基于極限平衡法對某路塹邊坡的穩定性計算與加固分析

黃 凡

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

0 引言

邊坡工程問題頻頻涌現于各個工程領域，如公路、鐵路、礦山建設、水利水電等，如若處理不當，不僅會造成巨額的經濟損失， 還將存在著極其深遠的無形或隱伏的間接影響，影響社會的安定，導致生存環境的惡化，加劇各種自然災害的發生，引發次生災害等。 因此，研究邊坡的穩定性，對于如何預防滑坡的發生，滑坡發生后如何進行處治以保證邊坡穩定，具有非常重要的現實意義。對于山區公路而言，由于受線路及地形影響，難免開挖形成工程邊坡[1]。目前，工程建設用地越來越緊張，因此需結合穩定性分析結果，采用合理的坡率設計及加固措施。本文依托“橫五線”連江城關至貴安段公路工程A2 段，開展路塹邊坡加固設計，提出邊坡加固的設計思路，具有一定的工程指導意義。

1 工程概況

該項目起點位于連江縣青塘村、 起止樁號K3+000，經長后村， 終于連江縣潘渡鄉下寶溪村、 終點樁號K8+000，與縱二線連江境相交并設置樞紐互通，以此改善福州中心城區北向出入口通道條件，促進連江縣域經濟發展。

擬建路塹工程邊坡位于該項目的長后平交的A 匝道和C 匝道 （CK0+000～CK0+186.054=AK0+770～AK0+680），場區屬剝蝕丘陵地貌，地形略有起伏，山體走向與路軸線方向約呈80°相交，山坡自然坡度約25～30°左右，山坡植被發育。擬建邊坡最大高度約為45m，中心最大挖深為30m。開挖后易失穩，因此對該邊坡進行穩定性計算和針對性防護設計。

2 地質條件

本路段邊坡勘察根據設計布置和要求， 對沿軸線兩側各250m 進行1:2000 工程地質測繪， 并布置2 個鉆孔（SP1、SP2），以探明相關地質情況。

2.1 地層巖性

根據地質調查和鉆孔揭示， 坡地地帶表層為第四系殘坡積粘性土(Qel～dl)，溝谷地帶表層多分布有第四系沖洪積的粉質粘土、淤泥質土(Q4al+pl)；下部巖層主要為燕山晚期侵入花崗巖（γ53）。 勘察期間地下水穩定水位位于路面設計標高上方，受雨季或持續降雨作用影響，巖、土體的含水量增大，巖、土體力學性能降低，上方覆蓋層易軟化，較易產生變形失穩， 本深挖區主要巖土層特征如表1 所示。

2.2 地質構造和地震

據本次工程地質測繪成果及收集的區域性地質資料，場區區域性構造較穩定，表層為厚層沖洪積土層，附近未見有活動性斷裂構造。

根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）判定標準， 場區為軟弱場地土， 依據 《中國地震動參數區劃圖（GB18306-2015）》福建省區劃一覽表，本場區位于福州市連江縣，場地地震基本烈度為6 度，設計地震動峰值加速度為0.05g，設計地震分組屬第三組，場地土地震動反應譜特征周期為0.40s，場地類別為Ⅱ類場地。 近期未發生地震， 抗震設計按 《公路工程抗震規范》（JTGB02-2013）執行。 場地地震基本裂度為6 度，可不考慮軟土震陷及砂土液化問題。

2.3 水文地質條件

區內地表水為山間溝谷溪流，受季節性影響顯著，雨季流量驟增。 地下水主要為沖洪積、殘坡積層、風化層及基巖孔隙-裂隙水， 受大氣降水及地表水垂直下滲補給，通過地下徑流方式排泄?？辈炱陂g為雨季，所量測的地下水位埋深略高于正常水位埋置深度。

表1 主要巖土層特征表

2.4 裂隙調查與分析

場區地形略有起伏， 基巖埋藏較深， 本邊坡長度約275m，坡向約220°。 根據巖層結構面和天然斜坡坡向赤平投影，未分布對邊坡不利影響的結構面，如圖1 所示。

圖1 裂隙與邊坡坡面接觸關系的赤平投影

3 邊坡穩定性評價與加固分析

邊坡的穩定性取決于內在因素和外部作用的影響，地形地貌、地層巖性、地質構造等內在因素在邊坡穩定性中起決定性的作用，而外部作用主要包括水文氣象條件、地震及人類工程活動等。 水對邊坡穩定性有顯著影響作用，有“十滑九水”的說法。坡體含親水礦物，遇水易軟化，巖土體抗剪和黏結強度降低，同時增大巖土容重，增大了坡體的荷載。 連江縣屬亞熱帶海洋季風氣候，春夏多雨，降雨豐富， 在持續的暴雨作用下， 一方面使地下水位上升，增加巖土容重；另一方面坡體排水不暢，使粉砂巖和坡積土遇水軟化，降低了巖土體的力學指標。 因此，在高邊坡設計中應加強坡面及坡體排水設計[2]。

