公路路基施工阶段高填深挖边坡稳定性分析.pdf

总652期2023年第22期（8月 上）0 引言高填深挖边坡的稳定性不佳，存在较大的安全隐患。近年来，国内外学者对这类边坡的稳定性进行了许多研究，并根据实际情况，对其影响因素进行了分析，结果表明，降雨对边坡的稳定性有很大的影响。在此种工况作用下，由于边坡容易发生崩塌、冲刷等问题，需要对边坡进行加固，并对边坡进行稳定监测。为了保证工程施工期间的结构稳定，必须对该地区的地质水文条件进行全面的调查，以保证工程施工的顺利推进，并能有效防止滑坡的发生。1 高填深挖路基边坡破坏机理1.1 边坡破坏形式高填深挖路基边坡的稳定性受多种因素的影响，可将其划分为内外两种类型。外在环境因子有工程荷载、风化、气候等；而内部影响因素主要包括岩性、地质条件、水质类型、坡体的外在特性等，这是影响边坡稳定的最重要因素。从已有的工程实践和研究结果分析，高填方和深挖方坡体通常都是地形陡峭、施工规模大、易产生沉降变形，从而导致边坡出现多种破坏形式，常见崩塌、滑坡、整体坍塌等破坏。按照滑坡的不同类型，可以划分为弧形滑坡、平面滑坡、楔形滑坡和崩塌滑坡。为确保高填深挖路基边坡的稳定，施工单位应在施工前制定相应的施工及监测计划，采取科学的边坡加固措施，对监测结果进行实时分析。1.2 路堤边坡破坏机理公路路堤边坡的破坏主要是坡脚和坡面的冲刷，例如暴雨会冲刷河道周边的路堤，暴雨还可能引起洪水，使路堤坡脚不断被冲刷，最终造成边坡失稳。在边坡上产生的冲刷现象，本质上是由于坡面土体在水流作用下的破坏，而水流作用则是由于雨水的溅落作用。雨水溅击是路基边坡最原始的冲刷方式，有关研究发现，降水的平均下落速率为810 m/s，对坡面的土体造成巨大的冲击，从而造成土壤颗粒被溅击侵蚀。雨水溅射的过程可以分成三个阶段：在降雨前期，雨点落在干地上，土壤粒子没有及时吸收，被雨点所溅起；随着降雨时间的不断延长，坡面土壤结构发生了严重的破坏，土壤微粒间的间隙被水所填充。在土体含水量达到饱和时，土壤为泥质，在雨水的冲刷下不断流失；降雨持续时间持续增大，土壤表面淤积的淤泥会堵塞土壤的孔隙，降低土壤的渗透率，使雨水在坡面上形成径流；坡面结构的破坏与降雨所产生的地表径向通道相联系，在坡面上形成径向沟道，并随降雨而不断扩展，逐步加大作用范围，从而影响了路堤的稳定性。1.3 路堑边坡破坏机理路堑边坡的结构失效和稳定性与其所处的地质情况有很大关系，其主要影响因素有：1）由于风化作用，路堑边坡的岩土力学性能下降，从而导致边坡失稳；2）当路堑边坡开挖后，没有及时进行表层保护，使裸露的边坡在各种外界因素的作用下发生不稳定；3）在降水过程中，坡面的雨水会渗透到边坡的结构中，使其自身重量增大，而结构的强度也随之降低，一些边坡发生滑坡，导致全面失稳。1.4 边坡稳定性影响因素1）结构因素：边坡结构对岩质边坡结构稳定、结构面尺寸、几何形状、土体性质有直接的影响；边坡的结构力学性能，会受空间分布等因素的影响，所以收稿日期：2022-11-29作者简介：任英（1984），男，山西天镇人，工程师，从事公路与桥梁施工、养护工作。公路路基施工阶段高填深挖边坡稳定性分析任英（山西省太原南郊公路管理段，山西 太原030032）摘要：为保证高填方、深开挖施工路段边坡的稳定性，阐述了此类路基边坡的破坏形态和机理，包括目前常用的定性分析、定量分析、极限平衡分析、数值分析，并基于边坡的稳定性理论，提出了边坡加固方案，为同类型工程项目建设提供参考借鉴。