馬鋒,黃鶴,馬璐珂,葉超,左生榮,祝向群

多震地區(qū)公路邊坡支護方案及穩(wěn)定性研究

馬鋒1,黃鶴2,馬璐珂3,葉超1,左生榮4,祝向群5

1. 武漢科技大學城市學院, 湖北 武漢 430083 2. 中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司, 湖北 武漢 430052 3. 中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司, 湖北 武漢 430010 4. 湖北省路橋集團有限公司, 湖北 武漢 430056 5. 安慶職業(yè)技術(shù)學院, 安徽 安慶 246003

為了研究多震山區(qū)的公路邊坡工程穩(wěn)定性問題，以云南省紅河州某高速公路邊坡作為工程背景，首先采用極限平衡條分法，分析邊坡穩(wěn)定性與滑體應(yīng)力狀態(tài)在地震荷載作用下的響應(yīng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著水平向地震荷載的變大，邊坡安全系數(shù)和滑面上的法向力逐漸變小，而條間法向力逐漸變大，并且滑面中部的變化相比較坡頂和坡腳處更為明顯。然后通過設(shè)計數(shù)值試驗，計算得出錨索結(jié)構(gòu)的相關(guān)支護參數(shù)；通過計算可知，采用該支護方案后，邊坡滑面埋深增大；并且在正常工況與地震工況下，邊坡穩(wěn)定性均可滿足規(guī)范要求。提出的錨索支護方案能解決該多震地區(qū)公路邊坡的穩(wěn)定性問題，研究結(jié)果對其它類似工程具有一定的參考價值。

震區(qū);公路邊坡; 穩(wěn)定性; 支護方案

公路邊坡的支護方案不合理，一直是給高速公路工程安全性帶來危害的主要問題之一[1]。許多專家對邊坡支護問題進行了研究，陶連金等[2]探討了某臨江公路邊坡的支護問題，考慮水的作用提出了支護方案。周勇等[3]以蘭永某公路邊坡為例，分析了強風化軟硬互層巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)機理和加固處理措施。李韜等[4]利用離散元軟件研究分析了白鶴灘水電站左岸壩基邊坡在開挖卸荷作用下的失穩(wěn)模式，并提出了采用預(yù)應(yīng)力錨索及時跟進支護的加固方案。LIANG等[5,6]提出了錨桿的力學模型，分析了高應(yīng)力條件下錨桿的支護效果。封永梅等[7]則針對錨桿加固巖土高邊坡的效果機理展開了探討，并提出了抗傾覆安全系數(shù)的計算方法；段星星、賴杰等[8-12]也分別選取不同邊坡工程案例，根據(jù)實際工程條件提出了支護措施。但研究很少涉及多震地區(qū)的高速公路工程，為了保證多震區(qū)公路工程的順利施工及運營過程中的安全性，有必要分析不同影響因素尤其是地震作用對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，進而有針對性地給出路塹邊坡加固方案，確保項目的順利實施。本文以云南省紅河州建元高速公路工程中的某一段邊坡為工程背景，分析地震對邊坡滑面受力狀態(tài)及穩(wěn)定性的影響規(guī)律，進而為該邊坡工程設(shè)計出合理的支護方案。

1 工程概況

該公路工程位于云南省紅河州，連接建水和元陽，線路全長約73 km，沿途涉及多處高陡邊坡，其路線分布圖如圖1所示。工程沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，坡體主要由粉質(zhì)粘土、全風化、強風化及中風化花崗混合巖等構(gòu)成，該地區(qū)地震活動比較頻繁，路基工程區(qū)地震峰值加速度為0.15 g~0.30 g，高頻度的地震活動對邊坡的影響作用不可忽視。本文以K2+220剖面邊坡為例，探討地震荷載對邊坡穩(wěn)定性和滑體受力狀態(tài)的影響機制，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實際地質(zhì)情況建立邊坡數(shù)值模型，通過數(shù)值試驗計算得出錨索結(jié)構(gòu)的相關(guān)支護參數(shù)，進而提出適合該邊坡工程的支護方案。

圖1 建元高速公路線路圖

圖2 K2+220剖面邊坡坡形圖

2 地震對坡體狀態(tài)的影響規(guī)律

根據(jù)建元路K2+160~K2+380段路塹邊坡的工程地質(zhì)勘察資料與路線部署要求，該段邊坡坡形開挖方案及坡形尺寸如圖2所示。由于該區(qū)域位于多震設(shè)防區(qū)，現(xiàn)基于Slide軟件，建立數(shù)值模型，對地震荷載對邊坡滑面受力狀態(tài)與穩(wěn)定性的影響作出分析。其中，計算方法采用Bishop極限平衡條分法，滑面形式為圓弧滑面，計算采用的巖土體力學參數(shù)見表1。分別對正常條件及考慮地震荷載（地震峰值加速度為0.2 g，水平地震系數(shù)α=0.05）條件下，未支護邊坡的安全性進行分析，結(jié)果如圖3所示?？芍?，在未采取支護措施情況下，正常工況下邊坡安全系數(shù)為0.88，地震工況下安全系數(shù)為0.80，均不滿足相關(guān)規(guī)范要求。為了針對地震工況設(shè)計出合理的支護方案，有必要對地震荷載對邊坡穩(wěn)定性的影響機理進行研究。

