彭家寨旅游公路路塹高邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

成晶華

(江西東通交通科技股份有限公司，江西 南昌 330013)

0 引 言

近年來，由于我國公路建設(shè)持續(xù)迅猛發(fā)展，其發(fā)展腳步已逐漸向山區(qū)延伸。但山區(qū)地形地貌通常較為復(fù)雜，不可避免存在高邊坡，尤其是高邊坡的穩(wěn)定性會(huì)對公路的施工及運(yùn)營產(chǎn)生重大影響，易產(chǎn)生滑坡等災(zāi)害，從而使得工期延誤，建設(shè)成本增大，給人們造成的嚴(yán)重?fù)p失。由于滑坡的發(fā)生對人類的生命安全及經(jīng)濟(jì)造成了極大的威脅，對于高邊坡破壞機(jī)理及問題處治愈來愈被重視。因此，為了保證高邊坡的安全并盡可能的減少施工成本的浪費(fèi)，對高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)具有非常重要的工程意義。

1 工程基本概況

宣恩縣彭家寨旅游公路沙道咸池至汪家寨段新建工程起于宣恩縣沙道咸池，全長4.28 km，其中主線路2.95 km，245省道改線1.14 km，停車場支線0.19 km。在注意公路建設(shè)與沿線自然景觀相協(xié)調(diào)的原則下，為防止路基病害的發(fā)生及保障路基邊坡的穩(wěn)定性，通過對邊坡的水文地質(zhì)情況和填挖高度進(jìn)行調(diào)查，在施工設(shè)計(jì)中采取有效的邊坡防護(hù)形式及必要的支擋結(jié)構(gòu)。

就地質(zhì)狀況而言，本項(xiàng)目沿線路段地形地貌較復(fù)雜，河流、溝谷發(fā)育，溝壑縱橫，山區(qū)地形切割劇烈，地勢總體四周高中間低，該路段屬于利川向斜沉積巖分布區(qū)，海拔高程為1 065～1 350 m，屬構(gòu)造剝蝕溶蝕低中山區(qū)。路段內(nèi)山體較平緩，地形起伏相對較大，坡度多為20～45°，相對高差為100～150 m，山頂多呈脊?fàn)?，溝谷切割較深，谷底較寬緩，多為“U”形谷。路段內(nèi)植被發(fā)育，森林面積大，覆蓋率約60%～70%。

對深挖路塹段斷面K2+281.01進(jìn)行地質(zhì)分析，其屬于構(gòu)造剝蝕低中山區(qū)，中風(fēng)化巖層，鉆孔揭露地層組成為。

(1)表層：主要是被沖積碎石粉質(zhì)黏土所覆蓋，呈褐黃色或黃色，稍濕，局部為塊石，碎石成分主要是灰?guī)r，層厚0.5～1.3 m。

(2)中分化巖層：呈青灰色，微晶結(jié)構(gòu)中厚層狀構(gòu)造，巖溶較發(fā)育，巖體表面局部見蜂窩狀溶蝕孔洞，巖芯較完整，承載力約為1 500 kPa。

2 高邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 模型的建立

首先依據(jù)開挖斷面K2+281.01處實(shí)地勘測收集的原山坡坡率、坡高等數(shù)據(jù)，在CAD中建立12 m(平面高度)+43 m(坡高)，寬70 m，邊坡角為41°的平面模型。

參考現(xiàn)場地質(zhì)條件及初步設(shè)計(jì)方案，將高邊坡導(dǎo)入到有限元軟件PLAXIS 2D中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共生成530個(gè)單元，4 555個(gè)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，在采用該軟件進(jìn)行數(shù)值仿真分析時(shí)，為方便計(jì)算，采用了考慮到強(qiáng)風(fēng)化頁巖和中風(fēng)化頁巖的材料特性，故巖土體選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型、僅考慮自重作用、固定模型底部及兩側(cè)邊界的合理假設(shè)。

2.2 參數(shù)的選取

在進(jìn)行模型材料參數(shù)的選取時(shí)，綜合考慮了《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)、現(xiàn)場工程地質(zhì)勘探報(bào)告以及設(shè)計(jì)資料，巖土體材料參數(shù)如表1所示。