关键词：公路工程项目；路基工程；高填深挖路段；稳定性分析中图分类号：U416.1文献标识码：B86交通世界TRANSPOWORLD单纯的定性分析，并不能完全确定边坡结构的稳定性，而应该考虑边坡结构对边坡土体强度的作用；2）水分因素：水分对结构稳定的作用主要表现为：土体自身重量增大，结构强度下降；在侧向力大于土体颗粒间整体内摩擦力的情况下，边坡土发生滑动，从而引起边坡失稳；3）施工因素：在公路路基工程建设中，由于开挖造成了边坡体内应力平衡的破坏，导致了边坡的应力再分配；路基施工阶段，如果没有采取相应的加固措施，则会受到雨水冲刷等环境因素的影响，边坡的结构稳定性会逐步下降；另外，采用爆破岩体边坡方案，爆破产生的冲击力会使边坡的结构稳定性受到影响。2 边坡的稳定分析对高填、深挖公路路基边坡进行稳定性分析，既能确定目前的边坡稳定性现况，又能较好地预报施工进展中的边坡自稳能力，当发现边坡自身稳定性不充足时，应提前采用工程措施进行加固。目前，对边坡稳定性的研究，主要有定性分析和定量分析；极限平衡分析法和数值分析法。2.1 定性分析工程类比法、图解法是对边坡稳定性进行定性研究的主要手段。其中，工程类比法的基本原则是从边坡地质条件、土体性质、有没有出现滑坡趋势等方面入手，通过比较分析，归纳出两者的相似之处，并在此基础上对其进行定性分析。该方法的基本原理是将边坡稳定性表征和岩土体构造面投影到同一平面上，通过观测两者的水平投影关系，确定其可能的滑动面，从而对边坡进行定性分析。2.2 定量分析基于定性分析，对高填方、深开挖边坡的稳定性进行定量剖析，可以进一步提高边坡的稳定性预报精度，为边坡的加固奠定基础。目前，常用的定量分析方法有：极限平衡分析法、数值分析法。2.2.1 极限平衡分析工程实践中常用的是极限平衡分析方法，它的基本原则是利用力学平衡原理，通过计算来确定边坡体的潜在滑动面，从而得出了合理的边坡安全度；极限平衡法的核心内容是对滑坡面形态、滑坡范围的论证过程，并将极限平衡法划分为毕肖普法、简布法等。2.2.2 数值分析近年来，随着计算机技术的飞速发展，计算机数值方法也随之产生，其应用主要有离散单元法、有限差分法、有限单元法等。其中最常用的是有限单元法，它的主要特征是将边坡土的地质状况综合起来，能较全面、客观地反映工程的实际状况；但是，这种方法需要精确的测量数据，并确保原始数据的偏差在合理的范围内。离散元法可以很好地克服有限元方法所带来的问题，它可以直观地反映出边坡的变形等重要情况，适合于块裂岩的边坡稳定分析，但由于离散单元的步长较短，使得相关系数的确定较为困难。采用合理的数值分析方法可以很好地解决边坡失稳问题，但需要进行数学建模和参数校核，这对技术人员的技术水平有很大的要求。因此，必须将极限平衡法与数值分析相结合，相互印证，才能有效地提高分析结果的可信度。3 工程实践3.1 工程概况某山区公路采用双向四车道设计，起讫桩号K70+800K72+800，设计时速80 km，路基宽度26.5 m，沿途共有9座大中桥、4座天桥和2座匝道现浇桥；路基全长19 km，开挖土石方量达573万m3，填方366.7万m3。在多个地段，必须进行高填深挖，高填深挖边坡坡度2632，绝对高程180285 m，相对高差28 m。3.2 自然条件1）地形地貌：该项目位于山地丘陵地带，东低西高，平均海拔900 m，海拔最低为916 m，境内沟壑纵横，地形错综复杂。该工程场地内有耕地、山坡植被，坡地上的植被主要是杂草和灌木。2）气象与水文：该项目地处亚热带地区，夏季炎热，冬季温暖，雨量充沛，四季分明，日照充足。根据前几年的降雨资料，可以得出每年的年降水量 1332.9 mm；47月份是雨季，每年降水量 85%，年平均温度9.3，年平均相对湿度70%。由于这一区域降雨多，导致了边坡的不稳定。因此，在雨季到来之前，必须进行边坡稳定性分析，并依据分析结果，制定相应的加固方案，以保证高填深挖边坡的稳定。