表 1 巖土體物理力學參數(shù)

圖3 未支護條件下滑面分布圖

2.1 地震荷載對安全系數(shù)的影響

地震作用對邊坡穩(wěn)定性的影響作用不可忽視，為了簡化計算，本文采用擬靜力法進行計算[13]。擬靜力法將地震作用簡化為作用于滑體條塊重心處并指向坡外（滑動方向）的水平靜力，計算公式如下：

Q=ɑ(1)

式中，Q—滑體承受的地震力；—滑體重度；ɑ—水平地震系數(shù)。取值如表2所示。

表2 水平地震系數(shù)取值表

為了研究地震作用對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，現(xiàn)選取兩個不同埋深的滑面，位置如圖4所示。分別計算不同地震荷載條件下（α分別取0、0.02、0.04、0.06、0.08和0.1），兩個滑面對應(yīng)的安全系數(shù)，并將結(jié)果繪制成柱狀圖和折線圖，如圖5所示，圖中的安全系數(shù)變化率表示為：?=(1-2)/1，其中1代表正常工況下的安全系數(shù)；2表示不同地震荷載條件下的安全系數(shù)。

根據(jù)圖5可知，隨著地震荷載的增大，不同埋深滑面的安全系數(shù)均逐漸變小，但變化率保持一致，說明地震荷載對滑面安全系數(shù)的影響程度與滑面埋深基本無關(guān)。

圖4 不同埋深滑面分布圖

圖5 安全系數(shù)受地震荷載的影響規(guī)律

2.2 地震荷載對滑體應(yīng)力狀態(tài)的影響

數(shù)值計算采用的是簡化Bishop法，滑體受力狀態(tài)僅考慮條塊底部的法向力與條間法向力。滑體共劃分為25個條塊，坡頂?shù)狡履_的條塊編號按從小到大的順序進行設(shè)置。地震荷載對滑面法向力和條間法向力的影響規(guī)律分別如圖6(a)和圖6(b)所示。

由圖6(a)可知：1) 隨著邊坡潛在滑面埋深的增加，條塊底部的法向力變大，從坡頂至坡腳，不同埋深滑面法向力均先增加后減??；2) 隨著水平向地震荷載的增加，條塊底部法向力則逐漸變小，并且滑面中部的變化相比較坡頂和坡腳處更為明顯。

圖6 地震荷載對滑體受力狀態(tài)的影響

由圖6(b)可知：1) 隨著邊坡潛在滑面埋深增加，條塊間法向力變大，且從坡頂至坡腳，不同埋深滑面的條間法向力均呈先增加后減小的變化趨勢；2) 隨著水平向地震荷載的增加，條間法向力逐漸變大，并且滑面中部的變化相比較坡頂和坡腳處更為明顯。3) 隨著埋深的增加，條塊間法向力的峰值會往左偏移，即往坡頂處偏移。

3 支護方案設(shè)計

根據(jù)建元路K2+220附近路段的現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，結(jié)合勘察報告等資料，建議采用錨索結(jié)構(gòu)作為主要支護手段。而采用錨索結(jié)構(gòu)，首先需要確定錨索的長度、錨固段長度及錨索的傾斜角等參數(shù)。

3.1 錨固段長度

《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50086-2015）[14]指出錨固段長度的計算原則：確保錨固段提供的抗拔力不小于設(shè)計要求的抗拔力，計算公式如下：

式中：N—錨索軸向拉力設(shè)計值（kN）；—錨固段直徑（m）；L—錨固段長度（m）；f—漿體和巖土層間極限粘結(jié)強度標準值；—漿體與周圍土體間的粘結(jié)抗拔安全系數(shù)；—極限粘結(jié)強度受錨固段長度的影響系數(shù)。

結(jié)合規(guī)范建議與該邊坡工程的實際地質(zhì)條件，最終確定錨固段長度計算參數(shù)取值為：N=800 kN，=0.14 m；=2.2，=0.75，強風化花崗巖層與中風化花崗巖層的f分別取400 kPa和500 kPa。經(jīng)計算可得，強風化花崗混合巖層錨固段的長度建議取為14 m；中風化花崗混合巖層錨固段的長度建議取為11 m。

3.2 錨索傾斜角及長度

錨索傾斜角，定義為錨索與水平面間的角度。其值的確定應(yīng)考慮錨索布設(shè)的空間位置，并且為避免注漿時出現(xiàn)漿液與漿體分離及泌水現(xiàn)象，錨索傾角還宜大于11°。錨索長度值確定的基本原則是，要求錨索長度大于滑面埋深，以使錨固段位于滑體下部穩(wěn)定區(qū)，保證錨固效果。綜合考慮以上幾種因素，現(xiàn)以錨索長度和傾角為變量，設(shè)計如下數(shù)值試驗（表3），通過對比分析，給出滿足該工程穩(wěn)定性要求的錨索長度和傾角的建議值。

