公路路基边坡稳定性分析及锚固优化设计探讨

公路路基边坡稳定性分析及锚固优化设计探讨

刘星耀

肇庆市公路勘察设计院

摘要：路基边坡稳定性是施工中重点关注的内容之一，由于受到地质条件、施工技术等因素的影响，使得公路边坡容易出现滑坡、坍塌等地质灾害，不仅会对公路项目施工进度造成影响，还会造成严重的经济损失及不良的社会影响。鉴于此，本文结合具体的工程实例，对公路路基边坡稳定性进行分析，同时对公路边坡的锚固优化设进行分析，目的是确保公路边坡能保持稳定的状态。

关键词：路基；边坡；稳定性分析；锚固优化设计

1. 工程概况

某山区一级公路，双向六车道，道路全长共约9.74km。道路沿线地质条件较复杂，可能存有较多高陡路基边坡。在对施工现场实地勘查后发现，路基边坡的岩体基本为强风化泥质粉砂岩，稳定性和完整性均比较差。根据区域地质资料分析得知，场区处于相对较稳定的地质环境，场地土为中硬土，在无地震作用下可液化地层。该工程场地边坡岩土层设计的物理力学计算参数可见表1所示。

表1 岩土层物理力学计算参数

2. 边坡稳定性分析方法及分析结果

2.1 分析方法

目前在公路项目中，对路基边坡稳定性分析较常用的方法主要有两种，一种是极限平衡分析法，另一种是数值计算法。

其中，极限平衡法是应用最广泛的一种路基边坡计算方法，在具体的应用中，通常是将路基边坡的潜在滑动面看作是直线或圆弧形，然后根据边坡边界条件对可能出现的滑坡的若干个滑动面进行力学分析，从而形成土体强度和作用荷载之间的平衡关系，进而获得相应的安全系数。极限平衡法的计算过程较简单，且计算结果较可靠。

另一种数值计算法，主要包括有限元法、离散元法、有限差分法，其中应用最广泛的是有限元法，该方法可计算岩土体的弹性、弹塑性、流变等问题，以此获得岩土体的应力变大小及分布规律，进而更好地对路基边坡稳定性进行分析。

2.2 分析结果

根据项目场地的地质条件及边坡情况，本次采用平面滑动法对边坡稳定系数Ks进行计算，依据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2013）及岩土层物理力学计算参数，得知强风化泥质粉砂岩容重 为20kN/m³，粘聚力C为40KPa，内摩擦角 为25°，岩体体积V为156m³，结构面积A为52㎡，结构面积倾角 为57.5。根据边坡稳定性计算公式Ks= tan +AC）/ Vsin ，最终计算得Ks约为1.09，小于《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）规定值1.2，因此表明这个边坡具有不稳定性，有可能会因为失稳而出现滑坡、坍塌等事故，因此需要对其进行加固处理。

3. 边坡锚固设计原理及优化设计

3.1 边坡锚固设计原理

锚 固技术是路基边坡工程中常用的一项加固技术，这一加固技术可有效发挥岩土体自身的强度和潜力，对工程变形进行有效的控制，且经济可行，因此常用于公路边坡失稳破坏处理中。由于在天然状态下，路基边坡会受到潜在滑动面及上岩土切向力、渗透水和其他荷载的影响，为了避免路基边坡失稳破坏，就需要确保锚固力能促使滑动上的所有力系维持平衡，也就是要确保抗滑力矩要大于下滑力矩。边坡锚固机理具体可见图1所示。

图1 边坡锚固机理

为土层摩擦系数；r为圆弧滑动面半径；C为土层粘聚力

由边坡锚固机理可得知，锚杆能将滑坡推力向更深的稳定地层中传递，并通过利用稳定地层的锚固作用与被动抗力来保持边坡处于稳定的状态。同时，得益于潜在滑动面上锚杆与岩土体的相互作用，锚杆能阻止滑坡体下滑，主要是将锚杆看作是一个个约束点，每个约束点可提供正压力和上提力，正压力能阻止滑体与稳定岩体相分离，上提力则可注重滑坡体下滑。也由此可得知，需要合理进行锚杆数目、位置和强度的布置，才能够充分发挥出锚杆的锚固作用，进而保证边坡处于稳定的状态。

3.2 边坡锚固优化设计

路基边坡锚固设计应按照“强脚固腰”的原则，采用全长粘结锚杆对边坡进行防护。而在边坡锚固优化设计中，需要充分考虑锚杆布置间距、长度对边坡稳定性的影响。具体为以下：

（1）滑动面确定：结合边坡稳定性分析结果，利用计算机搜索法确定滑动面圆心位置。然后在滑动面圆心搜索范围内，按照一定规律在这个区域划分成网络，网络上每个节点均有待试算的圆心。再对不同半径的滑动圆弧进行稳定计算，获得安全系数，最小的圆心位置及半径。再以所求圆心位置为中在更小范围内划分更细的网络，重复上述工作，反复逼近真值，最终确定潜在滑动面位置。

（ 2）锚杆布置间距：当锚杆长度在12m和锚杆倾角为15°且不变时，锚杆布置按间距2m布置，如图2所示，并利用FLAC3D计算出锚杆在不同位置的轴力大小及相应的安全系数，见表2。

图2 锚杆布置示意图

表2 不同位置锚杆的轴力大小及安全系数

由表2可得知，随着锚杆轴力的增加，锚杆的安全系数也不断增大，意味着锚杆的锚固效果变好，因此可利用锚杆轴力的差值来分析锚杆在不同布设间距下的锚固效果及对边坡安全系数的影响。

（3）锚杆长度：在锚杆间距为2m和锚杆倾角为15°不变的情况下，以锚杆长度分别为6m、9m、12m、15m、18m、21m来分析锚杆长度对边坡安全系数的影响，计算得知的安全系数分别是1.08、1.39、1.48、1.64、1.66、1.37。由此可得知，当锚杆长度小于15m时，随着锚杆长度的增加，边坡安全系数随之增大；当锚杆长度大于15m，边坡安全系数增长并不明显；当锚杆长度大于18m时，边坡安全系数降低。

4、结论

（1）对公路路基边坡稳定性分析的方法有许多，主要有极限平衡法和数值计算法，极限平衡法还包括瑞典圆弧法、SARMA法、毕普肖法等；数值计算法包括限元法、离散元法、有限差分法等。

（2）锚固技术能够保持边坡稳定性，主要是将锚杆视作约束点，为滑坡体提供正压力和上提力，但需要合理布置锚杆数量、位置及强度，才能够确保锚杆的锚固作用有效发挥。

（3）锚杆轴力和锚杆长度对边坡稳定性产生影响，随着锚杆轴力增加，边坡安全系数越好；根据岩体模型和力学参数，分析判断潜在滑动面位置，设计锚杆长度在满足穿过滑动面的前提下，当锚杆长度小于15m时，边坡安全系数增加；单锚杆长度在15m～18m之间时，边坡安全系数增加不明显；当锚杆长度大于18m时，边坡安全系数降低。从技术和经济方面考虑，在满足锚杆穿过滑动面的前提下，建议取锚杆加固长度为15m较适宜。

参考文献：

[1]唐荣,李云霞.山区高速公路挖方路基边坡稳定性及动态设计分析[J].工程技术研究,2020,5(20):193-194.

[2]祁艺彬.公路挖方路基边坡稳定性分析及动态设计研究[J].工程建设与设计,2018(23):76-78.

[3]张成明.公路路基高边坡稳定性及工程对策研究[J].四川水泥,2018(09):49.