公路路基邊坡穩(wěn)定性及錨固優(yōu)化設(shè)計(jì)

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摘要：該文分析總結(jié)了極限平衡法和數(shù)值計(jì)算法的特點(diǎn)，并利用有限差分軟件FLAC3D建立模型，探討了錨桿布置參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明，錨桿軸力與錨桿的加固效果、邊坡安全系數(shù)存在明顯的正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)錨桿之間的布設(shè)間距固定，邊坡存在有效錨固長度15m；錨桿長度在有效錨固長度范圍內(nèi)，增加錨桿長度能很好地提高邊坡穩(wěn)定性，反之，錨桿加固效果不明顯，甚至?xí)档瓦吰路€(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：路塹邊坡；安全系數(shù)；FLAC3D；固優(yōu)化

路基邊坡穩(wěn)定性是確保公路項(xiàng)目施工進(jìn)度和安全運(yùn)營的關(guān)鍵因素之一。公路邊坡穩(wěn)定性易受到地形地貌、施工技術(shù)等因素影響，尤其是山區(qū)公路，往往會(huì)遇到較大規(guī)模的高填深挖，改變原有的地質(zhì)條件，可能導(dǎo)致滑坡、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失及不良的社會(huì)影響。選擇經(jīng)濟(jì)、合理、可行的邊坡防護(hù)措施，已經(jīng)成為工程技術(shù)人員需要解決的重要問題。目前常用的路基邊坡加固方案主要有錨桿（索）框架梁、擋土墻、三維網(wǎng)植草、預(yù)應(yīng)力錨索（桿）、圬工防護(hù)等。近年來，國內(nèi)外研究人員及工程師也通過理論公式計(jì)算、離心模型、原位監(jiān)測等措施來探討了巖土項(xiàng)目的錨固機(jī)理、加固效果及設(shè)計(jì)理念，并提出大量有價(jià)值的研究成果[1]。但是，設(shè)計(jì)人員在開展公路設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，仍以工程類比法為主，為了確保工程有較高的安全冗余度，設(shè)計(jì)方案一般較保守，從而導(dǎo)致工程費(fèi)用過高，故分析路基邊坡安全系數(shù)的變化機(jī)理及錨固方案優(yōu)化具有十分重要的工程意義。

1邊坡穩(wěn)定性分析方法

1.1極限平衡分析法

極限平衡法是公路項(xiàng)目中應(yīng)用最廣泛的一種路基邊坡計(jì)算方法，一般假設(shè)路基邊坡的潛在滑動(dòng)面為直線或圓弧形，并根據(jù)邊坡邊界條件，對可能出現(xiàn)滑坡的若干個(gè)滑動(dòng)面進(jìn)行力學(xué)分析，建立土體強(qiáng)度和作用荷載之間的平衡條件，給出相應(yīng)的安全系數(shù)。極限平衡法不能考慮巖土體的應(yīng)力歷史、加載-卸載過程等，但其計(jì)算方法簡便、計(jì)算結(jié)果可靠。目前常見的極限平衡法一般包括瑞典條分法、畢普肖法、薩爾瑪法（SARMA）法[2]。(1)瑞典圓弧法瑞典條分法是假定土質(zhì)路基邊坡潛在滑動(dòng)面為圓弧形，而分析巖體邊坡穩(wěn)定性時(shí)，必須是破碎或松散巖體才具備可行性，主要原因在于完整巖體邊坡的滑動(dòng)面往往是折線形，與瑞典圓弧法的理論矛盾。(2)畢普肖法畢普肖法是對瑞典圓弧法的一種改進(jìn)，同樣適用于滑動(dòng)面為圓弧的土質(zhì)邊坡。該方法是將滑坡體劃分成多個(gè)寬度相同的垂直條塊（如圖1所示），并以滑動(dòng)圓弧的圓心為力矩中心點(diǎn)，計(jì)算得到抗滑力矩與下滑力矩的比值即為邊坡安全系數(shù)[3]。(3)SARMA法SARMA法應(yīng)用較廣泛，不僅能計(jì)算潛在滑動(dòng)面為直線、折線、圓弧形的路基邊坡安全系數(shù)，還能考慮以巖體的斷層、節(jié)理等來劃分滑坡體的條塊，并能夠?qū)麻_展反分析，求出滑動(dòng)面的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

1.2數(shù)值計(jì)算法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值計(jì)算法在巖土計(jì)算領(lǐng)域地應(yīng)用日益普遍，一般包括有限元法、有限差分法、離散元法等，其中有限元法的應(yīng)用最廣泛[4]。有限元法能用來計(jì)算巖土體的彈性、彈塑性、流變、大變形問題等，并能夠給出巖土體的應(yīng)力應(yīng)變大小和分布規(guī)律，以便于更好地分析路基邊坡的失穩(wěn)變形機(jī)制。

