彭家寨旅游公路路堑高边坡优化设计分析

摘 要：以宣恩县彭家寨旅游公路沙道咸池至汪家寨段新建工程为依托，在充分考虑水文气象及工程地质条件的基础上，使用有限元软件PLAXIS 2D对高边坡在开挖过程中的稳定性进行分析。并以某一典型深挖路堑为例，分析其在开挖过程中位移、剪应变增量及安全系数的变化情况，而后对边坡的初步设计方案进行优化，得到安全性较高且经济适宜的设计形式，可为相关工程提供一定的指导与借鉴。

关键词：路堑高边坡;稳定性分析;数值模拟;防护设计;

近年来，由于我国公路建设持续迅猛发展，其发展脚步已逐渐向山区延伸。但山区地形地貌通常较为复杂，不可避免存在高边坡，尤其是高边坡的稳定性会对公路的施工及运营产生重大影响，易产生滑坡等灾害，从而使得工期延误，建设成本增大，给人们造成的严重损失[1,2]。由于滑坡的发生对人类的生命安全及经济造成了极大的威胁，对于高边坡破坏机理及问题处治愈来愈被重视。因此，为了保证高边坡的安全并尽可能的减少施工成本的浪费，对高边坡进行稳定性研究及优化设计具有非常重要的工程意义[3,4]。

宣恩县彭家寨旅游公路沙道咸池至汪家寨段新建工程起于宣恩县沙道咸池，全长4.28 km, 其中主线路2.95 km, 245省道改线1.14 km, 停车场支线0.19 km。在注意公路建设与沿线自然景观相协调的原则下，为防止路基病害的发生及保障路基边坡的稳定性，通过对边坡的水文地质情况和填挖高度进行调查，在施工设计中采取有效的边坡防护形式及必要的支挡结构。

就地质状况而言，本项目沿线路段地形地貌较复杂，河流、沟谷发育，沟壑纵横，山区地形切割剧烈，地势总体四周高中间低，该路段属于利川向斜沉积岩分布区，海拔高程为1 065～1 350 m, 属构造剥蚀溶蚀低中山区。路段内山体较平缓，地形起伏相对较大，坡度多为20～45°,相对高差为100～150 m, 山顶多呈脊状，沟谷切割较深，谷底较宽缓，多为“U”形谷。路段内植被发育，森林面积大，覆盖率约60%～70%。

对深挖路堑段断面K2 281.01进行地质分析，其属于构造剥蚀低中山区，中风化岩层，钻孔揭露地层组成为。

主要是被冲积碎石粉质黏土所覆盖，呈褐黄色或黄色，稍湿，局部为块石，碎石成分主要是灰岩，层厚0.5～1.3 m。

呈青灰色，微晶结构中厚层状构造，岩溶较发育，岩体表面局部见蜂窝状溶蚀孔洞，岩芯较完整，承载力约为1 500 kPa。

首先依据开挖断面K2 281.01处实地勘测收集的原山坡坡率、坡高等数据，在CAD中建立12 m(平面高度) 43 m(坡高),宽70 m, 边坡角为41°的平面模型。

参考现场地质条件及初步设计方案，将高边坡导入到有限元软件PLAXIS 2D中进行网格划分，共生成530个单元，4 555个节点。同时，在采用该软件进行数值仿真分析时，为方便计算，采用了考虑到强风化页岩和中风化页岩的材料特性，故岩土体选用Mohr-Coulomb本构模型、仅考虑自重作用、固定模型底部及两侧边界的合理假设。

在进行模型材料参数的选取时，综合考虑了《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)[5]、现场工程地质勘探报告以及设计资料，岩土体材料参数如表1所示。

表1 断面K2 281.01岩土体参数表 导出到EXCEL

原山坡主要受岩土体自重和构造应力场的影响。其中，在岩土体的自重作用下，坡体内部某一点的应力值与该点上部分土体的重量具有一一对应的关系，且通常情况下，构造应力是不变的，对边坡开挖稳定性的影响较小。因此，仅考虑了岩土体自重对边坡开挖卸荷的影响。但对原山坡进行开挖前，首先通过结合现场调查的土体数据资料，对山坡整体进行了地应力平衡验算，并利用剪应变增量云图，观察到原山坡的潜在滑移面，而后采用有限元软件中的强度折减法计算边坡安全系数Fs[6]。

由断面K2 281.01高边坡的剪应变增量云图可知，边坡在岩土体自重的作用下会发生一定的变形，且坡体的潜在滑移面主要集中在强风化页岩与中风化页岩的交界处。通过由强度折减法计算得到该边坡此时的安全系数Fs为1.118。根据《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)中关于边坡稳定安全系数的规定，此时边坡的稳定性较差，需采取人工放坡的方式，使其安全稳定性能得以提高。

