿加固時(shí)，坡面安全系數(shù)降低。在實(shí)際工程中，選擇適當(dāng)?shù)倪吰洛^桿加固長(zhǎng)度是非常重要的，過長(zhǎng)或過短的錨桿長(zhǎng)度都可能不利于邊坡的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

（1）傾斜面增大，邊坡安全系數(shù)降低，說明傾斜面增大會(huì)使邊坡穩(wěn)定性降低，這是由于斜面增大而引起的。為了提高邊坡的抗滑力，選擇10°作為最佳的錨固傾角能夠獲得最佳的錨固效果。這樣的設(shè)計(jì)對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的問題，在實(shí)際工程中能夠得到有效的解決，起到一定的導(dǎo)向作用。

（2）在實(shí)際工程中，坡面安全系數(shù)與錨桿加固長(zhǎng)度呈現(xiàn)非線性正相關(guān)關(guān)系。但是過長(zhǎng)的錨桿長(zhǎng)度在錨桿加固18 m 以上的時(shí)候，反而會(huì)對(duì)邊坡的安全系數(shù)造成不利的影響，即引起安全系數(shù)的下降。