強降水下高路堤邊坡穩(wěn)定性分析及加固設(shè)計

覃冬梅

摘要：為了研究強降水下高路堤邊坡穩(wěn)定性并提出可借鑒的邊坡加固設(shè)計方案，文章以某山區(qū)改擴建高等級公路為依托，對K89+250～K89+303段高路堤邊坡進行模擬分析，研究不同降水條件、不同降水時間以及不同壓實度下坡體強度及安全性的變化規(guī)律。結(jié)果顯示：降水量增加可提高地下水位，而雨水的侵入會大幅削弱邊坡土體的抗剪強度，且壓實度越小，土體抗剪強度衰減越顯著;邊坡安全系數(shù)隨著降雨等級增強顯著減小，當(dāng)降雨量>100 mm/d時安全系數(shù)將不滿足設(shè)計要求;邊坡安全性隨著降水強度增大衰減越明顯;采用錨桿加固設(shè)計，并輔以掛網(wǎng)噴射混凝土、坡腳設(shè)置擋土墻以及設(shè)置多重防排水措施，可有效保證邊坡的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：邊坡;強降水;穩(wěn)定性;加固;高路堤

0 引言

隨著我國公路建設(shè)的發(fā)展，山區(qū)公路建設(shè)里程逐漸增大，而山區(qū)公路建設(shè)的相關(guān)問題也逐漸凸顯。山區(qū)公路由于地形限制，需增設(shè)大量橋梁、隧道設(shè)計，同時也會存在大量高填方及大挖方。其中高填方相較大挖方由于邊坡為非自然態(tài)的人造邊坡，在雨水、地震等條件下極易發(fā)生失穩(wěn)破壞。在部分降水量較大地區(qū)，高強度的瞬時降水量以及長時間持續(xù)的高密度降水將會進一步考驗邊坡穩(wěn)定性，嚴(yán)重時會導(dǎo)致泥石流及滑坡落石，影響行車安全[1-3]。目前對于邊坡穩(wěn)定性分析相關(guān)研究較多，為大部分公路邊坡防護加固設(shè)計提供了較好參考與借鑒。但大部分邊坡穩(wěn)定性分析一般采用穩(wěn)態(tài)滲流模型進行分析計算，使用有、無雨水滲入對比以及降水量均值作為滲流條件，以上研究未考慮非飽和區(qū)坡體在降水條件下的影響[4-8]。本文以某山區(qū)改擴建高等級公路為依托，對K89+250～K89+303段高路堤邊坡進行模擬分析，研究不同降水條件、降水時間、壓實度下坡體強度變化規(guī)律，進而對高路堤邊坡穩(wěn)定性進行分析，并結(jié)合坡體現(xiàn)狀評估進行邊坡加固設(shè)計，以保證邊坡安全穩(wěn)定。

1 依托工程概況

以某山區(qū)改擴建高等級公路為依托，道路路基原寬19.5 m，擬將其擴建至58.5 m。本次研究路堤邊坡位于K89+250～K89+303段，坡比為1 ∶ 1.4，為強風(fēng)化巖質(zhì)邊坡，巖體飽水抗壓強度<29.5 MPa。由于坡體強風(fēng)化巖石存在較大風(fēng)化差異，導(dǎo)致路堤填 料壓實均勻性差，壓實度難以保證。該段路堤路基表層最高處為12.0～16.0 m，由于距該路堤邊坡2 km處存在一貫穿湖泊，當(dāng)降雨量過大時將導(dǎo)致部分路堤被淹沒，進而導(dǎo)致附近路堤地下水位升高。路堤采用如下填料及壓實度控制：0～85 cm換填性能較優(yōu)的黏性土，壓實度控制≥96%;85～155 cm采用強風(fēng)化巖石，壓實度控制≥94%;155 cm以下采用強風(fēng)化巖石，壓實度控制≥91%。

2 強降水下高路堤滲流數(shù)值分析

為了分析強降水下高路堤邊坡穩(wěn)定性，首先構(gòu)建本構(gòu)模型，該段路堤地下水水位相對較高，飽和及非飽和位置地下水交互作用。選取軸向路堤為模擬對象，對三個壓實度控制區(qū)進行差異化劃分，使用Geo-slope軟件SEEP/W進行滲流網(wǎng)格劃分（見圖1）。模型共設(shè)節(jié)點7 985個、網(wǎng)格單元7 824個。其中通過前期試驗，得到91區(qū)、94區(qū)以及96區(qū)飽和滲透性系數(shù)測試值分別為8.3×10-3 m/d、5.5×10-3 m/d以及1.3×10-3 m/d。假設(shè)kx/ky=4.0。

