貴州省余慶至凱里高速公路某邊坡支護(hù)方案優(yōu)化研究

李政 陳開圣 郭長(zhǎng)勛

摘 要：以貴州省余慶至凱里高速公路某邊坡工程為依托，采用數(shù)值計(jì)算分析了該邊坡的穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果表明該邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有必要對(duì)其進(jìn)行加固治理。應(yīng)用有限元程序從穩(wěn)定系數(shù)、位移、剪應(yīng)力等方面分析了擋土墻支護(hù)、抗滑樁支護(hù)、錨索框架梁支護(hù)及擋土墻-噴射混凝土-錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)4種支護(hù)方案的穩(wěn)定性，并結(jié)合工程造價(jià)、環(huán)境條件、施工難易程度、工期等因素進(jìn)行了綜合分析。結(jié)果表明，該邊坡的最優(yōu)方案是擋土墻-噴射混凝土-錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)。

關(guān)鍵詞：余慶—?jiǎng)P里;高速公路;邊坡支護(hù);方案優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U416.14?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

邊坡因長(zhǎng)期受日曬雨淋、坡面雨水沖刷等影響，坡體失穩(wěn)，局部發(fā)生垮塌現(xiàn)象，有必要對(duì)其進(jìn)行加固支護(hù)。如：彭遠(yuǎn)煌[1]采用錨桿對(duì)S230省道路旁邊坡進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)效果顯著;周斌[2]對(duì)東坪古滑坡采取抗滑樁及預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合加固，也取得了良好效果;呂群財(cái)[3]將自旋錨管+鋼絲網(wǎng)+噴射混凝土支護(hù)技術(shù)運(yùn)用到汝郴高速公路危邊坡的加固中，同樣取得了顯著效果。支護(hù)方案的優(yōu)劣往往對(duì)公路邊坡的設(shè)計(jì)好壞起決定性作用，如何選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)方案顯得尤為重要。在保證安全的前提下，設(shè)計(jì)最經(jīng)濟(jì)、最合理的支護(hù)方案就能使該工程的修筑工作安全順利地開展并減少工期，為社會(huì)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。邊坡的支護(hù)方案多種多樣，但針對(duì)喀斯特地區(qū)邊坡支護(hù)方案的優(yōu)化研究仍然較少。因此，本文對(duì)余凱高速公路某邊坡的穩(wěn)定性及支護(hù)方案的優(yōu)化開展研究，從工程造價(jià)、環(huán)境條件、施工技術(shù)、工期等方面，對(duì)擋土墻支護(hù)、抗滑樁支護(hù)、錨索框架梁支護(hù)及擋土墻-噴射混凝土-錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)4種支護(hù)方案，遴選出最優(yōu)方案。

1 工程概況

邊坡位于貴州省余慶至凱里高速公路，全長(zhǎng)300 m，坡高59.04 m，坡寬56.02 m，綜合坡率1∶0.53，為巖土混合坡，巖石部分為反向坡（圖1）。邊坡已完工并使用6年之久，因坡面長(zhǎng)期受日曬雨淋、坡面雨水沖刷及錨索自身預(yù)應(yīng)力損失等影響，坡體失穩(wěn)。1號(hào)邊坡土體在邊坡修建之后局部發(fā)生過垮塌現(xiàn)象（圖2）。邊坡范圍巖土由硬塑紅黏土、碎石雜黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r、中風(fēng)化泥灰?guī)r構(gòu)成。地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造：①土層為碎石雜黏土（Qel+dl），主要為泥灰?guī)r風(fēng)化而成，黃色、黃褐色，含有許多強(qiáng)風(fēng)化巖殘塊，結(jié)構(gòu)較松散，呈硬塑狀態(tài)，層厚0.80～1.90 m。②基巖層為志留系高寨田群（Sgz）泥灰?guī)r，伏于第四系土層之下。巖層總體傾向南，產(chǎn)狀260°∠48°，張開度3～5 mm，層面巖屑充填，結(jié)合程度差。受斷層作用的影響，邊坡主要發(fā)育有兩組節(jié)理：第一組節(jié)理J1產(chǎn)狀為102°∠49°，張開度5～20 mm，表面平直，無膠結(jié)，結(jié)合程度差，約0.2 m發(fā)育一條，連通性好;第二組節(jié)理J2產(chǎn)狀為35°∠88°，巖屑或巖屑夾泥質(zhì)充填，結(jié)合程度差，約0.5 m發(fā)育一條。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

