高速公路邊坡設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析

郭凌霄

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司寧夏分公司，寧夏 銀川 750000）

0 引言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，我國(guó)陸路交通已經(jīng)形成了規(guī)模龐大的公路網(wǎng)，基本實(shí)現(xiàn)了全國(guó)各區(qū)域城市和鄉(xiāng)村的覆蓋。尤其是城市之間，基本都有高速公路連接，極大地便利了人們出行和物資運(yùn)輸。但是，我國(guó)幅員遼闊、地形特征復(fù)雜，很多公路必須要穿行于險(xiǎn)峻的地勢(shì)中，公路兩側(cè)的邊坡安全直接關(guān)系到公路安全和公路運(yùn)輸?shù)陌踩８咚俟返倪吰略O(shè)計(jì)，不僅要滿足正常條件下的技術(shù)要求，還要充分考慮地震、大規(guī)模降水、山體滑坡、泥石流等突發(fā)性自然災(zāi)害的影響。一旦公路邊坡無(wú)法抵御這些自然災(zāi)害，就有可能因自身被破壞而危及整個(gè)公路交通網(wǎng)絡(luò)。而公路邊坡一旦出現(xiàn)塌方等嚴(yán)重后果，不僅會(huì)阻塞公路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，還會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的修復(fù)困難。因此，對(duì)高速公路邊坡進(jìn)行合理設(shè)計(jì)并進(jìn)行穩(wěn)定性分析是關(guān)乎高速公路安全的重要工作。

1 AAA工程高速公路邊坡設(shè)計(jì)

1.1 AAA工程概況

AAA工程項(xiàng)目中高速公路的總里程為7.8公里，為設(shè)計(jì)速度100km/h的雙向四車道高速公路，路基標(biāo)準(zhǔn)斷面寬度26m。AAA工程項(xiàng)目所在區(qū)域地勢(shì)呈現(xiàn)出東西高、中間低的特征，公路將在中間地勢(shì)較低區(qū)域興建，兩側(cè)高地形成自然高坡。從地質(zhì)結(jié)構(gòu)上看，兩側(cè)高地主要為土質(zhì)結(jié)構(gòu)并夾雜大小不均的碎石。從氣候因素上看，AAA工程所在區(qū)域夏季較長(zhǎng)并且降水充沛，偶發(fā)暴雨夾雜冰雹，對(duì)高地邊緣的沖刷和破壞作用強(qiáng)烈，易引發(fā)土質(zhì)坍塌和滑坡。

針對(duì)AAA工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，高速公路兩邊的邊坡必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計(jì)和特殊處理，才能確保低地區(qū)域通行的公路安全。

1.2 高速公路邊坡設(shè)計(jì)

為了便于說(shuō)明該文在AAA工程中高速公路邊坡的設(shè)計(jì)方法，該文選取總里程中的一個(gè)局部進(jìn)行闡述。對(duì)這個(gè)局部，按照空間三維坐標(biāo)的各式，選取軸方向上長(zhǎng)度為140m，軸方向上長(zhǎng)度為70m，軸方向上長(zhǎng)度為90m的路邊高坡局部。

仿真結(jié)果完全遵循實(shí)際邊坡的物理原貌，對(duì)應(yīng)形成22883個(gè)有限元單元，空間中共包括了5219個(gè)節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果中的邊坡表面即為自由邊坡表面，對(duì)應(yīng)實(shí)際邊坡的土質(zhì)結(jié)構(gòu)也形成了三層的結(jié)構(gòu)，第一層對(duì)應(yīng)實(shí)際邊坡的坡積土層，第二層對(duì)應(yīng)實(shí)際邊坡的風(fēng)化巖層；第三層對(duì)應(yīng)實(shí)際邊坡的奧陶系地質(zhì)層。

為了增加AAA工程項(xiàng)目中高速公路邊坡的穩(wěn)定性，需要在邊坡內(nèi)植入防止滑坡的防滑樁。根據(jù)仿真模型的進(jìn)一步位移有限元分析結(jié)果，發(fā)生坡體滑移的最大風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自北向邊坡北向坡體的中間部位，最大滑移位移可以達(dá)到3.56m。

