粤东山区省道路堑高边坡稳定性及锚索加固

张海俊，汪昱洲

(广东粤路勘察设计有限公司,广州 510635)

0 引言

结合地形地质选线是公路路线设计的主要方法之一，一般而言总体设计时会充分利用地形展线，在合理利用指标的同时降低工程规模。实际工程中为了使总体设计最优，不可避免地会出现深挖路堑，根据设计文件编制办法，深挖路堑应作为工点单独设计。高边坡设计前，需综合考虑边坡的工程地质条件、坡形坡率等因素，采用合理的稳定性分析方法，对边坡进行稳定性计算并作出相应的评价，根据规范要求的安全系数与稳定性分析结果拟定合理的加固方案。

本文以省道221线大埔段改造工程某路堑高边坡为例，采用有限元方法模拟边坡工况，分析开挖后山体应力状态发生重大变化的边坡安全系数，结合计算云图分析拟定加固方案，验算加固后边坡的安全系数、最大剪切应力的变化等。

1 工程概况

省道221线大埔段改造工程(大埔县城段)K50+650～+814段左侧，属于高边坡。该处边坡土质为砂质粘性土、全-中风化花岗岩，根据已开挖的边坡现状观察，局部出现崩塌现象，部分边坡岩层顺层，存在安全隐患，易产生整体塌方或滑坡。根据区域地质资料，主要地层岩性为：

(2)强风化花岗岩：褐黄色、浅肉红色,结构大部分破坏,矿物成分显著变化,风化裂隙发育,干钻不易钻进。孔深0～26.4m岩芯以砂土状为主,局部夹块状、碎块状;孔深26.4～30.1m岩芯以短柱状～碎块状为主,局部夹砂土状;岩芯手掰可碎～锤击易碎,属极软岩。本层土、石等级为Ⅲ～Ⅳ级，土、石类别为硬土～软石。本层层顶高程148.39m，厚度30.1m。

(3)中风化花岗岩：褐黄色、肉红色，花岗结构,块状构造,裂隙较发育。岩芯以短柱状为主，岩芯锤击声稍脆，难碎，属较硬岩。层顶深度30.1m，层顶高程118.29m，厚度1.9m。本层土、石等级为Ⅴ级，土、石类别为次坚石。

(4)微风化花岗岩：肉红色，色鲜，花岗结构,块状构造,裂隙稍发育。岩芯呈长柱状、柱状夹短柱状，岩芯锤击声脆，难碎，属坚硬岩。本层未揭穿，层顶深度32m，层顶高程116.39m，揭露厚度3.16m。本层土、石等级为Ⅴ级，土、石类别为次坚石。

图1 现状边坡地质剖面

2 边坡稳定性分析

2.1 总体设计思路

路堑边坡的设计是否合理是决定路堑边坡稳定的关键，其包括确定坡形、坡率、边坡高度和加固与防护结构的类型等，故在一定的工程地质条件下，路堑边坡的稳定性取决于设计的坡形坡高及加固措施是否与地质条件相适应[6]。

本文选取最不利剖面K50+770处分析其稳定性。本边坡岩土体以强风化、中风化及微风化花岗岩为主，山体高耸，为避免剥山皮大规模开挖扰动山体，采取较陡的坡率开挖台阶并加固。根据工程实践经验，花岗岩类风化最大的剪切应变一般位于岩层交界处，且一般为圆弧形滑动。根据降雨资料分析，该区降雨量大，因此进行稳定性分析时，地表水对坡面稳定影响显著，应考虑土体达到饱和状态下对边坡稳定的影响。C、φ采用饱和快剪指标，暴雨及连续降雨工况下根据土工试验和本地区类似的工程进行折减。

有限元是边坡稳定性分析中采用较多的一种数值方法，它能满足静力平衡与应变相容条件，考虑了岩体的不连续性和非均质性，将无限自由度的结构体转化为有限自由度的等价体系，还能够模拟土体与支护的共同作用[7]。其优点是不但能进行线性分析还可以进行非线性分析，但有限元方法在实际工程中受物理参数选取的影响较大，对大变形求解、应力集中等问题的求解尚有待改进[2]。本文采用迈达斯软件SoilWorks建立有限元模型(强度折减系数法SRM)进行稳定性分析，为加固方案提供理论基础。

2.2 边坡坡率及加固方案的拟定

路堑高边坡设计遵循“减载、固脚、强腰、排水”的原则，贯彻“建绿色通道，走环保之路”、“恢复自然、水土保持、综合治理、因地制宜、技术先进、经济美观”的理念。在卸载受限制、放坡对自然植被影响严重的路段，采取适当收坡并加固的措施进行防护[1]。本文选取K50+770最不利的边坡剖面分析，其第一、二级边坡按1∶0.75放坡，三级及以上边坡按1∶1放坡，每级坡高10m，平台宽2m。通过分析计算及经济对比，在第二、三级边坡设置锚索+框架梁的方案较优。设计参数为：锚索设计总长30m，自由端长20m，锚固端长10m；竖向间距3m，水平间距2m；施加预应力400kN；框架梁竖、横向梁尺寸为40cm×40cm，间距200m×300m。

2.3 路堑边坡模型的建立

利用迈达斯SoilWorks软件，采用强度折减法，根据地质勘察资料建立数值模型。本边坡处治高差大、精度要求高，模型建立时边界条件充分考虑边界效应对计算精度的影响。X方向计算长度取边坡水平尺寸的2倍，Z方向计算长度取边坡尺寸的1.5倍，计算模型长175m、高100m。模拟计算时假定边界约束在坡体前后两侧没有水平位移，而坡体底部则没有任何位移，锚杆、锚索均在弹性状态下工作。[3]SoilWorks模型元素包含四个面、锚索和框架梁等元素，采用有限元的理论对四个面赋予地基特性，对锚索和框架等赋予结构特性，最后进行网格划分。本文建立的模型共计12 932个单元，26 279个节点，本构模型采用莫尔-库仑。支护材料参数见表1。