參考依托工程所在地氣象資料，設(shè)定日降雨量參數(shù)分別為100 mm/d、200 mm/d，連續(xù)降雨1 d。圖2為100 mm/d、200 mm/d降雨量下邊坡孔隙水壓力分布圖。根據(jù)等值線分析可知，降水量增加可提高地下水水位，并根據(jù)相關(guān)參數(shù)進行下述邊坡穩(wěn)定性分析。

3 強降水下高路堤邊坡穩(wěn)定性分析

降水作用下，采用數(shù)值模擬分析可知，當(dāng)降雨強度和降雨時長增大引起累計滲透雨量提高時，路堤土體含水率將增大，導(dǎo)致水壓力升高而基質(zhì)吸力減小。本研究將采用極限平衡法，通過滲流數(shù)值模擬分析降水條件下邊坡穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)，進而對邊坡穩(wěn)定性進行分析。

3.1 強降水下填土抗剪參數(shù)分析

公路強降水下，特別是邊坡噴漿施工前，排水不及時極易導(dǎo)致雨水漫流滲透，進而引起邊坡坡體內(nèi)填料被雨水侵蝕，使得土體強度參數(shù)減小，進而使得土體抗剪強度衰減。為分析強降水對土體抗剪強度的影響程度，采用模擬路堤加載的土體濕化試驗，對不同壓實度（91%、94%、95%）土體進行試驗。根據(jù)土體濕化試驗分析，土體由自然態(tài)向濕態(tài)轉(zhuǎn)變的中間過程——濕化狀態(tài)大致為軸向應(yīng)變?yōu)?.0%左右，據(jù)此計算出不同干濕狀態(tài)、不同壓實度下土體抗剪強度參數(shù)如表1所示：

由表1可知：

（1）同一壓實度下，隨著土體向濕態(tài)轉(zhuǎn)變，粘聚力及內(nèi)摩擦角均出現(xiàn)衰減，其中粘聚力減小幅度明顯，91%、94%、96%三種壓實度下粘聚力分別降低54%、55%、45%。表明雨水的侵入將會大幅削弱邊坡土體的抗剪強度，進而造成邊坡穩(wěn)定性不足。

（2）隨著壓實度降低，低壓實度下干、濕態(tài)土體抗剪強度相較96%壓實度土體抗剪強度參數(shù)衰減如表2所示。衰減規(guī)律顯示，不論濕態(tài)還是干態(tài)，隨著壓實度降低，粘聚力與內(nèi)摩擦角均顯著減小。表明在土體性質(zhì)一定的條件下，應(yīng)盡可能提高邊坡土體即路基填筑壓實度，進而保證邊坡穩(wěn)定性。

3.2 不同降水強度邊坡穩(wěn)定性分析

依據(jù)依托工程當(dāng)?shù)亟涤晏卣?，選取降雨一天情況下100 mm/d、200 mm/d、300 mm/d及不降水4種降水等級對邊坡穩(wěn)定性進行模擬分析及計算，邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果如圖3所示。隨著降雨等級提高，邊坡安全系數(shù)顯著降低，當(dāng)降雨量達到200 mm/d時安全系數(shù)已降低至1.24，已不滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》對黏土質(zhì)邊坡≥1.36的要求。而當(dāng)無雨時邊坡安全系數(shù)達到1.87，具有較高安全保證系數(shù)，表明應(yīng)對邊坡進行坡面防護以減少雨水浸入對邊坡的影響。

3.3 不同降水時間邊坡穩(wěn)定性分析

分別選取降水強度為100 mm/d、200 mm/d、300 mm/d，持續(xù)降水1～4 d，針對上述工況進行邊坡穩(wěn)定性分析，計算結(jié)果如圖4所示?？傮w而言，邊坡安全系數(shù)隨著降雨等級增強顯著減小，隨著降雨時長增大安全系數(shù)也存在一定程度衰減，且降水強度越大邊坡安全系數(shù)衰減越明顯。這主要是由于降雨強度越大、降雨時間越長，坡體所在路堤地下水位上升越大，減小了土體基質(zhì)吸力，進而引起路堤邊坡穩(wěn)定性減小。