高边坡在开挖施工及今后长期使用过程中，坡体内部形成的潜在滑移面实际上是由于边坡侧向土体内部应力重分布所引起的。为保证高边坡在开挖施工及之后长期使用期间能处于安全稳定状态，应对其进行人工放坡。

针对断面K2 281.01高边坡的处治，根据现场工程地质勘察资料，初步设计方案为：每8 m进行一次放坡，共分四级开挖，坡率分别为1∶0.75、1∶0.75、1∶1、1∶1,且每两个单级边坡之间设置一个2 m宽的平台。本节主要采用有限元软件PLAXIS 2D分析每一级边坡开挖完成后位移、应力分布及安全系数的变化情况，分析其安全稳定性，并输出每级边坡开挖后的剪应变增量云图，观察各级边坡开挖后的潜在滑移面。

每级边坡在开挖完成后均会发生一定的竖向位移，其中，一级边坡在开挖完成后，坡体的竖向位移量为2.4 cm, 四级边坡开挖完成后，坡体的整体竖向位移量为5.2 cm。究其原因，说明开挖卸荷对高边坡的影响较大，开挖过程中，岩土体发生了扰动松弛现象，局部岩体易出现脱落破坏，在一定程度上会对破面的安全稳定性造成危害，但四级边坡开挖后，边坡逐渐趋于稳定。

给出了断面K2 281.01一级、二级、三级和四级边坡开挖后的剪应变增量云图。

各级开挖剪应变增量云图可知，对比山坡剪应变增量云图发现，一级边坡开挖后，打破了原山坡的应力平衡状态，受坡体卸荷的影响，边坡内部的潜在滑移面明显缩短，且剪应力增量分布区域显著缩小；二级、三级开挖后，边坡内部潜在滑移面的范围均会减小，但剪应变增量最大值的分布区域并不相同；四级开挖后，坡面及坡角处出现了剪应变增量集中的现象，坡体内部的潜在滑移面范围明显变大，说明坡体的稳定性更差，发生滑移的可能性越大。

需要说明的是，本文在采用有限元软件PLAXIS 2D计算边坡安全系数Fs时，实际上就是计算当边坡达到临界极限平衡状态时岩土体抗剪强度参数的折减系数Fs,此时的折减系数即认为是边坡安全系数，强度参数可表示为

cf=c/Fs (1)

φf=arctan(tan/Fs) (2)

式中：c为原始状态下岩土体粘聚力，kPa; φ为原始状态下岩土体内摩擦角，°;cf为折减后岩土体粘聚力，kPa; φf为折减后岩土体内摩擦角，°;Fs为剪切强度折减系数。

按上述步骤的计算，求得原坡体在开挖前的安全稳定系数为1.118。

可以看出，开挖第一级和第二级边坡后，坡体的稳定安全系数要略高于原山坡，究其原因，可能是因为开挖边坡对原山坡起到了削坡减载的作用，故安全系数会提高到1.260左右；当对第三级和第四级边坡进行开挖后，坡体的稳定安全系数明显低于前两个阶段，由于第三、第四级边坡率比前两个开挖阶段的坡率以及原山坡坡度要陡，从而形成了整体较高的四级高边坡，导致坡体的整体稳定性明显降低，安全系数骤降至1.108。且上文分析并未考虑地下水、降雨及地震等作用的影响，若加上这三方面的作用，再考虑到中风化页岩自身的物理化学性质及工程特性的影响，边坡在开挖后岩土体极易在外界因素的影响下发生软化甚至崩解，使得岩体的强度急剧下降，最后发生山体滑坡等现象。为了保证边坡开挖后不仅能处于安全稳定的状态，且尽可能地减少施工过程中土石的开挖量，将从安全及经济的角度出发，对边坡进行优化设计。

经研究发现，边坡K2 281.01采用初步设计方案进行开挖后，边坡的稳定安全系数较原山坡有所减小。根据《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)中的相关规定，虽然开挖后边坡的稳定安全系数大于1,但此时坡体却处于极限平衡状态，且从经济的角度考虑，坡度越缓，土石方的挖方量就越大，耗费的成本越高，同时，受地形地质条件及水文气象的影响，越缓的边坡，坡面被冲刷的情况更严重，越容易导致整个边坡发生破坏。

初步设计方案中断面K2 281.01边坡采用的是每8 m进行一次放坡，共分四级开挖，坡率分别为1∶0.75、1∶0.75、1∶1、1∶1,且每两个单级边坡之间设置一个2 m宽的平台。根据工程实践资料显示，初步设计方案过于保守，通常情况下，岩质边坡的单级坡率宜采用1∶0.5～1∶0.75的形式。同时，对开挖的边坡进行工程防护如锚杆喷浆、挂网喷浆和浆砌片石等，可有效提高边坡的稳定性，增大整体边坡的稳定安全系数。而平台宽度一般对边坡稳定性的影响较小，故在下列设计方案中，平台宽度仍然保持初步设计中的2 m。具体设计方案如下。

