某高速公路十級(jí)高邊坡穩(wěn)定性分析及防護(hù)研究

文章依托廣西某山區(qū)高速公路，對(duì)典型路段K134+360～K134+660段右側(cè)十級(jí)超高路塹邊坡提出四種不同坡率和平臺(tái)寬度的設(shè)計(jì)方案，并基于ABAQUS有限元軟件對(duì)高路塹邊坡模型的穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：該邊坡在超深挖路塹邊坡設(shè)計(jì)中，通過增大坡級(jí)間的平臺(tái)寬度，使其形成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小邊坡，能較高程度提高邊坡整體穩(wěn)定性，可為類似超深挖路塹高邊坡施工設(shè)計(jì)提供參考。

高速公路；十級(jí)高邊坡；穩(wěn)定性分析；有限元模型；防護(hù)措施

U416.1+4A050154

作者簡(jiǎn)介：

宋運(yùn)超（1995—），工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。

0" 引言

邊坡工程常存在于高速公路工程中，由于邊坡表面存在一定的傾斜坡面，在降雨及自重的條件下，其抗剪強(qiáng)度降低，自重增大，極易造成滑塌事故。其中，高速公路超深挖路塹邊坡尤為明顯，路塹邊坡開挖打破了自然狀態(tài)下邊坡的內(nèi)部受力平衡，在自然降雨及人工擾動(dòng)等因素綜合作用下，開挖的路塹邊坡極易造成坍塌、滑坡等工程事故，會(huì)掩蓋道路主體，影響行車安全［1］。因此，在高速公路建設(shè)過程中，高路塹超深挖是一項(xiàng)常見的技術(shù)難題。

近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者采用有限元強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定性取得較大進(jìn)步，趙天彪等［2］研究表明采用理正巖土軟件計(jì)算的安全穩(wěn)定系數(shù)與ABAQUS有限元軟件計(jì)算的結(jié)果基本一致；董璞等［3］研究得到強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定性與極限平衡法計(jì)算結(jié)果基本相同。因此，本文結(jié)合廣西某山區(qū)高速公路K134+360～K134+660段右側(cè)超深路塹邊坡提出四種不同坡率和平臺(tái)寬度的設(shè)計(jì)方案，采用強(qiáng)度折減分析方法，從路塹邊坡穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等方面入手，提出相應(yīng)防護(hù)措施，為超深挖路塹高邊坡設(shè)計(jì)施工提供參考。

1" 工程概況

廣西某山區(qū)高速公路位于桂北地區(qū)，路線總體呈南北走向，全長(zhǎng)136.152 km，主線采用100 km/h的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度為26 m。該項(xiàng)目K134+360～K134+660段右側(cè)超深路塹邊坡長(zhǎng)300 m，最大坡高為83.4 m。在進(jìn)行挖方邊坡設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)邊坡高度及地質(zhì)情況，按照8 m分級(jí)共設(shè)十級(jí)邊坡。

2" 工程地質(zhì)條件

2.1" 地形地貌

該邊坡地處緩傾丘陵地貌，植被發(fā)育，以雜草為主，地面標(biāo)高150.0～228.0 m，相對(duì)高差約78 m，路線所跨越的邊坡自然坡度約為15°～33°。無構(gòu)造破壞，地形較完整，沖溝一般發(fā)育，坡體排水條件較好，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

2.2" 地層巖性

根據(jù)地質(zhì)鉆孔及工程地質(zhì)調(diào)繪等資料揭示，邊坡路段地層主要由第四系坡積粉質(zhì)黏土（Qdl）基巖與泥盆系郁江階（D2y）泥巖、砂巖組成，在揭示深度內(nèi)自上而下依次為：

2.2.1" 第四系

3-3層粉質(zhì)黏土（Qdl）：土質(zhì)不均勻，含礫石和風(fēng)化基巖碎塊，干強(qiáng)度低，表層含植物根系，層厚0.4～6.0 m。

2.2.2" 泥盆系郁江階（D2y）

12-1-1層全風(fēng)化泥巖（D2y）：原巖結(jié)構(gòu)基本完全破壞，呈礫砂-碎塊狀，局部夾薄層砂巖，層厚1.3～5.7 m。

12-2-1層強(qiáng)風(fēng)化泥巖（D2y）：泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，原巖結(jié)構(gòu)部分破壞，呈碎塊狀，局部夾薄層砂巖，易風(fēng)化，遇水易崩解，層厚1.4～15.1 m。

12-3-1層中風(fēng)化泥巖（D2y）：泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄-中層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，局部鈣質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部含砂巖碎塊，易風(fēng)化，遇水易崩解，層厚2.0～52.5 m。