4 邊坡加固設(shè)計

4.1 設(shè)計原則

本研究K89+250～K89+303段巖質(zhì)邊坡整體相對高程在12.0～16.0 m，考慮現(xiàn)階段公路主體路基施工已經(jīng)完成，基于公路工程邊坡加固設(shè)計技術(shù)安全性及經(jīng)濟性原則，邊坡加固設(shè)計應(yīng)在穩(wěn)定性分析計算基礎(chǔ)之上，充分對邊坡現(xiàn)有工況進行分析與研判。本設(shè)計采用在清除邊坡表層浮石后使用錨桿加固處理方式，并輔以噴射混凝土以及擋土墻等多重加固方式對邊坡進行穩(wěn)定。針對K89+250～K89+303段邊坡實際工況，建議首先進行錨桿加固施工，然后進行混凝土噴射施工，噴射施工可有效提高強風(fēng)化軟巖邊坡坡體與噴射混凝土之間的嵌擠作用，增強二者之間的粘結(jié)強度。上述工序施工完成后進行擋土墻墻體施工，為減少大體積混凝土收縮裂縫產(chǎn)生，一般采用跳槽間隔施工進行。

4.2 錨桿加固設(shè)計方案

根據(jù)工程實際現(xiàn)狀特征及上述模擬分析，邊坡巖體粘聚力為60.5 kN，設(shè)計錨桿直徑取23.5 mm螺紋鋼筋（PSB），錨桿加固處位于模擬邊坡滑動面下2.5 m位置，采用如下式（1）進行錨桿錨固力計算：

通過計算，單根錨桿提供錨固力值計算為ρ=56.1 kN。由坡體總錨固力與上述錨桿單根錨固力計算可知，所需錨桿總量為：n=74（根）。根據(jù)邊坡坡面尺寸以及借鑒以往工程經(jīng)驗，錨桿設(shè)計水平與豎向間距分別為3.9 m、4.9 m，錨桿打設(shè)水平傾角為14.5°。具體設(shè)計參數(shù)見表3。

4.3 防護設(shè)計方案

為進一步保證邊坡坡體穩(wěn)定性，設(shè)計在邊坡坡腳設(shè)置漿砌擋土墻，擋土墻設(shè)計參數(shù)為：墻頂寬0.60 m、墻高3.3 m、墻底寬0.8 m。另外為加強邊坡穩(wěn)定性儲備，采取在擋土墻上端裸露坡體進行掛網(wǎng)及噴射混凝土施工處理。其中掛網(wǎng)直徑為5.6 mm，噴射混凝土采用M30水泥砂漿，噴漿壓力為2.0 MPa。

由于工程所處地區(qū)降雨時間長、降雨量較大，為充分保證雨水等及時排出，設(shè)計采用如下組合方式保證邊坡盡量減少雨水侵蝕：（1）邊坡坡面設(shè)置泄水孔及匯流通道保證內(nèi)部水及時排出;（2）坡頂設(shè)置截水溝，盡量減少上端雨水漫流至邊坡;（3）增大路基邊部邊溝尺寸，提高水流排散速率。

5 結(jié)語

本文以某山區(qū)改擴建高等級公路為依托，對K89+250～K89+303段高路堤邊坡進行模擬分析，研究不同降水條件、降水時間、壓實度下坡體強度變化規(guī)律，進而對高路堤邊坡穩(wěn)定性進行分析，并結(jié)合坡體現(xiàn)狀評估進行邊坡加固設(shè)計，得出如下結(jié)論：

（1）降水量增加可提高地下水位，而雨水的入浸會大幅削弱邊坡土體的抗剪強度，進而造成邊坡穩(wěn)定性不足。隨著壓實度降低，低壓實度下干、濕態(tài)土體抗剪強度大幅衰減，應(yīng)盡可能提高邊坡土體即路基填筑壓實度，進而保證邊坡穩(wěn)定性。

（2）當(dāng)降雨量>100 mm/d時安全系數(shù)將不滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》對黏土質(zhì)邊坡≥1.36的要求，應(yīng)對邊坡進行坡面防護，減少雨水浸入對邊坡的影響。

（3）邊坡安全系數(shù)隨著降雨等級增強顯著減小，降雨時長和降水強度越大，安全系數(shù)衰減越明顯。

（4）采用錨桿加固設(shè)計，并輔以掛網(wǎng)噴射混凝土、坡腳設(shè)置擋土墻以及設(shè)置多重防排水措施，可有效保證邊坡的穩(wěn)定性。

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收稿日期：2020-06-05