3.1 邊坡穩定性評價與分析

數值分析法是目前工程實踐中應用最廣泛的評價方法之一，能夠定量分析邊坡的穩定性，對工程設計起到輔助參考的作用。該方法考慮靜力平衡條件和土的摩爾-庫侖破壞準則， 也就是說該方法是通過分析土體在破壞那一刻的力的平衡來求得問題的解。針對該路塹邊坡，采用Geo-Studio 軟件對其進行穩定性分析。 該軟件是基于極限平衡法為原理編譯的， 主要用于路塹邊坡穩定性計算與評價[3]。

3.1.1 主斷面及計算參數的選取

根據現場調查和地勘鉆探資料結果分析，選取CK0+080 橫斷面進行穩定性分析，如圖2 所示。

圖2 CK0+080 橫斷面

根據主斷面地層分布情況和土工試驗結果統計分析，結合相關規范和工程經驗，綜合確定邊坡穩定性評價與邊坡支護設計計算參數，如表2 所示。

3.1.2 斷面設計及分析評價

考慮路線設計標高、 地層分布情況以及用地界限制等因素，對該邊坡進行坡率設計。該邊坡巖層屬于順層結構，因此設計過程中應盡可能減少對坡體的擾動[4]。 根據不同地層的地質特性，具體設計坡率詳見表3。

表2 巖土物理力學指標表

將主斷面CK0+080 導入計算軟件中， 建立計算模型，設置計算邊界，輸入巖土體計算參數，采用極限平衡法進行穩定性計算，計算結果如圖3 所示，該邊坡穩定安全系數為Fs=1.076。

表3 坡率設計表

根據公路路基設計規范（JTJD30-2015），路塹邊坡穩定性驗算時，應根據公路等級，計算路塹邊坡在兩種工況（正常工況、非正常工況Ⅰ）下的穩定安全系數，其穩定安全系數應滿足表4 規定的相應的穩定安全系數要求，否則應對邊坡的支護方案進行調整[5]。連江橫五線屬于一級公路，根據計算結果可知，安全系數不符合規范要求，需采取加固治理措施進行防護。

圖3 刷方后主斷面計算結果

表4 路塹邊坡安全系數

3.2 加固方案設計與評價

3.2.1 加固方案設計

該邊坡設計最高為6 級， 加固方案以預應力錨索加固+坡面綠化防護為主，輔以坡面排水設計。 各級邊坡防護加固措施為： 第一級坡率1∶0.5，TBS 鍍鋅網植草灌；第二級坡率1∶0.75，TBS 鍍鋅網植草灌；第三級坡率1∶0.75，預應力錨索框架（設計拉力700kN）+TBS 植草灌交錯；第四級坡率1∶1.0，預應力錨索框架（設計拉力700kN）+TBS植草灌交錯；第五級坡率1∶1.0，TBS 植草灌；第六級坡率1∶1.25，TBS 植草灌。 具體設計如圖4 所示。

3.2.2 加固方案穩定性分析

（1）正常工況下加固工程穩定性驗算

通過坡率設計以及對邊坡中部進行預應力錨固，提高了邊坡的穩定性。在計算軟件中，在原計算模型里加入錨索單元， 并施加相應的錨固力， 正常工況下穩定性檢算，如圖5 所示。

圖4 斷面設計圖

圖5 正常工況下加固工程穩定性檢算

驗算結果：該路塹邊坡穩定安全系數為Fs=1.242，根據《公路路基設計規范》（JTJD30-2015），一級公路在正常工況下邊坡穩定安全系數需滿足1.20～1.30，所以加固后的邊坡符合設計規范要求。

（2）暴雨工況下加固工程穩定性驗算

暴雨工況下采用飽和重度和飽和快剪指標進行模擬計算。 非正常工況Ⅰ（暴雨工況）下加固設計的穩定性驗算結果如圖6 所示。

圖6 非正常工況Ⅰ加固工程穩定性檢算

驗算結果：該路塹邊坡穩定安全系數為Fs=1.172，根據《公路路基設計規范》（JTJD30-2015），一級公路非正常工況Ⅰ（暴雨工況）下邊坡穩定安全系數為1.10～1.20，所以加固后的邊坡符合設計規范要求。

4 結論

本文在現場調查及收集地勘資料的基礎上， 通過建立計算模型， 采用定性分析和極限平衡定量計算方法對滑坡進行穩定性分析評價， 從而根據邊坡的穩定安全系數，制定合理且經濟的防護加固方案。模擬計算在工程實踐中只能作為一種輔助手段， 在施工過程中應根據坡面開挖情況，采取動態設計。