12-4-1層微風(fēng)化泥巖（D2y）：泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中層狀構(gòu)造，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，易風(fēng)化，遇水易崩解，層厚2.6 m。

12-1-7層全風(fēng)化砂巖（D2y）：粗粒狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)極軟，局部夾薄層泥巖，易風(fēng)化，層厚2.1～5.0 m。

12-2-7層強(qiáng)風(fēng)化砂巖（D2y）：粗粒狀結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)極軟，局部夾薄層泥巖，易風(fēng)化，上部含全風(fēng)化泥巖薄層，層厚2.0～33.6 m。

12-3-7層中風(fēng)化砂巖（D2y）：粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄-中層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)較硬，局部與泥巖互層，易風(fēng)化，層厚5.5～14.8 m。

3" 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察及赤平投影分析（下頁圖1），邊坡開挖后，ZK1～ZK7路線左側(cè)邊坡傾向與巖層傾向夾角為116°，路線右側(cè)邊坡傾向與巖層傾向夾角為72°，巖層傾角均大于邊坡傾角，可不考慮順層現(xiàn)象對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

ZK8～ZK15路線左側(cè)邊坡傾向與巖層傾向夾角為86°，可不考慮巖層沿結(jié)構(gòu)面的順層現(xiàn)象對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；節(jié)理1與邊坡傾向夾角為97°，可不考慮巖層沿節(jié)理面1的順層現(xiàn)象對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；節(jié)理2與邊坡傾向同向，但巖層傾角大于邊坡傾角，巖層沿節(jié)理面2的順層現(xiàn)象對(duì)邊坡穩(wěn)定性有一定影響。路線右側(cè)邊坡傾向與巖層傾向夾角為99°，節(jié)理1與邊坡傾向夾角為83°，可不考慮巖層沿節(jié)理面1的順層現(xiàn)象對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；節(jié)理2與邊坡傾向相反，無順層現(xiàn)象。路線左側(cè)邊坡下部巖體主要為全-強(qiáng)風(fēng)化泥巖，附近地質(zhì)露頭調(diào)查巖層產(chǎn)狀330∠51°，邊坡視傾角53°，節(jié)理2產(chǎn)狀245∠74°，具有順層現(xiàn)象，邊坡穩(wěn)定性主要受節(jié)理面控制，設(shè)計(jì)應(yīng)采取錨桿（索）等加固措施，錨固段應(yīng)穿過潛在滑動(dòng)面。

某高速公路十級(jí)高邊坡穩(wěn)定性分析及防護(hù)研究/宋運(yùn)超

邊坡上部地層主要為強(qiáng)風(fēng)化泥巖、砂巖層，巖體內(nèi)節(jié)理裂隙較發(fā)育，在工程施工過程中及施工完成后，經(jīng)擾動(dòng)可能發(fā)生局部剝落、墜落、崩塌等現(xiàn)象，長(zhǎng)期暴露易受沖刷、風(fēng)化，影響整體穩(wěn)定。

（a）ZK1～ZK7左側(cè)

（b）ZK1～ZK7右側(cè)

（c）ZK8～ZK15左側(cè)

（d）ZK8～ZK15右側(cè)

4" 高路塹邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法

對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算，采用強(qiáng)度折減法，折減后的抗剪強(qiáng)度公式為：

cr=cF（1）

φr=arctantanφF（2）

式中：c、φ ——土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，其中c是粘聚力，φ是內(nèi)摩擦角；

cr、φr——在實(shí)際條件下土體所能提供的抗剪強(qiáng)度參數(shù)；

F——強(qiáng)度折減系數(shù)。

在實(shí)際的有限元計(jì)算中采用不同的強(qiáng)度折減系數(shù)F，觀察計(jì)算結(jié)果是否收斂，在計(jì)算中不斷增加F，當(dāng)邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)的F值即為邊坡的安全系數(shù)。

5" 材料參數(shù)與模型的建立

5.1" 邊坡設(shè)計(jì)方案

邊坡設(shè)計(jì)方案主要是通過放緩坡率以及減小三～四級(jí)、六～七級(jí)之間的平臺(tái)寬度，提高邊坡的安全穩(wěn)定性，以K134+460典型橫斷面為例，提出四個(gè)方案：

方案一：一級(jí)坡坡率為1∶0.75，二級(jí)坡坡率為1∶1.0，三級(jí)坡坡率為1∶1.0，四級(jí)坡坡率為1∶1.0，五級(jí)坡坡率為1∶1.0，六級(jí)坡坡率為1∶1.0，七級(jí)坡坡率為1∶1.0，八級(jí)坡坡率為1∶1.25，九級(jí)坡坡率為1∶1.25，十級(jí)坡坡率為1∶1.5，三～四級(jí)和六～七級(jí)之間各設(shè)20 m平臺(tái)。