1號(hào)邊坡所在區(qū)域巖石類型主要為泥灰?guī)r，上覆硬塑紅黏土、碎石雜黏土。整個(gè)邊坡巖層傾向與邊坡坡向相反，形成巖質(zhì)反向邊坡，巖層層面對(duì)邊坡的穩(wěn)定性不起控制性作用。節(jié)理J2與邊坡坡向相切（交角大于35°），未構(gòu)成優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響甚微，不起控制性作用;節(jié)理J1與邊坡坡向相同（交角小于35°），構(gòu)成順向優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，巖石層無黏聚力，可能產(chǎn)生直線滑動(dòng)（無拉裂縫的單平面滑動(dòng)）破壞。

據(jù)上述節(jié)理分析，巖體單元可能發(fā)生直線滑動(dòng)，故采用直線滑動(dòng)計(jì)算公式分析其穩(wěn)定性，在分析計(jì)算中假設(shè)：

（1）計(jì)算中所有力均作用在滑體重心，滑體僅沿滑動(dòng)面滑動(dòng);

（2）滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度遵循摩爾-庫倫準(zhǔn)則，其大小由黏聚力和摩擦角確定。

（3）假設(shè)滑動(dòng)面無水。

邊坡直線滑動(dòng)受力及計(jì)算模型如圖3所示。

根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則，有

R=Q·cos ω·tan φ+cL。（1）

直線滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算公式：

Fs=RT=N·f+cLT=Q·cos ω·tan φ+cLQ·sin ω，

（2）

式中：Fs為邊坡的安全系數(shù);R為滑體所具有的抗滑力;T為滑體所受下滑力;N為滑動(dòng)面的法向分力;f為摩擦系數(shù)，f=tan φ;c為滑動(dòng)面上的黏聚力;L為滑動(dòng)面長(zhǎng)度;Q為滑體的重力;ω為滑動(dòng)面的傾角。

根據(jù)重度與重力的關(guān)系有：

Q=γ·V。 （3）

式中：γ為滑體的天然重度，V為滑體的體積。

將式（3）代入式（2），有

Fs=γ·V·cos ω·tan φ+cLγ·V·sin ω。 （4）

根據(jù)該邊坡的環(huán)境地質(zhì)條件，邊坡體中風(fēng)化巖層部分可能沿順向優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面發(fā)生直線滑動(dòng)破壞。選取K11+220斷面中風(fēng)化巖層部分為計(jì)算剖面，根據(jù)勘察報(bào)告，將參數(shù)c=50 kPa，φ=18°，ω=49°，L=71.9 m，Q=7 211 kN代入式（2）—（4），得安全系數(shù)Fs=0.94，不符合規(guī)范要求，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3 支護(hù)方案

（1）擋土墻支護(hù)：擋土墻采用漿砌塊石砌筑約10 m，形式為仰斜式。該方案擋土墻截面尺寸及相關(guān)數(shù)據(jù)如圖4所示。

（2）抗滑樁支護(hù)：抗滑樁采用混凝土灌注樁。根據(jù)《抗滑樁治理工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)置樁徑2.5 m×4m，樁長(zhǎng)35m，樁身采用C30混凝土澆筑，樁凈

間距3 m，樁內(nèi)縱向受拉鋼筋選用HRB400鋼筋。陳沖等[4]對(duì)抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性分析的研究結(jié)果表明，抗滑樁設(shè)置在邊坡中部時(shí)穩(wěn)定系數(shù)最大。據(jù)此，在邊坡中部設(shè)樁?？够瑯督孛娉叽缂跋嚓P(guān)數(shù)據(jù)如圖5所示。