2邊坡錨固機(jī)理及計(jì)算模型建立

2.1錨固機(jī)理分析

研究成果表明，錨桿（索）加固技術(shù)可以充分發(fā)揮巖土體本身強(qiáng)度和潛力，控制工程變形，幾乎成為應(yīng)對公路邊坡失穩(wěn)破壞的最為經(jīng)濟(jì)、有效的措施之一。天然狀態(tài)下的路基邊坡往往受到潛在滑動(dòng)面以上巖土體切向力、滲透水及其他荷載，而其穩(wěn)定性主要是由邊坡可能滑動(dòng)面巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)來維持[5-6]。為了避免邊坡失穩(wěn)破壞，錨固力必須能使作用在滑動(dòng)面上的所有力系保持平衡，即抗滑力矩大于下滑力矩，加固原理如圖2所示：由此可知，錨桿可以將滑坡推力傳遞到更深的穩(wěn)定地層中，利用穩(wěn)定地層的錨固作用和被動(dòng)抗力，使得邊坡保持穩(wěn)定狀態(tài)。錨桿阻止滑坡體下滑主要源于潛在滑動(dòng)面上錨桿與巖土體的相互作用，此時(shí)錨桿均可視作一個(gè)個(gè)約束點(diǎn)，每個(gè)約束點(diǎn)均可提供正壓力和上提力，前者可以阻止滑坡體與穩(wěn)定巖土體分離，后者可以阻止滑坡體的下滑。當(dāng)這些約束點(diǎn)的數(shù)目、位置和強(qiáng)度布置合理時(shí)，才能夠充分發(fā)揮錨桿的錨固作用，使邊坡保持穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2邊坡計(jì)算模型建立

(1)邊坡地質(zhì)概況依托項(xiàng)目為某山區(qū)公路，沿線地質(zhì)條件較為復(fù)雜，可能存在較多高陡路基邊坡。路基邊坡的巖體基本都是強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，完整性和穩(wěn)定性較差。同時(shí)，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，場區(qū)處于相對較穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境，場地土屬中硬土，無地震作用下的可液化地層，地震基本烈度為Ⅵ度，路基邊坡巖體的設(shè)計(jì)物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1：FLAC3D軟件可以用cable單元來模擬全長粘結(jié)錨桿結(jié)構(gòu)及其與巖體之間的接觸面，但應(yīng)當(dāng)將錨桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，即將錨桿視作理想的兩節(jié)點(diǎn)直線單元，且直線段的截面及材料參數(shù)完全相同。

3支護(hù)參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性影響分析

在確定設(shè)計(jì)參數(shù)、建模、劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件等工作完成之后，對邊坡穩(wěn)定性開展驗(yàn)算，得到了天然狀態(tài)路基邊坡的安全系數(shù)為0.98，小于《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD30-2015）的規(guī)定值1.2，故需要進(jìn)行加固處理。路基邊坡加固應(yīng)按照“強(qiáng)腳固腰”原則[7]，采用全長粘結(jié)錨桿對一級和二級邊坡進(jìn)行防護(hù)，錨桿布置間距、長度對邊坡穩(wěn)定性的影響分析如下。

3.1錨桿間距的影響

在錨桿長度（12m）和錨桿傾角（15°）不變前提下，將錨桿布置在圖4所示位置，各個(gè)位置相應(yīng)的高度分別為1m、3m、5m、7m、9m、11m、13m、15m、17m、19m。利用FLAC3D得到了錨桿在邊坡不同位置處的軸力大小及相應(yīng)的安全系數(shù)，見表2：計(jì)算結(jié)果表明，隨著錨桿軸力的增加，錨桿的錨固效果變好，安全系數(shù)也不斷增大，且兩者之間基本呈線性正相關(guān)的關(guān)系。這樣就可以利用錨桿軸力的差值來間接分析多根錨桿在不同布設(shè)間距下的錨固效果及其對邊坡安全系數(shù)的影響。

3.2錨桿長度的影響

在錨桿長度縱向間距（2m）和錨桿傾角（15°）不變的前提下，將錨桿按表3來布置，分析長度分別為6m、9m、12m、15m、18m、21m的錨桿加固下的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)邊坡錨桿加固長度小于15m時(shí)，隨著錨桿長度的增加，邊坡安全系數(shù)也逐漸增大 ，但兩者之間為非線性正相關(guān)；當(dāng)邊坡錨桿加固長度大于15m時(shí)，邊坡穩(wěn)定性增長不明顯，錨桿加固長度18m相對于15m，邊坡的安全系數(shù)僅提高了1.21%，可以忽略不計(jì)；當(dāng)邊坡錨桿加固長度大于18m時(shí)，增加錨桿加固長度反而會(huì)導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)降低。

4結(jié)語

(1)邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有極限平衡法和數(shù)值計(jì)算法，前者包括瑞典圓弧法、畢普肖法、SARMA法等，后者包括有限元法、有限差分法、離散元法等；(2)錨桿能傳遞滑坡推力傳遞到更深的穩(wěn)定地層中，使得邊坡保持穩(wěn)定狀態(tài)，錨桿可視作一個(gè)個(gè)約束點(diǎn)，為滑坡體提供正壓力和上提力。當(dāng)這些約束點(diǎn)的數(shù)目、位置和強(qiáng)度布置合理時(shí)，才能夠充分發(fā)揮錨桿的錨固作用；(3)隨著錨桿軸力提高，錨桿地錨固效果變好，安全系數(shù)也持續(xù)增大，且兩者之間基本呈線性正相關(guān)關(guān)系；(4)當(dāng)邊坡錨桿加固長度大于15m時(shí)，邊坡安全系數(shù)增加很小，當(dāng)邊坡錨桿加固長度大于18m時(shí)，邊坡穩(wěn)定性反而降低。因此，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面來分析，該邊坡的錨桿加固長度可取15m。

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作者：高曉通 單位：新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院