針對(duì)邊坡位移有限元分析結(jié)果，防滑樁植入的方案設(shè)計(jì)為防滑樁在垂直方向上植入邊坡，每個(gè)防滑樁的垂直向長(zhǎng)度為23m，相鄰兩個(gè)防滑樁間隔12m排布，每個(gè)防滑樁的徑向截面的面積大小約為4.2m，防滑樁的材料選擇C30型號(hào)的鋼筋混凝土。

結(jié)合AAA工程項(xiàng)目高速公路邊坡的實(shí)際情況，坡體最高部分形狀陡峭并且裂隙大而多，不適合防滑樁的植入。因此，防滑樁植入位置從頂部開(kāi)始空出一定距離，在相對(duì)頂部略低的位置開(kāi)始植入，根據(jù)樁間距離12m的設(shè)計(jì)思路，分別在24m、48m、72m、96m、120m的位置植入五層防滑樁。

五層防滑樁植入后，可對(duì)各自位置處的滑移位移進(jìn)行限制，進(jìn)而增強(qiáng)公路邊坡整體的穩(wěn)定性。每層防滑樁能夠限制的位移，如圖1所示。

2 AAA工程高速公訴邊坡的極限平衡分析

對(duì)高速公路邊坡的穩(wěn)定性分析是判斷邊坡質(zhì)量和安全性的重要手段，一般可以采用極限平衡法和可靠度法進(jìn)行分析。先進(jìn)行AAA工程項(xiàng)目高速公路邊坡的極限平衡法分析，分析過(guò)程在極限平衡分析軟件中仿真完成。為了滿足極限平衡分析軟件的使用要求，需要將圖1的三維模型轉(zhuǎn)化為二維的CAD圖形，轉(zhuǎn)化后的二維圖形尺寸和AAA工程項(xiàng)目的真實(shí)邊坡尺寸比例為1∶800。

圖1 五層防滑樁對(duì)應(yīng)得限制位移

分析過(guò)程中，分別考察邊坡在自然狀態(tài)下、降雨量過(guò)大即暴雨?duì)顟B(tài)下的性能。從三維模型轉(zhuǎn)化而來(lái)的二維圖形中也包括三層土質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于實(shí)際邊坡的土質(zhì)結(jié)構(gòu)：第一層對(duì)應(yīng)實(shí)際邊坡的坡積土層，第二層對(duì)應(yīng)實(shí)際邊坡的風(fēng)化巖層；第三層對(duì)應(yīng)實(shí)際邊坡的奧陶系地質(zhì)層。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，各土質(zhì)層的分界面是發(fā)生滑移的最大風(fēng)險(xiǎn)部位。對(duì)應(yīng)于AAA工程項(xiàng)目的高速公路邊坡，最有可能發(fā)生滑移的位置分別是：坡積土層和風(fēng)化巖層的分界面，風(fēng)化巖層和奧陶系地質(zhì)層的分界面。在極限平衡分析軟件中，主要針對(duì)這些特定部位進(jìn)行分析，就可以比較準(zhǔn)確地得到滑移風(fēng)險(xiǎn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)結(jié)果。

在極限平衡法的分析軟件中，采用MP方法完成極限平衡的計(jì)算和分析。MP方法的分析原理是對(duì)相鄰兩個(gè)土質(zhì)層進(jìn)行考察，進(jìn)而考慮兩層交界面處的剪切力和法向力。其中，剪切力是使坡體發(fā)生層間滑移的最大危險(xiǎn)因素。MP方法將剪切力、法向力共同融合于一個(gè)數(shù)學(xué)模型之下，并在其中考慮了滑移風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，根據(jù)這個(gè)系數(shù)就可以判斷出邊坡發(fā)生層間滑移的風(fēng)險(xiǎn)程度。MP方法的數(shù)學(xué)模型如公式（1）所示。

=（） （1）

式中：參數(shù)表示兩個(gè)土質(zhì)層之間的剪切力；參數(shù)表示兩個(gè)土質(zhì)層之間的法向力；參數(shù)（）表示關(guān)系函數(shù)；參數(shù)表示了滑移風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，滑移風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大于1.30時(shí)，高速公路邊坡發(fā)生層間滑移的風(fēng)險(xiǎn)為無(wú)限大；滑移風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)介于1.20～1.30時(shí)，高速公路邊坡發(fā)生層間滑移的風(fēng)險(xiǎn)比較大；滑移風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)介于1.10～1.20時(shí)，高速公路邊坡發(fā)生層間滑移的風(fēng)險(xiǎn)比較小；滑移風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)小于1.10時(shí)，高速公路邊坡發(fā)生層間滑移的風(fēng)險(xiǎn)無(wú)限接近于0。