方案一：每8 m进行一次放坡，共分四级开挖，坡率分别为1∶0.5、1∶0.75、1∶0.75、1∶0.75,且每两个单级边坡之间设置一个2 m宽的平台。

方案二：每8 m进行一次放坡，共分四级开挖，坡率分别为1∶0.5、1∶0.75、1∶0.75、1∶0.75,每两个单级边坡之间设置一个2 m宽的平台，且各单级边坡均采用锚杆喷浆支护。

对上述两种方案路堑高边坡开挖全过程进行模拟，对比使用各方案边坡在开挖过程中的竖向位移、剪应变增量及安全系数。

可以看出，方案一改变了边坡的放坡坡率，虽然能够减小土石方的开挖量，但开挖后的坡率较初步设计更为陡峭，且边坡整体的位移量较初步设计方案更大；采用方案一对边坡进行放坡后，边坡内部的潜在滑移面发生了明显的变化，由原先的坡角处转移至坡顶，且剪应变增量的分布区域变得更广，较初步设计方案更为危险。同理，方案二是在方案一的基础上，对每级边坡都进行了锚杆加固，一级边坡开挖完成后，边坡整体的竖向位移有所减小，岩土体内部的潜在滑移面亦不复存在，表明此时的边坡处于高度的安全稳定状态。通过强度折减系数法计算得到方案一的边坡稳定安全系数为1.072,方案二的边坡稳定安全系数为1.632。因此，在综合考虑安全与经济的角度而言，建议选取方案二对本断面进行施工。

该防护形式适用于边坡坡率缓于1∶1.0,高度H≤3 m的土或土石路堑边坡。

该防护形式适用于边坡坡率等于或缓于1∶1.0,高度3 m≤H≤8 m的土或土石路堑边坡。

该防护形式适用于岩层稳定、整体性好，边坡坡率等于或缓于1∶0.5岩质路堑边坡。

该防护形式适用于整体稳定，边坡坡率等于或缓于1∶0.75石质路堑边坡。

该防护形式适用于边坡浅层稳定性差且难以绿化的高陡岩石边坡或贫瘠的土质边坡，边坡坡率等于或缓于1∶0.5。

该防护形式适用于边坡风化强烈、岩体破碎、稳定性不足的路堑边坡的第一级边坡的支护。

针对典型的深挖路堑断面K2 281.01,该边坡以强风化页岩和中风化页岩为主，综合考虑岩层土的破碎程度、风化程度以及承载力等，在确保边坡土体安全稳定的同时，尽可能的降低工程造价，减少工程量，各级边坡均采用挂网喷浆进行防护。

(1)根据现场调查的工程地质情况，建立原地质模型对边坡开挖的初步设计方案进行分析，发现在开挖过程中风化程度严重的岩质边坡，其潜在滑移面影响范围较大，高边坡在开挖完成后安全稳定性虽然满足要求，但耗费成本过高，宜对边坡的开挖坡率进行优化设计。

(2)岩质边坡的坡率设计在1∶0.5～1∶0.75之间，不仅可以满足规范要求，同时可使施工过程既安全又经济。因此，该项目后期施工建议采用方案二的形式进行开挖。

(3)由于本项目所处地段水位很低，且坡体主要为强风化页岩和中风化页岩，故在边坡防护时可优先选用挂网喷浆的形式，此方法可有效限制雨水剥蚀边坡表面碎岩石的能力，达到保护边坡长期稳定的目的。

[1] 郑颖人，陈祖煜，王恭先，等.边坡与滑坡工程治理[M].第2版.北京：人民交通出版社，2010.

[2] 柴啸龙.山区高速公路高边坡开挖滑塌稳定性研究[J].公路交通科技(应用技术版),2019,15(2):103-105.

[3] 王浩，王晓东，泮俊.超高路堑边坡治理工程案例研究Ⅰ:边坡失稳机制模拟分析[J].岩石力学与工程学报，2017,36(4):899-909.

[4] 朱卫棉.山区高速公路路堑边坡处治方案研究与应用[J].黑龙江交通科技，2020,43(12):25-27.

[5] 中交第二公路勘察设计研究院有限公司.公路路基设计规范：JTG D30—2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[6] 郭昊天，王志丰，王亚琼.基于有限元强度折减法的路堑高边坡稳定性分析[J].公路，2019,64(11):27-32.

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