山区高速公路高边坡失稳分析及防护方案研究

刘剑

摘要：本文首先以广西某山区高速公路高边坡失稳为研究对象，深入分析了公路边坡加固处理的各种方案和措施，利用强度折减法以及有限元分析软件对高边坡预应力做全面和准确的分析，探讨支护的应用效果；同时对各类预应力锚索参数进行综合优化设计。

关键词：山区公路；高边坡失稳；预应力；锚索技术

边坡失稳对于山区高速公路来说，边坡失稳可以说是十分普遍的地质灾害现象，是需要高度重视和认真对待的防护事项，公路建设者要分析边坡失稳形成的原因，并提出相应的治理措施。根据工程建设实践经验，预应力锚索框架梁支护在约束表土层变形及其产生破坏方面具有显著的防护作用，外形也能够与景观绿化相互协调，视觉美观，也能够提升综合植被和绿化水平，预应力锚索技术已经成为治理山区公路边坡灾害高效的技术。

1 工程概况

广西某高速公路处于山区的丘陵地带，这段公路的地形曲折蜿蜒、此起彼伏，可以说是山势险峻，有的地方边坡高度最大达60 m，长将近200 m，坡度均值 1：1.5，属于典型的高陡边坡，坡脚处是一种浆砌块堆砌的石护面墙，处于第1级台，其他的台阶都没有做防护坡面保护。根据现场勘察，出现失稳地质病害的边坡基本上都在顺层的浅层土坡，滑坡体厚度总体在 6.0 m以内，强风化岩层与残坡积土层彼此相互接触形成了滑移面，滑坡病害事故导致边坡以左最终产生了一个约2.0 ~ 4.0 m深的凹槽。另外还要说明，根据滑坡处的强风化基岩体现出的外露现象，也可以初步判断出，滑塌体不大可能会产生二次滑塌的问题，需要高度重视的是强风化岩石顶部存在二次坍塌的可能。

2 边坡失稳防护方案设计

2.1 方案综合比较

防护方案设计需要全面考虑和统筹兼顾工程实际地质条件和情况，还要进一步参考山区公路高边坡防护相关设计原则和规范，本文提出两种失稳防护和加固方案：第一种选择是削坡减载与第二阶锚杆加固组合；第二种选择是原位加固、台阶锚索框架、滑坡区喷锚加固三步组合。下面比较下这两种方案的优缺点：根据以往工程实践经验和分析，第一种方案的总工程量相对较小，但施工难度相对比较大，还需要动用大型机械进场协助施工，还可能因为特殊情况导致工程施工中断。第二种方案总工程量稍多一些，但可以按照区域切分和分段施工，总体施工成本并不增加。通过综合考虑，本次防护工程决定采用第二种加固方案，在整个加固施工过程中要根据边坡失稳情况以及危险程度进行合理分段，把整个加固施工区域分为滑动区（Ⅰ区）、临界滑动区（Ⅱ区）、相对稳定区（Ⅲ区）。

2.2 防护方案设计

考虑到加固施工路段高边坡第 1 阶是一种护面墙结构，这就要求在防护方案整个实施进程中第一步要把滑坡导致护面墙进行修复，还要将预应力锚杆框架梁结构摆放在护面墙的顶部位置，预应力孔的拉应力应当设置为 350 kN/孔，与此同时还要素喷混凝土把锚索框架封闭起来。工程其他区段统一按 2.0 m×2.0 m 的间距来设置 5 m 长的锚杆进行挂网喷锚，杜绝顶部发生溜塌等二次事故。Ⅱ区地段的边坡相对比较陡峭，附近滑坡边缘表层均为5 ~ 8 m厚的风化土层也是一种易滑地段，为了预防可能事故发生就需要在相关区域内增设相应的预应力锚索框架，其预应力孔拉应力也要设置为700 kN/。Ⅲ区段的滑坡只存在于第 2、3 阶部分，所以只需要在该滑坡区内交错设置预应力锚索框架就可以了。