3.3 极限平衡分析图1为该道路K57+850右侧路堑断面形式，此段边坡开挖采用极限平衡法对边坡的结构稳定性进行研究，分析结果表明：1）边坡高度47.23 m，边坡结构面倾角29.0，采用锚杆加固，边坡的结构面内摩擦角为25.3，黏结力为33.4 kPa；2）通过采用理正软件和极限平衡分析，利用圆弧滑动面方法计算出了该边坡的安全系数为1.302，大于1.2，由此说明了此边坡的稳定性较好。3.4 数值分析该段路基右边坡为级边坡，其数值模型高95 m，宽度180 m，土质由上至下依次为强、中风化粉砂岩，除上表面外，其余各边界均做位移限制，加固后的锚87总652期2023年第22期（8月 上）杆为181000mm。利用ABAQUS进行了有限元计算，并给出了相应的计算模型，如图2所示；在此基础上，以摩尔-库伦本构模型为基础，对边坡加固措施的稳定性进行有限元分析。表1中列出了天然土的土体的物理力学参数和锚杆性能。图2 数值模型表1 土体的物理力学参数和锚杆性能土质名称强风化粉砂岩中风化粉砂岩锚杆弹性模量E/MPa4.3926.08210.09重度/（kN/m3）22.1224.117 800.20黏聚力c/MPa18.3819.09内摩擦角/24.0226.05图3为采用锚杆加固边坡后的土体塑性云图，其中有一幅贯穿图像，表征为该岩体的结构稳定处于临界状态，采用圆弧滑动面方法计算了边坡的结构失稳系数为1.094，小于1.2，说明该边坡结构的稳定性差，必须进行边坡的加固才能有效地改善其稳定性。图3 开挖完成后的塑性区云图3.5 边坡加固措施1）边坡支护：该类方案的主要功能是增加边坡的抗滑力，使其具有较好的稳定性，是边坡结构加固的最佳途径。工程实践中可以将各种边坡支护技术有机地结合起来，以将暴雨冲蚀的程度降至最低，达到加固坡体、保护坡面的目的；2）边坡排水：边坡土的含水量与边坡结构的稳定性有很大的关系，边坡表层的积水、渗入的水都会对边坡的稳定性产生不利的影响，所以必须采取相应的排水措施。目前，常见的排水方法有两种，主要分为边坡表面排水与边坡土体排水。其中地表排水是指在坡面上截取地表水流，以保证其顺利排出，防止积水冲刷在坡面上，造成坡体结构的破坏；边坡土体排水措施就是对地下水进行疏排，例如渗沟、盲沟、渗井等是其主要的排水设施；3）其他加固措施：该段路基边坡的开挖深度大、坡面级数多、坡度大、结构稳定性差，尤其是在降雨工况下，边坡失稳风险显著增加。为此，需要对一级和二级边坡进行混凝土框架植草加固，三级和四级边坡采用锚索和挂网植草方案。4 结论综上所述，根据项目实践情况，该文从高填深挖路基边坡的破坏机理入手，对各工况条件下的边坡稳定性进行了分析，最后提出了边坡加固措施，并得出如下结论：1）施工前必须仔细制定施工方案，包括边坡结构稳定监控方案、实时分析监测资料，以便在施工中采取适当的边坡加固措施；2）合理应用极限平衡、数值分析等定量分析手段，相互补充、相互印证，从而有效地提升边坡稳定性分析结果的精准性；3）对于多级边坡，应对一级和二级边坡进行植草加固，三级和四级边坡采用锚杆和挂网植草方案。参考文献：1 肖迎春，周宗红，王昌，等.瑞典条分法在公路边坡稳定性分析中的应用J.中国非金属矿工业导刊，2015（4）：60-62.2 李清华，肖田，邱博超，等.水位变化对路基边坡渗流场及稳定性影响分析J.科学技术与工程，2022，22（13）：5403-5410.3 官文龙.海外高速公路高填深挖路基施工及边坡稳定性研究J.公路交通科技（应用技术版），2018，14（1）：174-176.4 涂圣文，郑克梅，张尧，等.基于改进CRITIC法与云模型相结合的高速公路路堑高边坡工程施工安全总体风险评估模型研究J.安全与环境工程，2019，26（3）：127-132.单位：m图1 右侧路堑断面88