圖2顯示了降雨量過(guò)大時(shí)兩種情況下AAA工程項(xiàng)目的高速公路邊坡剪切力變化情況。在自然狀態(tài)下，邊坡剪切力距離左側(cè)20m～85m都比較大，剪切應(yīng)力在120kPa～150kPa區(qū)間波動(dòng)，這也是發(fā)生滑移風(fēng)險(xiǎn)較大的區(qū)域。降雨量過(guò)大時(shí)，邊坡剪切力距離左側(cè)25m～85m都比較大，剪切應(yīng)力在170kPa～190kPa區(qū)間波動(dòng)，這也是發(fā)生滑移風(fēng)險(xiǎn)較大的區(qū)域。通過(guò)圖2可以明顯看出，降雨量過(guò)大時(shí)，土層之間的剪切力提升幅度較大，滑移風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增加。

圖2 AAA工程項(xiàng)目公路邊坡的剪切力變化仿真結(jié)果

3 AAA工程高速公訴邊坡的可靠度分析

采用可靠度法對(duì)AAA工程項(xiàng)目的高速公路邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步分析?？煽慷确紤]的風(fēng)險(xiǎn)因素更多，綜合考慮土層土質(zhì)性質(zhì)、防滑樁參數(shù)、土層內(nèi)的水壓力、邊坡整體所受載荷、誤差等各方面因素，結(jié)合這些因素運(yùn)用概率法進(jìn)行可靠度分析。該文中主要考慮土質(zhì)顆粒重度、土質(zhì)黏聚力、土質(zhì)顆粒內(nèi)摩擦角、邊坡地下水水位等參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)的概率模型分別計(jì)算出自然狀態(tài)下、降雨量過(guò)大時(shí)的邊坡滑移風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，如圖3所示。

從圖3中可以看出，自然狀態(tài)下，AAA工程項(xiàng)目公路邊坡的風(fēng)險(xiǎn)滑移系數(shù)基本沒(méi)有出現(xiàn)超過(guò)1.30的情況，發(fā)生在1.10～1.20的情況也比較少，這說(shuō)明自然狀態(tài)下AAA工程項(xiàng)目公路邊坡的滑移可能性不大。降雨量過(guò)大時(shí)，AAA工程項(xiàng)目公路邊坡的風(fēng)險(xiǎn)滑移系數(shù)最小也在1.10以上，并且有40%的可能性超過(guò)了1.30，這說(shuō)明降雨量過(guò)大時(shí)AAA工程項(xiàng)目公路邊坡發(fā)生滑移的可能性極大。

圖3 AAA工程項(xiàng)目公路邊坡的風(fēng)險(xiǎn)滑移系數(shù)累積概率結(jié)果

圖3 AAA工程項(xiàng)目公路邊坡的風(fēng)險(xiǎn)滑移系數(shù)變化仿真結(jié)果

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)兩種狀態(tài)下風(fēng)險(xiǎn)滑移系數(shù)的累積概率，如圖4所示。

從圖4可以看出，降雨量過(guò)大時(shí)AAA工程項(xiàng)目公路邊坡的風(fēng)險(xiǎn)滑移系數(shù)累積概率，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自然狀態(tài)下AAA工程項(xiàng)目公路邊坡的風(fēng)險(xiǎn)滑移系數(shù)累積概率為。這也表明，降雨量過(guò)大時(shí)公路邊坡發(fā)生滑移的可能性極大。

4 結(jié)論

公路邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系到高速公路的安全性和交通行車安全，對(duì)其進(jìn)行合理設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。該文以AAA工程項(xiàng)目的高速公路邊坡為研究對(duì)象，在明確了其坡積土層、風(fēng)化巖層、奧陶系地質(zhì)層三層土質(zhì)結(jié)構(gòu)后進(jìn)行了有限元三維建模和位移分析，進(jìn)而提出了五層防滑樁的加固方案。分別采用極限平衡法和可靠度法，對(duì)AAA工程項(xiàng)目的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，兩種方法都顯示：降雨量過(guò)大時(shí)，AAA工程項(xiàng)目高速公路邊坡的層間剪切力0.7明顯增大、滑移風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)明顯增高，五層防滑樁的加固處理是必要的。