（3）錨索框架梁支護(hù)：每級(jí)邊坡采用3 m×3 m錨索框架梁支護(hù)，共設(shè)置18排錨索，框架梁結(jié)構(gòu)總高度約48 m，框架梁采用C30混凝土澆筑（圖6、圖7）。每根錨索采用6根直徑為26 mm鋼絞線，錨索長(zhǎng)度從第五級(jí)至第一級(jí)依次為32、28、24、20、16 m。

（4）擋土墻-噴射混凝土-錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)：擋土墻部分采用漿砌塊石仰斜式擋土墻，墻高5 m。該方案擋土墻截面尺寸及相關(guān)數(shù)據(jù)如圖8所示。坡面噴射C15混凝土，厚度0.15 m，錨索框架梁與方案3相同。

4 數(shù)值模擬

4.1 參數(shù)選取

根據(jù)勘察報(bào)告可知，邊坡坡體物質(zhì)組成主要為碎石雜黏土、硬塑紅黏土及中風(fēng)化泥灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r，各巖土層如圖9所示。表1、表2為邊坡巖土體各項(xiàng)參數(shù)及各支護(hù)方案計(jì)算參數(shù)。

4.2 雨量設(shè)置

根據(jù)中央氣象臺(tái)官網(wǎng)提供的凱里市降雨數(shù)據(jù)，繪制2019年6月凱里市日降雨量及降雨時(shí)間柱狀圖（圖10）。由圖10可知，2019年6月降水量較多，最高為54.3 mm/d。因此，在數(shù)值模擬分析中設(shè)置降雨強(qiáng)度為54.3 mm/d，降雨時(shí)間12 h。

4.3 建立模型

在CAD中繪制邊坡輪廓線，將邊坡的幾何模型導(dǎo)入有限元程序中，采用三角形+四邊形單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格建立邊坡模型，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型計(jì)算。錨索屬性采用1D桁架單元，施加預(yù)應(yīng)力600 kN，框架梁屬性采用1D梁?jiǎn)卧?坡面噴射混凝土屬性采用2D板單元，通過二維析取功能建模;擋土墻和抗滑樁均采用三維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元。有限元模型的建立按照最右端與坡腳相距1.5倍坡高，最左端與坡頂相距2.5倍坡高，頂部與底部相距2倍坡高的比例[5]建立。

4.4 邊界條件

各支護(hù)方案邊坡模型的邊界條件均為：邊坡背面設(shè)置滑動(dòng)鉸支座限制其x方向位移，左右兩側(cè)設(shè)置滑動(dòng)鉸支座限制其y方向位移，模型底端采用固定鉸支座限制其水平和豎直方向位移[6]。圖11為各支護(hù)方案網(wǎng)格模型及邊界條件。

4.5 結(jié)果分析

各支護(hù)方案的最大位移和穩(wěn)定系數(shù)見表3。各支護(hù)方案的位移云圖和塑性區(qū)云圖如圖12Symbol～A@15所示。各支護(hù)方案的剪應(yīng)力云圖如圖16所示。

由表3可知，擋土墻-噴射混凝土-錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)方案對(duì)坡體綜合位移限制最大，穩(wěn)定性提升較多，邊坡穩(wěn)定系數(shù)顯著增加，支護(hù)效果最佳。

由圖12Symbol～A@15可知，各支護(hù)方式對(duì)坡體變形支護(hù)效果顯著程度為：擋土墻-噴射混凝土-錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)>錨索框架梁支護(hù)>擋土墻支護(hù)>抗滑樁支護(hù)。在坡體土層與巖層交界的位置形成了滑動(dòng)帶，若繼續(xù)放任其自由發(fā)展，邊坡不能保持穩(wěn)定。通過一定的手段加固治理變得很有必要。采用擋土墻支護(hù)方案后，塑性變形區(qū)面積及連通性略有減小。說明設(shè)擋土墻在一定程度上抑制了土體的變形，邊坡穩(wěn)定性有所提高，但效果甚微。采用抗滑樁支護(hù)方案后，塑性變形區(qū)被抗滑樁“攔腰截?cái)唷?/p>