方案二：將方案一20 m平臺(tái)變?yōu)?0 m，同時(shí)，將邊坡坡率放緩。

方案三：將方案一20 m平臺(tái)變?yōu)?6 m，同時(shí)，將邊坡坡率放緩。

方案四：將方案一的20 m平臺(tái)變?yōu)?8 m，同時(shí)，將邊坡坡率放緩。

各方案邊坡坡率如表1所示。

5.2" 材料參數(shù)

K134+360～K134+660段路塹右側(cè)邊坡主要為強(qiáng)風(fēng)化泥巖與砂巖層，含水性與透水性一般，因此，考慮滲透力作用，不考慮邊坡外側(cè)靜水壓力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，選取邊坡控制性斷面K134+460，對(duì)其材料的物理力學(xué)參數(shù)取值進(jìn)行試驗(yàn)，彈性模量與泊松比由工程經(jīng)驗(yàn)確定，在進(jìn)行ABAQUS模型計(jì)算時(shí)，判斷邊坡失穩(wěn)的方式為模型計(jì)算不收斂，邊坡穩(wěn)定性分析采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行，為了便于計(jì)算，假設(shè)模型為理想的彈塑性體。其具體材料參數(shù)如表2所示。

5.3" 模型的建立

通過Abaqus軟件，對(duì)四個(gè)方案建立模型進(jìn)行分析。K134+360～K134+660段路塹右側(cè)邊坡坡長(zhǎng)為300 m，開挖深度為83.4 m，共設(shè)十級(jí)邊坡。根據(jù)方案一邊坡坡率及平臺(tái)寬度建立如圖2所示的邊坡有限元模型，結(jié)構(gòu)單元采用CPE4單元，共2 065個(gè)。模型左右兩側(cè)約束水平方向位移，底面約束水平與豎直方向位移，上表面不做約束，邊坡模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。其他方案在模型上體現(xiàn)為各級(jí)邊坡坡率不同，以及三～四級(jí)、六～七級(jí)之間的平臺(tái)寬度不同。

6" 模型的分析與討論

6.1" 不同方案模型穩(wěn)定性分析

對(duì)于超深挖路塹邊坡而言，開挖坡率是影響施工穩(wěn)定性的決定性因素，坡級(jí)與坡級(jí)之間的平臺(tái)寬度也是影響坡面穩(wěn)定性的重要因素。通過計(jì)算得到方案一、方案二、方案三、方案四模型下的強(qiáng)度折減系數(shù)分別為1.48、1.35、1.56、1.38。因此，方案一、方案二、方案三、方案四邊坡的安全系數(shù)分別為1.48、1.35、1.56、1.38，均大于我國(guó)施工規(guī)范1.2的要求，具有一定的安全儲(chǔ)備。

由圖4～7可知，當(dāng)三級(jí)與四級(jí)、六級(jí)與七級(jí)邊坡間設(shè)置平臺(tái)寬度較大時(shí)，出現(xiàn)3個(gè)沿坡腳的滑動(dòng)面（圖4、圖6、圖7），即相當(dāng)于把十級(jí)高路塹整體邊坡劃分為3個(gè)小邊坡，當(dāng)三～四級(jí)、六～七級(jí)邊坡間設(shè)置平臺(tái)寬度為10 m時(shí)，只出現(xiàn)了一個(gè)沿坡腳的滑動(dòng)面（圖5）。同時(shí)，該方案的安全穩(wěn)定系數(shù)也是最小的。這表明坡級(jí)與坡級(jí)之間的平臺(tái)寬度是影響坡面穩(wěn)定性的重要因素，適當(dāng)增大平臺(tái)間的寬度，能較大水平地提高邊坡開挖穩(wěn)定性，其次，把三～四級(jí)、六～七級(jí)邊坡間設(shè)置寬＞16 m的平臺(tái)，相當(dāng)于把整個(gè)坡面劃分為3個(gè)較小的邊坡，各個(gè)坡面相對(duì)獨(dú)立，相互干擾性小，而若將16 m寬平臺(tái)改為10 m平

臺(tái)的話，十級(jí)邊坡整體受力，對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利，因此在進(jìn)行高路塹邊坡設(shè)計(jì)時(shí)，在資金及征地條件允許下，盡量設(shè)置較寬平臺(tái)以提高邊坡穩(wěn)定性。

