边坡稳定性分析及其加固措施

农常华

摘要:公路工程在建设过程中可能出现大量的高边坡，高边坡在各种不利因素的影响下，可能会出现整体失稳破坏。首先总结了公路高边坡的失稳原因和破坏形态，随后结合某公路工程高边坡，使用ANSYS软件对其在天然和暴雨两种工况下的稳定性进行了分析，最后结合工程实际情况，提出采用预应力锚索的方案进行治理，并基于锚索长度、锚索倾角、锚索垂直间距等设计参数提出了最优边坡锚固方案，研究成果可以为类似的公路高边坡工程提供理论指导。

关键词:公路;高边坡;稳定性;破坏原因;锚固优化设计

由于我国各地区地形地貌差异较大、水文地质条件复杂，公路工程勘察设计难度大，在建设过程中会形成大量的公路高边坡。公路高边坡坡面在短时强降雨、持续性降雨、气候变化、冻融作用等因素干扰下，会导致冲蚀、剥落、泥石流等边坡浅层病害，边坡浅层病害发展到一定程度会影响到边坡的整体稳定性。因此，准确地评价公路高边坡的稳定性，提出经济、合理、安全的加固措施，对于公路工程的建设具有十分重要的意义。

1公路边坡失稳原因及破坏形态

1．1公路边坡失稳原因

根据国内外相关学者的研究成果可知，公路高边坡失稳的原因大多数与当地的地质条件、地形地貌有很大的关系，主要有以下几点:

(1)边坡的岩石节理较为发育，同时又受到了风化作用的影响，造成岩石的强度随着时间大大降低，各项物理力学指标均明显下降，待到指标均降低到维持边坡稳定的最低水平，而造成边坡的失稳。

(2)在滑坡地段，未能对岩土体的各项性质进行深入的分析，在设计的过程中依旧采用较大的坡比，而在施工的过程中也未能根据现场的实际状况及时地进行调整，依旧按照原来的设计标准进行开挖，因而并不能保证边坡自身的稳定性。

(3)在边坡开挖完成之后，并未及时采取相应的有效保护措施，导致边坡上的岩土体长期暴露，经受阳光和雨水的长期风化和冲刷，使得岩土体的各项参数下降，坡体失稳。

(4)山区的降雨量较大，雨水可以沿着边坡的表面渗入到边坡内部。岩土体受到孔隙水的影响，降低了岩土体的强度参数，增大了边坡的下滑力，降低了稳定性，岩土体也发生了软化，从而降低了边坡的抗滑力。

1．2边坡破坏形态分类

目前常见的公路高边坡破坏形态主要有滑坡、崩塌、坍塌三种类型，每种边坡破坏形态的具体特点如下所示:

(1)滑坡

滑坡即边坡的坡体沿着不利结构面或者是软弱的夹层整体向下滑动，从而破坏了路基路面，对行车产生了安全威胁，对经济也造成了损失。

(2)崩塌

崩塌即部分岩土体经受日常风化在雨水的冲刷下沿着破裂面从边坡上方崩落而下，堆积在道路中造成交通的中断，崩塌最大的特点就是具有突发性。

(3)坍塌

坍塌即边坡表面松散的岩土体在强降雨的作用下被软化，强度急剧降低从而引起上部边坡的失稳。

2公路高边坡稳定性分析

2．1工程概况

仁新高速公路某段右侧路堑边坡原设计为三级边坡，边坡坡体主要为全～强风化岩。其中：

1.K288+850～K289+020段第一级坡采用锚杆格梁植草，坡率1:1.25；第二级坡采用锚杆格梁植草，坡率1:1.25；第三级坡采用人字形骨架植草，坡率1:1.5。

2.K289+020～K289+180段第一级坡采用锚杆格梁植草，坡率1:1；第二级坡采用锚索格梁植草，坡率1:1.25；第三级坡采用锚杆格梁植草，坡率1:1.25。

3.K289+180～K289+420段第一级坡采用锚杆格梁植草，坡率1:1；第二级坡采用锚杆格梁植草，坡率1:1.25；第三级坡采用人字形骨架植草，坡率1:1.5。平台宽度均为2m。边坡高约35m，表层1～3m为粉质粘土，下伏基岩为强风化变质板岩和中风化变质板岩，裂隙较发育，岩土整体较破碎。

2．2有限元模型建立

根据某处岩质高边坡典型断面，利用ANSYS建立了有限元模型，如图1所示。在输入各土层的物理力学参数之后，对该边坡模型进行网格划分，网格划分时选择四面体网格，每个网格尺寸是1m，总共划分了7260个网格。边坡的位移边界条件定义为:边坡模型的临空面均选择自由边界条件，侧面进行水平位移的约束，底部选择固定约束条件。本节对天然工况和暴雨工况下的边坡展开模拟，并通过分析其塑性区和位移等参数来评价边坡稳定性。

滑坡成因分析

根据补充勘察及现场开挖揭露情况，边坡覆盖层主要为粉质粘土和砂质粘土（局部为高液限土），层厚9～24m不等，含有较多孤石，表层崩坡积物厚度约3～6m；下伏全～强风化英安玢岩，抗风化能力差，其中全风化层厚度普遍达到10m以上，部分钻孔全风化层厚超过30m，全风化层内孤石极其发育，强风化岩底部为中风化英安岩，不易风化，存在倾向路基的不利结构面，坡脚局部出现渗水点。该边坡表层崩坡积物易渗水，残积土层局部含高液限土，易形成隔水层，且遇水易软化，抗剪强度显著降低，边坡开挖使坡体临空，造成原地质环境的平衡破坏，加之长时间强降雨影响，坡脚土体承载能力不足而破坏，牵引上部岩土体沿土体内部软弱不利结构面发生变形。