分割成兩個(gè)獨(dú)立的部分，潛在滑面由邊坡深部向淺部發(fā)展，樁后土體和抗滑樁發(fā)生脫離，樁頂發(fā)生了較大變形。說明設(shè)樁能夠抑制樁后坡體的變形，但樁前坡體內(nèi)部仍然形成了貫通的塑性剪切帶，對(duì)提高邊坡穩(wěn)定系數(shù)并不明顯。采用錨索框架梁支護(hù)方案后，塑性變形區(qū)面積及連通性顯著減小，塑性變形主要分布在坡面框架梁處，且坡腳處塑性區(qū)未貫通，支護(hù)效果較明顯。采用擋土墻-噴射混凝土-錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)方案后，塑性變形區(qū)范圍及連通性大幅度減小。說明在聯(lián)合支護(hù)作用下，由于錨索框架梁的作用，將臨空面的碎石雜黏土層和紅黏土層連接到了一起，減弱了土層對(duì)邊坡的不利作用，使得表層力有效地傳遞到了深層巖體，邊坡表面的位移變化得到了極大程度的控制。在此基礎(chǔ)上結(jié)合擋墻壓腳的作用，讓二者的加固效果得以充分展示，極大提高了邊坡的穩(wěn)定性。

由圖16可以看出，各支護(hù)方式對(duì)坡體剪應(yīng)力影響效果顯著程度為：擋土墻-噴射混凝土-錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)>抗滑樁支護(hù)>擋土墻支護(hù)>錨索框架梁支護(hù)。在坡腳處應(yīng)力集中，形成向坡外剪出的應(yīng)力曲線，邊坡發(fā)生剪切破壞。采用擋土墻支護(hù)方案后，坡腳擋土墻處應(yīng)力集中，剪應(yīng)力最大。在擋土墻底部位置，剪應(yīng)力軌跡向坡里偏轉(zhuǎn)，沒有形成向坡外剪出的圓弧狀剪應(yīng)力線。采用抗滑樁支護(hù)方案后，剪應(yīng)力曲線在抗滑樁底部向坡里轉(zhuǎn)折，隨后再向坡外轉(zhuǎn)折，形成一個(gè)“泡狀”凹槽。表明抗滑樁底部附近坡體剪應(yīng)力增大，抗滑樁的修筑使得滑體由于產(chǎn)生下滑趨勢(shì)而生成的向下推力傳遞至

滑動(dòng)面以下的堅(jiān)固巖層。利用穩(wěn)定巖層被動(dòng)抗力來平衡滑坡體的推力，整體上提高了邊坡的穩(wěn)定性，防止坡體因受過大剪切作用而滑塌。采用錨索框架梁支護(hù)后，坡腳處無任何支擋結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)應(yīng)力集中，易發(fā)生剪切破壞。土層剪應(yīng)力軌跡已經(jīng)無法形成連續(xù)的向坡外剪出的圓弧狀曲線，巖層最大剪應(yīng)力仍均勻地向坡體深處過渡。這是因?yàn)閹r體的物理力學(xué)性質(zhì)較好，錨索對(duì)巖體層加固效果不明顯;而對(duì)于土層，錨索加固提高了土層的強(qiáng)度和自穩(wěn)能力，效果較顯著。

采用擋土墻-噴射混凝土-錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)方案后，坡體內(nèi)剪應(yīng)力均顯著降低，擋土墻處剪應(yīng)力集中，剪應(yīng)力曲線向邊坡內(nèi)部彎折，未形成圓弧狀剪應(yīng)力曲線。說明錨索框架梁和擋土墻的協(xié)同作用，有效降低了坡體內(nèi)剪應(yīng)力大小，且坡腳處有支擋結(jié)構(gòu)承受坡體內(nèi)傳來的推力，從而降低了坡體發(fā)生剪切破壞并從坡腳滑出的可能。

5 其它分析

在進(jìn)行邊坡支護(hù)方式的選擇時(shí)，除了考慮支擋構(gòu)筑物對(duì)邊坡的支護(hù)效果外，還需要考慮經(jīng)濟(jì)、施工技術(shù)、環(huán)境、工期以及適用條件選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)形式或者選擇有效的組合形式。各支護(hù)方案的影響指標(biāo)的對(duì)比如表4所示。