表1 支护材料参数

图2 边坡稳定计算模型

根据工程地质勘察报告建议值、室内试验及以往工程经验，并依照规范要求得到各岩土层的物理力学参数(表2)，其中在暴雨或连续降雨状态下，表层土凝聚力C折减为55kPa，内摩擦角折减为27°。

图3 锚索+框架梁模型(单元划分)

表2 土层材料参数

2.4 稳定性

为了确保路基的安全性，适当提高安全系数。根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)公路等级一级公路，取正常工况安全系数最大值K=1.30，暴雨工况安全系数最大值K=1.20。采用有限元应力折减法，自动搜索破裂面。

表3 路堑边坡稳定安全系数

根据计算结果，未加固前正常工况现状边坡K=1.162 5，暴雨工况现状边坡K=0.987 5，边坡安全系数不满足《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)的要求。特别是在暴雨工况下，边坡在设计坡率下不能保持稳定，坡体可能出现严重的变形、坍塌或其它破坏，对道路安全有严重影响。

从图4与图5最大剪切应变云图可知，无论是正常工况还是暴雨工况，潜在滑动面均位于强风化与中风化交界处，主要是强风化物理力学参数低于中风化层，在两层之间产生应力集中的现象，边坡岩土体有相对位移的趋势。

图4 最大剪切应变云图(正常工况现状边坡 K=1.162 5)

图5 最大剪切应变云图(暴雨工况现状边坡 K=0.987 5)

根据模型计算结果，框架梁+锚索的加固方案正常工况加固后的边坡K=1.35，暴雨工况加固后的边坡K=1.25，均满足规范要求。

由图6与图7可知，边坡加固后，坡体内力发生变化。正常工况下最大剪切应变从坡脚移动到第三级边坡坡顶处，处于非贯通状态；暴雨工况下最大剪切应变仍在坡脚处，但应力分散至第一级坡脚及第三级坡顶，且安全系数达到1.25，满足规范要求。由图8可知，加固前暴雨工况下总位移最大的区域在前五级边坡，最大位移为0.43m，潜在滑动面基本与最大剪切应变一致。由图9可知，锚索穿过潜在滑动面嵌入微风化加固后，改变了加固前的潜在滑动面，边坡整体呈现稳定状态，最大位移3.09mm。

图6 最大剪切应变云图(正常工况加固后边坡 K=1.35)

图7 最大剪切应变云图(暴雨工况加固后边坡 K=1.25)

图8 总位移云图(暴雨工况加固前边坡)

图9 总位移云图(暴雨工况加固后边坡)

图10 锚索轴力(暴雨工况加固后边坡)

根据上述计算结果，正常工况现状边坡安全系数为1.162 5，加固后边坡安全系数为1.350 0；暴雨工况现状边坡安全系数为0.987 5，加固后边坡安全系数为1.250 0；取最不利暴雨工况，锚索轴力最大值296.2kN,最大位移3.09mm(锚索与框架梁直接处)。边坡支护加固后，各项计算数据均满足规范要求，且具备一定的富余。因此，加固方案有效地改善了岩土体的应力状态和潜在滑动面状态，边坡发生破坏的可能性小，加固方案是合理的。

3 锚索设计及验算

锚固体的承载能力由注浆体与锚孔壁的黏结强度、锚索与注浆体的黏结强度及锚索强度等控制，设计时应取小值。经过验算，锚杆(索)锚固体与岩土层间的抗拔力为667kN，锚杆(索)杆体与锚固砂浆间的抗拔力为627kN。该边坡最不利工况下锚索最大轴力为296.2kN，因此，锚索设计安全。

4 结语

(1)迈达斯SoilWorks软件强度折减系数法(SRM)是通过逐渐减少剪切强度直到计算不能收敛为止，将没有收敛阶段视为破坏，将此时的最大强度折减率作为边坡的最小安全系数[4]。有限元模拟方法计算结果精确度高，从锚杆内力、岩土单元应力应变、塑性变形、破坏状态、位移等多个维度分析岩土体的物理状态，为高边坡加固方案费用效益最佳提供理论依据。

(2)通过路堑高边坡工程实例的边坡稳定性分析，正常工况下锚索加固前安全系数K=1.162 5，加固后安全系数K=1.350 0，提高了约16.13%；暴雨工况下锚索加固前安全系数K=0.987 5，加固后安全系数K=1.250 0，提高了约26.58%。通过分析，暴雨工况下边坡安全系数提升显著，对于暴雨多发地区而言，本文提出的加固支护方案能有效地解决高边坡的稳定性问题，可供类似工程参考。

(3)路堑高边坡是勘察设计的重要工点，除了必要的土工试验外，建议结合当地类似工程的经验，验算在初步拟定坡率下的应力应变、最大位移、岩土体破坏状态等。如初步拟定的坡率安全系数低，则应考虑调整坡率，避免加固处治效果欠佳或工程造价太高。

(4)本文路堑高边坡工程实例在加固后最不利工况下安全系数满足规范要求，最大轴力为296.2kN，小于通过拟定的参数反算锚固体与土层及锚索与砂浆的抗拔力，因此，锚索在施加400kN预应力的状态下是安全的。