3 支护参数优化

3.1 强度折减法

这种强度折减法通常是按照工程实际情况再确定折减系数的，然后再考虑详细的工程地质条件进一步确定土体强度参数及其折减程度，最后再参考折减处理后的参数做最终的计算和处理，若计算结果体现是一种收敛趋势，就可以初步判定土体结构是基本稳定的，下面就需要增大折减系数后重新按照上述过程进行分析，一直到计算结果不收敛为止。

3.2 模型构建

综上本文前面阐述了广西某山区高速公路高边坡实际地质情况，决定采用一种非线性分析和计算工具 FLAC 3D软件对研究路段高边坡的稳定性进行全程评估和计算分析，另外，充分利用 Mohr-Coulomb 弹塑性结构模型，把本文研究路段的高边坡模型内的岩土体材料划分为黏土层、砾砂层和风化岩等三个土层，按照行业规范设置各土层力学等相关参数。

3.3 结果分析

3.3.1 预应力锚索的影响

通过对本文研究路段的高边坡土体物理力学相关性能进行综合剖析和计算，可以看出该路段高边坡失稳加固和治理作业中采用的预应力锚索加固体系与边坡原本土体结构之间存在着比较复杂的相互作用和各种影响，这就决定了在使用FLAC 3D 数学模型进行模拟边坡受力及滑移时，就需要按照单因素法量化来计算支护参数给边坡坡体框架梁结构实际发生的水平位移产生的影响。根据模拟和计算可以得出如下结论根据以上模拟结果可以看出：

（1）框架梁支护结构在水平方向产生的位移量整体上是随着锚索锚固段长度延长反而是逐步减小的，但是有个条件，就是锚固段支护长度一旦超出 18 m，那么处在不同位置的水平位移值整体上都表现为一个收敛定值。是什么因素导致这个问题的发生呢？这是因为当锚索锚固支护长度增加到一定数值后，当再持续增大后，支护结构承担的滑移面向自由面推移过程中所施加的荷载值也会跟着逐步趋于极限。

（2）边坡上相对比较高处的框架梁结构实际上发生水平位移的概率和位移量都普遍大一些，与此同时对应的支护区域因为水平位移原因会会形成较高的陡峭边坡，这种边坡越高，与之相对应的锚索抗力同样也越小。所以，对于较高边坡应当增大土体横梁设置密度。

3.3.2 框架梁的影响

通过分析框架梁实际水平位移量受到 锚索预应力对框架梁实际水平位移产生的影响情况，我们可以得出如下结论：在锚索预应力不断增大的情况下，坡顶和坡脚处真实的水平位移是持续减小的，并且在坡脚处梁体的水平位移下降的速度明显大于坡顶位置。覆盖在坡体上的土层有效应力持续性增大是导致这个问题的最重要原因，在这种情况下导致坡脚锚索的预应力也会远远超出坡顶实际预应力，从而切实控制住了加固岩土体可能出现的变形现象。

3.3.3 参数优化

通过全面分析和评估工程加固后的效果、坡体安全情况以及可能会对周边环境产生的各种影响后，并参考上文模拟分析的结果，对既有的边坡失稳治理方案和体系做了改进和优化，锚索锚固段长度重新设置为 18m，锚索直径重新设置为0.1m/ 束，锚固角23°，预应力 600kN，框架梁设置间距3.5 m。根据模拟和计算分析，边坡防护加固前坡顶和坡底处最大水平位移分别为 60 mm 和 13 mm，坡体浅层实际上没有出现比较明显的滑移面；而防护加固后坡顶和坡底最大水平位移分别为8mm 和4mm，滑移面也消除了，支护效果表现较好，模拟结果也是比较安全的类型。

4 结语

综上所述，山区高速公路高边坡出现失稳等地质灾害是常见的现象，必须及时进行防护和加固处理，这就需要与失稳发生地土体物理力学属性相结合起来，同时还要考虑本地的地质条件等，按照地质条件、地形地貌以及失稳特征制定科学合理的防护加固方案和相关措施。应用预应力锚索框架梁结构加固高边坡时，应通过构建相关模型进行锚索长、锚索直径、锚固角度等相关参数取值的分析及受力过程模拟，从而为相关参数及加固方案的优化提供依据，以确保取得较好的锚索加固支护效果。