公路路基邊坡穩定性及錨固優化設計

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摘要：該文分析總結了極限平衡法和數值計算法的特點，并利用有限差分軟件FLAC3D建立模型，探討了錨桿布置參數對邊坡穩定性的影響。研究結果表明，錨桿軸力與錨桿的加固效果、邊坡安全系數存在明顯的正相關關系；當錨桿之間的布設間距固定，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，增加錨桿長度能很好地提高邊坡穩定性，反之，錨桿加固效果不明顯，甚至會降低邊坡穩定性。

關鍵詞：路塹邊坡；安全系數；FLAC3D；固優化

路基邊坡穩定性是確保公路項目施工進度和安全運營的關鍵因素之一。公路邊坡穩定性易受到地形地貌、施工技術等因素影響，尤其是山區公路，往往會遇到較大規模的高填深挖，改變原有的地質條件，可能導致滑坡、坍塌等地質災害，從而導致嚴重的經濟損失及不良的社會影響。選擇經濟、合理、可行的邊坡防護措施，已經成為工程技術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、三維網植草、預應力錨索（桿）、圬工防護等。近年來，國內外研究人員及工程師也通過理論公式計算、離心模型、原位監測等措施來探討了巖土項目的錨固機理、加固效果及設計理念，并提出大量有價值的研究成果[1]。但是，設計人員在開展公路設計任務時，仍以工程類比法為主，為了確保工程有較高的安全冗余度，設計方案一般較保守，從而導致工程費用過高，故分析路基邊坡安全系數的變化機理及錨固方案優化具有十分重要的工程意義。

1邊坡穩定性分析方法

1.1極限平衡分析法

極限平衡法是公路項目中應用最廣泛的一種路基邊坡計算方法，一般假設路基邊坡的潛在滑動面為直線或圓弧形，并根據邊坡邊界條件，對可能出現滑坡的若干個滑動面進行力學分析，建立土體強度和作用荷載之間的平衡條件，給出相應的安全系數。極限平衡法不能考慮巖土體的應力歷史、加載-卸載過程等，但其計算方法簡便、計算結果可靠。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路基邊坡潛在滑動面為圓弧形，而分析巖體邊坡穩定性時，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，同樣適用于滑動面為圓弧的土質邊坡。該方法是將滑坡體劃分成多個寬度相同的垂直條塊（如圖1所示），并以滑動圓弧的圓心為力矩中心點，計算得到抗滑力矩與下滑力矩的比值即為邊坡安全系數[3]。(3)SARMA法SARMA法應用較廣泛，不僅能計算潛在滑動面為直線、折線、圓弧形的路基邊坡安全系數，還能考慮以巖體的斷層、節理等來劃分滑坡體的條塊，并能夠對滑坡開展反分析，求出滑動面的粘聚力和內摩擦角。

1.2數值計算法

隨著計算機技術的飛速發展，數值計算法在巖土計算領域地應用日益普遍，一般包括有限元法、有限差分法、離散元法等，其中有限元法的應用最廣泛[4]。有限元法能用來計算巖土體的彈性、彈塑性、流變、大變形問題等，并能夠給出巖土體的應力應變大小和分布規律，以便于更好地分析路基邊坡的失穩變形機制。

2邊坡錨固機理及計算模型建立

2.1錨固機理分析

研究成果表明，錨桿（索）加固技術可以充分發揮巖土體本身強度和潛力，控制工程變形，幾乎成為應對公路邊坡失穩破壞的最為經濟、有效的措施之一。天然狀態下的路基邊坡往往受到潛在滑動面以上巖土體切向力、滲透水及其他荷載，而其穩定性主要是由邊坡可能滑動面巖土體的抗剪強度參數來維持[5-6]。為了避免邊坡失穩破壞，錨固力必須能使作用在滑動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定地層中，利用穩定地層的錨固作用和被動抗力，使得邊坡保持穩定狀態。錨桿阻止滑坡體下滑主要源于潛在滑動面上錨桿與巖土體的相互作用，此時錨桿均可視作一個個約束點，每個約束點均可提供正壓力和上提力，前者可以阻止滑坡體與穩定巖土體分離，后者可以阻止滑坡體的下滑。當這些約束點的數目、位置和強度布置合理時，才能夠充分發揮錨桿的錨固作用，使邊坡保持穩定狀態。