將表3內(nèi)不同錨索參數(shù)對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)列于圖7中，可以明顯看出，當錨索總長度較短時(本案例中指小于30 m)，邊坡的安全系數(shù)隨著錨索傾角的增加而呈增大趨勢，而當錨索總長度較長時(本案例中指大于30 m)，安全系數(shù)便隨傾角的增加呈先增加后減小的變化趨勢，并且錨索的長度越大，安全系數(shù)到達峰值時對應(yīng)的錨索傾角越小，即曲線峰值隨錨索長度增加會往左移。根據(jù)數(shù)值試驗計算結(jié)果，以規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)閾值為標準，最終確定的錨索基本支護參數(shù)為：長度35 m，傾角20°。另外，考慮到邊坡滑面埋深一般中部埋深大，上下兩端埋深相對較小。為降低工程成本，提高工程經(jīng)濟效益，只需保證錨索錨固段穿過邊坡滑面嵌入下層穩(wěn)定區(qū)即可，上下兩端的錨索不必過長，節(jié)約支護材料。因此，綜合考慮數(shù)值試驗結(jié)果與工程經(jīng)濟效益，最終確定的邊坡支護方案如圖8所示，具體支護參數(shù)見表4。

表3 不同參數(shù)對應(yīng)的安全系數(shù)

圖7 不同錨索參數(shù)對應(yīng)的安全系數(shù)

圖8 錨索支護方案

表 4 錨索支護參數(shù)

3.3 邊坡支護方案驗證

采用極限平衡條分法（簡化Bishop法），利用Slide 6.0計算軟件對加固后的邊坡進行穩(wěn)定性分析，其中滑移破壞形式為圓弧滑動，計算結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明，正常工況下，采用該支護方案后的安全系數(shù)為1.96，滿足安全系數(shù)大于1.15的要求；地震工況下（地震峰值加速度為0.2 g，水平地震系數(shù)α=0.05）邊坡的安全系數(shù)為1.77，同樣滿足非正常工況下安全系數(shù)大于1.05的要求，說明本文提出的支護方案合理可行。

圖9 數(shù)值計算結(jié)果圖

4 結(jié) 論

通過現(xiàn)場調(diào)研與數(shù)值試驗等手段，考慮地震影響因素，對云南省紅河州某高速公路典型剖面邊坡進行研究分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過研究地震荷載對不同埋深滑面的影響規(guī)律可知：隨水平向地震荷載的增加，滑面的安全系數(shù)均逐漸變小，且影響程度與滑面埋深基本無關(guān)；隨水平向地震荷載的增加，滑面法向力逐漸變小，條間法向力則逐漸變大，并且滑面中部的變化相較坡頂和坡腳處更為明顯；

（2）采用極限平衡條分法對未支護狀態(tài)下的邊坡進行穩(wěn)定性計算，發(fā)現(xiàn)正常條件與地震條件下的安全系數(shù)均小于1，須進行加固處理；基于國家規(guī)范與數(shù)值試驗，計算確定錨索支護的主要設(shè)計參數(shù)：錨索長度、傾斜角及錨固段長度，最終給出邊坡的綜合支護方案；

（3）通過數(shù)值計算可知，采用該支護方案后，正常工況下邊坡安全系數(shù)為1.96，地震工況下為1.77，均滿足規(guī)范要求；并且支護后邊坡滑面埋深變大，提高了邊坡的抗滑性。可見本文提出的錨索支護方案能解決該多震地區(qū)路塹邊坡的穩(wěn)定性問題，研究結(jié)果對工程施工具有一定的參考意義。

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Study of the Support Scheme and Stability of Highway Slope in Earthquake Prone Area

MA Feng1, HUANG He2, MA Lu-ke3, YE Chao1, ZUO Sheng-rong4, ZHU Xiang-qun5

1.430083,2.430052,3.430010,4.430056,5.246003,

In order to study the stability of highway slope in the areas prone to earthquakes, a slope in Honghe Prefecture of Yunnan Province was selected as the engineering background. First, the slope stability and the stress state of sliding body under seismic load were analyzed using the limit equilibrium slice method. The results show that with the increase of the horizontal seismic load, the safety factor and the normal forces at the bottom of bars become smaller, while the normal forces between the bars become larger, and the change in the middle of the slip surface is more obvious than that at the top and foot of the slope. Then, the support parameters of cables were calculated based on the numerical test. From the calculated results, it can be seen that the buried depth of the slip surface increases, when the support scheme is adopted, and the slope stability can meet requirements of specifications in both natural conditions and earthquake conditions. The support scheme proposed in this paper can solve the stability problem of the highway slope in earthquake area, and the research results provide references for other similar projects.

Seismic area; highway slope; stability; support scheme

TU457

A

1000-2324(2021)02-0322-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.02.030

2019-11-18

2019-12-26

武漢科技大學城市學院重點科學研究項目(2018CYZDKY003);武漢科技大學城市學院院級一般科學研究項目(2018cyybky005);安徽省高校自然科學重點研究項目(KJ2016A450,KJ2017A787)

馬鋒(1982-),男,研究生,講師,研究方向,結(jié)構(gòu)工程. E-mail:55304293@qq.com