2．3天然工况下边坡稳定性

利用ABAQUS模拟边坡天然工况时，边坡的物理力学采用天然状态下的参数，得到的边坡塑性区和位移云图，天然工况下边坡的塑性区基本处在全风化岩层与中风化岩层的接触面附近，且边坡的最大塑性变形区位于边坡中部。与此同时，边坡的塑性变形区并没有完全贯通，该塑性区的位置可以视为边坡可能的滑动面。边坡的最大位移位于边坡坡脚位置。ANSYS软件计算出的边坡安全系数为1．337，因此，该边坡在天然工况下处于较稳定的状态。

2．4暴雨工况下边坡稳定性

利用ABAQUS模拟边坡暴雨工况时，边坡的物理力学采用饱和状态下的参数，得到的边坡塑性区和位移云图。暴雨工况下边坡的塑性区同样处在全风化岩层与中风化岩层的接触面附近，且边坡的最大塑性变形区位于边坡中部。与此同时，边坡的塑性变形区已经出现贯通迹象，这说明该工况下边坡容易发生失稳破坏。暴雨工况下，边坡最大位移位于边坡坡脚位置，且各点的位移整体上要大于天然工况下的边坡位移。ANSYS软件计算出的边坡安全系数为1．05，因此，该边坡在天然工况下处于欠稳定的状态，应当加强支护措施。

3公路高边坡锚固优化设计

根据锚固设计“强腰固脚”的原则，在某处岩质高边坡典型断面的坡脚处利用ANSYS建立了边坡锚固有限元模型，如图所示。锚杆采用pile单元进行模拟，锚杆数量为7根，锚杆长度选择了10m、15m、20m、25m、30m，锚杆倾角选择了10°、15°、20°、25°、30°，锚杆垂直间距为1m、2m、3m、4m。

选择锚杆长度、锚杆倾角和垂直间距作为影响岩质高边坡稳定性的主要设计参数，并在原来锚固设计方案的基础上对参数展开优化。

(1)锚杆长度的影响

计算得出了不同锚杆长度与岩质高边坡安全系数关系如图所示。计算结果表明，当锚杆长度小于25m时，岩质边坡安全系数随着锚杆长度的增加而增加，且二者之间基本呈线性变化关系;当锚杆长度大于25m时，岩质边坡安全系数随锚杆长度基本保持不变。因此，锚杆在加固岩质高边坡时，有效长度为24m，超过此长度，锚杆对边坡的安全系数没有提高。锚杆长度与岩质边坡安全系数的拟合方程是F=0．04L+0．5，相关系数Ｒ为0．9974，满足拟合精确度要求。

(2)锚杆倾角的影响

计算得出了不同锚杆长度与岩质高边坡安全系数关系如图所示。计算结果表明，锚杆倾角从10°～35°的变化过程中，岩质高边坡的安全系数先增大后减小。即当锚杆倾角小于20°时，边坡安全系数随着锚杆倾角的增加而增加;当锚杆倾角大于20°时，边坡安全系数随锚杆倾角的增加而减小。锚杆在加固岩质高边坡时的最佳锚固角为20°。 (3)锚杆垂直间距的影响

计算得出了不同锚杆垂直间距与岩质高边坡安全系数关系如图所示。计算结果表明，锚杆垂直间距从1～4m的变化过程中，岩质高边坡的安全系数先增大后减小。当锚杆垂直间距小于2m时，锚杆垂直间距与岩质边坡安全系数的拟合方程是F=0．1X+1．3，锚杆垂直间距大于3m时，锚杆垂直间距与岩质边坡安全系数的拟合方程是F=－0．15X+1．95，两个拟合的相关系数Ｒ分别为0.9984、0．9897，均满足拟合精确度要求。值得注意的是，锚杆垂直间距在2m、3m时的安全系数不变。因此，可以认为锚杆在加固岩质高边坡时的最佳垂直间距为2m。

结束语

主要对岩质高边坡失稳原因、稳定性分析及锚固优化设计等展开了详细探讨，天然工况下边坡的最大塑性变形区位于边坡中部，且未完全贯通，边坡的最大位移位于边坡坡脚位置。边坡安全系数为1．337，处于较稳定的状态。暴雨工况下边坡的最大塑性变形区位于边坡中部，且已经出现贯通迹象，边坡最大位移位于边坡坡脚位置，且各点的位移整体上要大于天然工况下的边坡位移。当锚杆长度小于25m时，岩质边坡安全系数随着锚杆长度的增加而增加。锚杆倾角从10°～35°的变化过程中，岩质高边坡的安全系数先增大后减小。锚杆垂直间距从1～4m的变化过程中，岩质高边坡的安全系数先增大后减小，且锚杆垂直间距在2m、3m时的安全系数不变。因此，公路高边坡在采用锚杆加固时的最佳长度为25m、最佳倾角为20°，最佳垂直间距为2～3m。

参考文献

[1]公路高边坡稳定性分析与加固措施研究[J].陈海.北方交通.2020(02)

[2]高速公路高边坡稳定性分析[J].景茂武.交通世界.2017(17)

[3]公路高边坡稳定性的长期监测[J].张力,瞿竹,姬同旭.四川建筑.2019(06)

[4]高边坡稳定性有限元分析[J].吴维杰.北方交通.2016(03)

[5]基于高边坡稳定性及治理的公路工程设计[J].王拓.大众标准化.2020(01)

[6]公路沿线高边坡稳定性评估方法仿真研究[J].冯业.计算机仿真.2019(01)