表1 斷面K2+281.01巖土體參數(shù)表

2.3 邊坡天然狀態(tài)下的穩(wěn)定性

原山坡主要受巖土體自重和構(gòu)造應(yīng)力場的影響。其中，在巖土體的自重作用下，坡體內(nèi)部某一點(diǎn)的應(yīng)力值與該點(diǎn)上部分土體的重量具有一一對應(yīng)的關(guān)系，且通常情況下，構(gòu)造應(yīng)力是不變的，對邊坡開挖穩(wěn)定性的影響較小。因此，僅考慮了巖土體自重對邊坡開挖卸荷的影響。但對原山坡進(jìn)行開挖前，首先通過結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查的土體數(shù)據(jù)資料，對山坡整體進(jìn)行了地應(yīng)力平衡驗(yàn)算，并利用剪應(yīng)變增量云圖，觀察到原山坡的潛在滑移面，而后采用有限元軟件中的強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡安全系數(shù)。

由斷面K2+281.01高邊坡的剪應(yīng)變增量云圖可知，邊坡在巖土體自重的作用下會(huì)發(fā)生一定的變形，且坡體的潛在滑移面主要集中在強(qiáng)風(fēng)化頁巖與中風(fēng)化頁巖的交界處。通過由強(qiáng)度折減法計(jì)算得到該邊坡此時(shí)的安全系數(shù)為1.118。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)中關(guān)于邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的規(guī)定，此時(shí)邊坡的穩(wěn)定性較差，需采取人工放坡的方式，使其安全穩(wěn)定性能得以提高。

2.4 邊坡開挖后的穩(wěn)定性分析

高邊坡在開挖施工及今后長期使用過程中，坡體內(nèi)部形成的潛在滑移面實(shí)際上是由于邊坡側(cè)向土體內(nèi)部應(yīng)力重分布所引起的。為保證高邊坡在開挖施工及之后長期使用期間能處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)對其進(jìn)行人工放坡。

針對斷面K2+281.01高邊坡的處治，根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)勘察資料，初步設(shè)計(jì)方案為：每8 m進(jìn)行一次放坡，共分四級開挖，坡率分別為1∶0.75、1∶0.75、1∶1、1∶1，且每兩個(gè)單級邊坡之間設(shè)置一個(gè)2 m寬的平臺。本節(jié)主要采用有限元軟件PLAXIS 2D分析每一級邊坡開挖完成后位移、應(yīng)力分布及安全系數(shù)的變化情況，分析其安全穩(wěn)定性，并輸出每級邊坡開挖后的剪應(yīng)變增量云圖，觀察各級邊坡開挖后的潛在滑移面。

(1)邊坡開挖后豎向位移分析

每級邊坡在開挖完成后均會(huì)發(fā)生一定的豎向位移，其中，一級邊坡在開挖完成后，坡體的豎向位移量為2.4 cm，四級邊坡開挖完成后，坡體的整體豎向位移量為5.2 cm。究其原因，說明開挖卸荷對高邊坡的影響較大，開挖過程中，巖土體發(fā)生了擾動(dòng)松弛現(xiàn)象，局部巖體易出現(xiàn)脫落破壞，在一定程度上會(huì)對破面的安全穩(wěn)定性造成危害，但四級邊坡開挖后，邊坡逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)邊坡開挖后剪應(yīng)變增量云圖分析

給出了斷面K2+281.01一級、二級、三級和四級邊坡開挖后的剪應(yīng)變增量云圖。

各級開挖剪應(yīng)變增量云圖可知，對比山坡剪應(yīng)變增量云圖發(fā)現(xiàn)，一級邊坡開挖后，打破了原山坡的應(yīng)力平衡狀態(tài)，受坡體卸荷的影響，邊坡內(nèi)部的潛在滑移面明顯縮短，且剪應(yīng)力增量分布區(qū)域顯著縮??；二級、三級開挖后，邊坡內(nèi)部潛在滑移面的范圍均會(huì)減小，但剪應(yīng)變增量最大值的分布區(qū)域并不相同；四級開挖后，坡面及坡角處出現(xiàn)了剪應(yīng)變增量集中的現(xiàn)象，坡體內(nèi)部的潛在滑移面范圍明顯變大，說明坡體的穩(wěn)定性更差，發(fā)生滑移的可能性越大。