6.2" 不同方案經(jīng)濟(jì)分析

通過對(duì)各方案占地面積及土方量進(jìn)行計(jì)算，可分析得到不同方案的費(fèi)用情況，如下頁表3所示為不同優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。由表3可知：方案一的土石方開挖量、占地面積、工程費(fèi)用等指標(biāo)皆較低且安全系數(shù)較高，因此建議采用方案一作為該邊坡設(shè)計(jì)施工指導(dǎo)方案。

7" 防護(hù)措施

7.1" 邊坡坡率及防護(hù)措施

根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)水文情況，綜合考慮超高邊坡的防護(hù)效果、施工經(jīng)濟(jì)合理性等因素，擬定一級(jí)坡坡率為1∶0.75，采用路塹矮擋墻+錨桿格梁防護(hù)，錨桿設(shè)兩排，長(zhǎng)12 m；二級(jí)坡坡率為1∶1.0，采用錨索格梁防護(hù)，錨索設(shè)三排，分別長(zhǎng)43 m、45 m、47 m；三級(jí)坡坡率為1∶1.0，采用錨桿格梁，錨桿設(shè)三排，長(zhǎng)12 m；三～四級(jí)之間設(shè)20 m寬平臺(tái)；四級(jí)坡坡率為1∶1.0，采用路塹矮擋墻+錨桿格梁，錨桿設(shè)兩排，長(zhǎng)12 m；五級(jí)坡坡率為1∶1.0，采用錨索格梁，錨索設(shè)三排，分別長(zhǎng)43 m、45 m、47 m；六級(jí)坡坡率為1∶1.0，采用錨桿格梁，錨桿設(shè)三排，長(zhǎng)12 m；六～七級(jí)之間設(shè)20 m寬平臺(tái)；七級(jí)坡坡率為1∶1.0，采用路塹矮擋墻+錨桿格梁，錨桿設(shè)兩排，長(zhǎng)12 m；八級(jí)坡坡率為1∶1.25，采用掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土；九級(jí)坡坡率為1∶1.25，采用掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土；十級(jí)坡坡率為1∶1.5，采用掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土。見圖8。

7.2" 排水設(shè)計(jì)

各級(jí)邊坡坡腳采用仰斜式深層泄水孔，孔徑130 mm，間距6 m，填充硬塑透水管（110 mm），內(nèi)端頭用2層無紡布包裹，一～九級(jí)孔深為30 m，第十級(jí)孔深為10～15 m。一～九級(jí)坡每級(jí)邊坡間隔40～50 m設(shè)一道急流槽。寬平臺(tái)硬化時(shí)，內(nèi)部需增設(shè)鋼筋網(wǎng)片，以防止平臺(tái)開裂。對(duì)深挖方背側(cè)截水溝處進(jìn)行坡面硬化，同時(shí)截水溝增加防滲土工布。

7.3" 路塹矮擋墻

為進(jìn)一步加強(qiáng)坡腳的穩(wěn)定性，在第一、四、七級(jí)坡腳處設(shè)置1.5 m高的路塹矮擋墻，墻身與基礎(chǔ)采用C20現(xiàn)澆混凝土。

8" 結(jié)語

本文依托廣西某山區(qū)高速公路，對(duì)典型路段K134+360～K134+660段右側(cè)十級(jí)超高路塹邊坡提出四種不同坡率和平臺(tái)寬度的設(shè)計(jì)方案，基于ABAQUS軟件對(duì)高路塹邊坡模型的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并對(duì)不同方案進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：方案一、方案二、方案三、方案四模型下的安全系數(shù)分別為1.48、1.35、1.56、1.38，其中方案一和方案三安全穩(wěn)定系數(shù)相對(duì)較高，均具有一定的安全儲(chǔ)備，但方案一的經(jīng)濟(jì)性較為合理；在超深挖路塹邊坡設(shè)計(jì)中，通過增大坡級(jí)間的平臺(tái)寬度，使其形成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小邊坡，能較高程度地提高邊坡整體穩(wěn)定性，同時(shí)基于此提出相應(yīng)的防護(hù)措施，可為類似超深挖路塹高邊坡施工設(shè)計(jì)提供一定的參考。

［1］郭逾冬.公路深挖路塹邊坡穩(wěn)定性分析［J］.交通世界，2022（35）：49-51.

［2］趙天彪，袁茂蓮.某高速公路高路堤邊坡穩(wěn)定性分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化研究［J］.公路，2022，67（1）：74-78.

［3］董" 璞，劉金龍，李亮輝.強(qiáng)度折減有限元法分析邊坡穩(wěn)定性的精度探討［J］.四川建筑科學(xué)研究，2009，35（2）：146-150.

20240413