由表4可知：

（1）經(jīng)濟(jì)方面：工程總造價(jià)排序?yàn)閾跬翂?噴射混凝土-錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)>錨索框架梁支護(hù)>抗滑樁支護(hù)>擋土墻支護(hù)。

（2）施工技術(shù)方面：擋土墻支護(hù)施工難度最小;抗滑樁加固邊坡時(shí)施工難度較大;錨索框架梁施工難度較大;擋土墻-噴射混凝土-錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)結(jié)合了3種支護(hù)結(jié)構(gòu)，其施工難度最大。

（3）環(huán)境方面：擋土墻支護(hù)對(duì)環(huán)境的破壞較小，但由于該邊坡屬于高邊坡，修筑高大擋土墻，與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)性較差?？够瑯吨ёo(hù)對(duì)環(huán)境的破壞較大，且無法進(jìn)行綠化。錨索框架梁支護(hù)對(duì)環(huán)境的破壞比抗滑樁支護(hù)大，但可綠化，與環(huán)境相協(xié)調(diào)[7]。擋土墻-噴射混凝土-錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)對(duì)環(huán)境的破壞最大，但坡面可綠化。

（4）工期方面：擋土墻支護(hù)最快，抗滑樁支護(hù)較快，錨索框架梁支護(hù)較慢，擋土墻-噴射混凝土-錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)最慢。

（5）適用條件方面：1號(hào)邊坡高度超過8 m，且土體部分土質(zhì)呈硬塑狀態(tài)。因此，擋土墻支護(hù)不適用于該邊坡，其他支護(hù)方式對(duì)于該邊坡的適用程度為擋土墻-噴射混凝土-錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)>錨索框架梁支護(hù)>抗滑樁支護(hù)。

6 結(jié)論

對(duì)貴州省余慶至凱里高速公路某邊坡擬采用擋土墻支護(hù)、抗滑樁支護(hù)、錨索框架梁支護(hù)及擋土墻-噴射混凝土-錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)4種支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比分析，以穩(wěn)定性作為優(yōu)先考慮的第一要素，綜合比較經(jīng)濟(jì)、施工技術(shù)、環(huán)境、工期及適用條件等因素。結(jié)果表明：擋土墻-噴射混凝土-錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)穩(wěn)定系數(shù)最高，支護(hù)效果最佳。雖然擋土墻-噴射混凝土-錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)在經(jīng)濟(jì)、工期方面不如其他3種支護(hù)方案，但是其在修筑后能夠最大化地恢復(fù)生態(tài)環(huán)境，使支護(hù)后的邊坡環(huán)境與周圍環(huán)境相融合;因此，該方案為最優(yōu)方案。

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（責(zé)任編輯：周曉南）

Study on the Optimization of a Slope Support Scheme of

Yuqing-Kaili Expressway in Guizhou Province

LI Zheng1， CHEN Kaisheng*2， GUO Changxun3

（1.Guizhou Expressway Group Co.，Ltd.， Guiyang 550001， China; 2.School of Civil Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025，China;

3.Guizhou Highway Engineering Group Co.， Ltd.，Guiyang 550008，China）

Abstract：

Based on a slope project of Yuqing Kaili Expressway in Guizhou Province， the stability of the slope is analyzed by numerical calculation. The calculation results show that the slope is in an unstable state， so it is necessary to strengthen and control it. By using the finite element program， the stability of four supporting schemes， namely， retaining wall support， anti-slide pile support， anchor cable frame beam support and retaining wall shotcrete anchor cable frame beam support， are analyzed from the aspects of stability coefficient， displacement， shear stress， etc. The results show that the optimal scheme of the slope is the combined support of retaining wall， shotcrete and anchor cable frame beam.

Key words：

Yuqing-Kaili;expressway;slope support;scheme optimization

收稿日期：2020-04-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51368010，51668011）;貴州省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（黔科合支撐[2016]2005，黔科合支撐[2018]2833）

作者簡(jiǎn)介：李 政（1977-），男，高級(jí)工程師，研究方向：高速公路項(xiàng)目管理，Email：312954992@qq.com.

通訊作者：陳開圣，Email：32084046@qq.com.