(3)邊坡開挖后穩(wěn)定安全系數(shù)分析

需要說明的是，本文在采用有限元軟件PLAXIS 2D計(jì)算邊坡安全系數(shù)時(shí)，實(shí)際上就是計(jì)算當(dāng)邊坡達(dá)到臨界極限平衡狀態(tài)時(shí)巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的折減系數(shù)，此時(shí)的折減系數(shù)即認(rèn)為是邊坡安全系數(shù)，強(qiáng)度參數(shù)可表示為

=

(1)

=arctan(tan)

(2)

式中：為原始狀態(tài)下巖土體粘聚力，kPa；為原始狀態(tài)下巖土體內(nèi)摩擦角，°；為折減后巖土體粘聚力，kPa；為折減后巖土體內(nèi)摩擦角，°；為剪切強(qiáng)度折減系數(shù)。

按上述步驟的計(jì)算，求得原坡體在開挖前的安全穩(wěn)定系數(shù)為1.118。

可以看出，開挖第一級和第二級邊坡后，坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)要略高于原山坡，究其原因，可能是因?yàn)殚_挖邊坡對原山坡起到了削坡減載的作用，故安全系數(shù)會(huì)提高到1.260左右；當(dāng)對第三級和第四級邊坡進(jìn)行開挖后，坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)明顯低于前兩個(gè)階段，由于第三、第四級邊坡率比前兩個(gè)開挖階段的坡率以及原山坡坡度要陡，從而形成了整體較高的四級高邊坡，導(dǎo)致坡體的整體穩(wěn)定性明顯降低，安全系數(shù)驟降至1.108。且上文分析并未考慮地下水、降雨及地震等作用的影響，若加上這三方面的作用，再考慮到中風(fēng)化頁巖自身的物理化學(xué)性質(zhì)及工程特性的影響，邊坡在開挖后巖土體極易在外界因素的影響下發(fā)生軟化甚至崩解，使得巖體的強(qiáng)度急劇下降，最后發(fā)生山體滑坡等現(xiàn)象。為了保證邊坡開挖后不僅能處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)，且盡可能地減少施工過程中土石的開挖量，將從安全及經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，對邊坡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 高邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，邊坡K2+281.01采用初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行開挖后，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)較原山坡有所減小。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)中的相關(guān)規(guī)定，雖然開挖后邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)大于1，但此時(shí)坡體卻處于極限平衡狀態(tài)，且從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，坡度越緩，土石方的挖方量就越大，耗費(fèi)的成本越高，同時(shí)，受地形地質(zhì)條件及水文氣象的影響，越緩的邊坡，坡面被沖刷的情況更嚴(yán)重，越容易導(dǎo)致整個(gè)邊坡發(fā)生破壞。

3.1 邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1)方案的確定

初步設(shè)計(jì)方案中斷面K2+281.01邊坡采用的是每8 m進(jìn)行一次放坡，共分四級開挖，坡率分別為1∶0.75、1∶0.75、1∶1、1∶1，且每兩個(gè)單級邊坡之間設(shè)置一個(gè)2 m寬的平臺。根據(jù)工程實(shí)踐資料顯示，初步設(shè)計(jì)方案過于保守，通常情況下，巖質(zhì)邊坡的單級坡率宜采用1∶0.5～1∶0.75的形式。同時(shí)，對開挖的邊坡進(jìn)行工程防護(hù)如錨桿噴漿、掛網(wǎng)噴漿和漿砌片石等，可有效提高邊坡的穩(wěn)定性，增大整體邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。而平臺寬度一般對邊坡穩(wěn)定性的影響較小，故在下列設(shè)計(jì)方案中，平臺寬度仍然保持初步設(shè)計(jì)中的2 m。具體設(shè)計(jì)方案如下。

方案一：每8 m進(jìn)行一次放坡，共分四級開挖，坡率分別為1∶0.5、1∶0.75、1∶0.75、1∶0.75，且每兩個(gè)單級邊坡之間設(shè)置一個(gè)2 m寬的平臺。

方案二：每8 m進(jìn)行一次放坡，共分四級開挖，坡率分別為1∶0.5、1∶0.75、1∶0.75、1∶0.75，每兩個(gè)單級邊坡之間設(shè)置一個(gè)2 m寬的平臺，且各單級邊坡均采用錨桿噴漿支護(hù)。