2.2邊坡計算模型建立

(1)邊坡地質概況依托項目為某山區公路，沿線地質條件較為復雜，可能存在較多高陡路基邊坡。路基邊坡的巖體基本都是強風化泥質粉砂巖，完整性和穩定性較差。同時，根據區域地質資料，場區處于相對較穩定的地質環境，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，路基邊坡巖體的設計物理力學參數建議值見表1：FLAC3D軟件可以用cable單元來模擬全長粘結錨桿結構及其與巖體之間的接觸面，但應當將錨桿結構進行簡化處理，即將錨桿視作理想的兩節點直線單元，且直線段的截面及材料參數完全相同。

3支護參數對邊坡穩定性影響分析

在確定設計參數、建模、劃分網格、設置邊界條件等工作完成之后，對邊坡穩定性開展驗算，得到了天然狀態路基邊坡的安全系數為0.98，小于《公路路基設計規范》（JTGD30-2015）的規定值1.2，故需要進行加固處理。路基邊坡加固應按照“強腳固腰”原則[7]，采用全長粘結錨桿對一級和二級邊坡進行防護，錨桿布置間距、長度對邊坡穩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，各個位置相應的高度分別為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的安全系數，見表2：計算結果表明，隨著錨桿軸力的增加，錨桿的錨固效果變好，安全系數也不斷增大，且兩者之間基本呈線性正相關的關系。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間距下的錨固效果及其對邊坡安全系數的影響。

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變化規律。計算結果表明，當邊坡錨桿加固長度小于15m時，隨著錨桿長度的增加，邊坡安全系數也逐漸增大 ，但兩者之間為非線性正相關；當邊坡錨桿加固長度大于15m時，邊坡穩定性增長不明顯，錨桿加固長度18m相對于15m，邊坡的安全系數僅提高了1.21%，可以忽略不計；當邊坡錨桿加固長度大于18m時，增加錨桿加固長度反而會導致邊坡的安全系數降低。

4結語

(1)邊坡穩定性分析方法主要有極限平衡法和數值計算法，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定地層中，使得邊坡保持穩定狀態，錨桿可視作一個個約束點，為滑坡體提供正壓力和上提力。當這些約束點的數目、位置和強度布置合理時，才能夠充分發揮錨桿的錨固作用；(3)隨著錨桿軸力提高，錨桿地錨固效果變好，安全系數也持續增大，且兩者之間基本呈線性正相關關系；(4)當邊坡錨桿加固長度大于15m時，邊坡安全系數增加很小，當邊坡錨桿加固長度大于18m時，邊坡穩定性反而降低。因此，從技術和經濟兩方面來分析，該邊坡的錨桿加固長度可取15m。

參考文獻

[1]陳海.公路高邊坡穩定性分析與加固措施研究[J].北方交通，2020（2）：79-82.

[2]楊錫江.巖質邊坡穩定性分析理論與錨固設計優化[J].中國公路，2020（5）：106-107.

[3]賈慧光.路塹高邊坡錨桿支護方式對邊坡穩定性影響研究[J].工程技術研究，2020，5（3）：63-64.

[4]王鵬翔，孫少銳，蔣波，等.南京某山體邊坡穩定性評價及其加固措施研究[J].勘察科學技術，2019（6）：28-32，51.

[5]傅建紅，劉澤，陳高，等.基于強度折減法的多錨加固邊坡穩定性分析[J].工程技術研究，2020，5（7）：26-28.

[6]郭昊天，王志豐，王亞瓊.基于有限元強度折減法的路塹高邊坡穩定性分析[J].公路，2019，64（11）：27-32.

[7]楊柏軒，隆威.預應力錨桿（錨索）在湖南某高速公路高邊坡支護中的應用[J].中外建筑，2019（9）：169-171.

作者：高曉通 單位：新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院