(2)兩種方案對比分析

對上述兩種方案路塹高邊坡開挖全過程進(jìn)行模擬，對比使用各方案邊坡在開挖過程中的豎向位移、剪應(yīng)變增量及安全系數(shù)。

可以看出，方案一改變了邊坡的放坡坡率，雖然能夠減小土石方的開挖量，但開挖后的坡率較初步設(shè)計(jì)更為陡峭，且邊坡整體的位移量較初步設(shè)計(jì)方案更大；采用方案一對邊坡進(jìn)行放坡后，邊坡內(nèi)部的潛在滑移面發(fā)生了明顯的變化，由原先的坡角處轉(zhuǎn)移至坡頂，且剪應(yīng)變增量的分布區(qū)域變得更廣，較初步設(shè)計(jì)方案更為危險(xiǎn)。同理，方案二是在方案一的基礎(chǔ)上，對每級邊坡都進(jìn)行了錨桿加固，一級邊坡開挖完成后，邊坡整體的豎向位移有所減小，巖土體內(nèi)部的潛在滑移面亦不復(fù)存在，表明此時(shí)的邊坡處于高度的安全穩(wěn)定狀態(tài)。通過強(qiáng)度折減系數(shù)法計(jì)算得到方案一的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.072，方案二的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.632。因此，在綜合考慮安全與經(jīng)濟(jì)的角度而言，建議選取方案二對本斷面進(jìn)行施工。

3.2 邊坡坡面防護(hù)措施

(1)挖方噴播植物護(hù)坡：該防護(hù)形式適用于邊坡坡率緩于1∶1.0，高度≤3 m的土或土石路塹邊坡。

(2)方格形骨架植物護(hù)坡：該防護(hù)形式適用于邊坡坡率等于或緩于1∶1.0，高度3 m≤≤8 m的土或土石路塹邊坡。

(3)掛網(wǎng)植爬壁藤：該防護(hù)形式適用于巖層穩(wěn)定、整體性好，邊坡坡率等于或緩于1∶0.5巖質(zhì)路塹邊坡。

(4)掛網(wǎng)噴播混生植物護(hù)坡：該防護(hù)形式適用于整體穩(wěn)定，邊坡坡率等于或緩于1∶0.75石質(zhì)路塹邊坡。

(5)混凝土框架植物護(hù)坡：該防護(hù)形式適用于邊坡淺層穩(wěn)定性差且難以綠化的高陡巖石邊坡或貧瘠的土質(zhì)邊坡，邊坡坡率等于或緩于1∶0.5。

(6)路塹墻：該防護(hù)形式適用于邊坡風(fēng)化強(qiáng)烈、巖體破碎、穩(wěn)定性不足的路塹邊坡的第一級邊坡的支護(hù)。

針對典型的深挖路塹斷面K2+281.01，該邊坡以強(qiáng)風(fēng)化頁巖和中風(fēng)化頁巖為主，綜合考慮巖層土的破碎程度、風(fēng)化程度以及承載力等，在確保邊坡土體安全穩(wěn)定的同時(shí)，盡可能的降低工程造價(jià)，減少工程量，各級邊坡均采用掛網(wǎng)噴漿進(jìn)行防護(hù)。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的工程地質(zhì)情況，建立原地質(zhì)模型對邊坡開挖的初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在開挖過程中風(fēng)化程度嚴(yán)重的巖質(zhì)邊坡，其潛在滑移面影響范圍較大，高邊坡在開挖完成后安全穩(wěn)定性雖然滿足要求，但耗費(fèi)成本過高，宜對邊坡的開挖坡率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2)巖質(zhì)邊坡的坡率設(shè)計(jì)在1∶0.5～1∶0.75之間，不僅可以滿足規(guī)范要求，同時(shí)可使施工過程既安全又經(jīng)濟(jì)。因此，該項(xiàng)目后期施工建議采用方案二的形式進(jìn)行開挖。

(3)由于本項(xiàng)目所處地段水位很低，且坡體主要為強(qiáng)風(fēng)化頁巖和中風(fēng)化頁巖，故在邊坡防護(hù)時(shí)可優(yōu)先選用掛網(wǎng)噴漿的形式，此方法可有效限制雨水剝蝕邊坡表面碎巖石的能力，達(dá)到保護(hù)邊坡長期穩(wěn)定的目的。