公路路基边坡稳定性分析及锚固优化设计研究

高晓通

（新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，乌鲁木齐 830006）

路基边坡稳定性是确保公路项目施工进度和安全运营的关键因素之一。 公路边坡稳定性易受到地形地貌、施工技术等因素影响，尤其是山区公路，往往会遇到较大规模的高填深挖，改变原有的地质条件，可能导致滑坡、坍塌等地质灾害，从而导致严重的经济损失及不良的社会影响。 选择经济、合理、可行的边坡防护措施，已经成为工程技术人员需要解决的重要问题。 目前常用的路基边坡加固方案主要有锚杆（索）框架梁、挡土墙、三维网植草、预应力锚索（杆）、圬工防护等。

近年来，国内外研究人员及工程师也通过理论公式计算、离心模型、原位监测等措施来探讨了岩土项目的锚固机理、加固效果及设计理念，并提出大量有价值的研究成果[1]。 但是，设计人员在开展公路设计任务时，仍以工程类比法为主，为了确保工程有较高的安全冗余度，设计方案一般较保守，从而导致工程费用过高， 故分析路基边坡安全系数的变化机理及锚固方案优化具有十分重要的工程意义。

1 边坡稳定性分析方法

1.1 极限平衡分析法

极限平衡法是公路项目中应用最广泛的一种路基边坡计算方法，一般假设路基边坡的潜在滑动面为直线或圆弧形，并根据边坡边界条件，对可能出现滑坡的若干个滑动面进行力学分析，建立土体强度和作用荷载之间的平衡条件，给出相应的安全系数。 极限平衡法不能考虑岩土体的应力历史、加载-卸载过程等， 但其计算方法简便、 计算结果可靠。 目前常见的极限平衡法一般包括瑞典条分法、毕普肖法、萨尔玛法（SARMA）法[2]。

(1)瑞典圆弧法

瑞典条分法是假定土质路基边坡潜在滑动面为圆弧形，而分析岩体边坡稳定性时，必须是破碎或松散岩体才具备可行性，主要原因在于完整岩体边坡的滑动面往往是折线形，与瑞典圆弧法的理论矛盾。

(2)毕普肖法

毕普肖法是对瑞典圆弧法的一种改进，同样适用于滑动面为圆弧的土质边坡。 该方法是将滑坡体划分成多个宽度相同的垂直条块（如图1 所示），并以滑动圆弧的圆心为力矩中心点，计算得到抗滑力矩与下滑力矩的比值即为边坡安全系数[3]。

图1 毕普肖法的力学分析

(3)SARMA 法

SARMA 法应用较广泛， 不仅能计算潜在滑动面为直线、折线、圆弧形的路基边坡安全系数，还能考虑以岩体的断层、 节理等来划分滑坡体的条块，并能够对滑坡开展反分析，求出滑动面的粘聚力和内摩擦角。

1.2 数值计算法

随着计算机技术的飞速发展，数值计算法在岩土计算领域地应用日益普遍， 一般包括有限元法、有限差分法、离散元法等，其中有限元法的应用最广泛[4]。 有限元法能用来计算岩土体的弹性、弹塑性、流变、大变形问题等，并能够给出岩土体的应力应变大小和分布规律，以便于更好地分析路基边坡的失稳变形机制。

2 边坡锚固机理及计算模型建立

2.1 锚固机理分析

研究成果表明，锚杆（索）加固技术可以充分发挥岩土体本身强度和潜力，控制工程变形，几乎成为应对公路边坡失稳破坏的最为经济、有效的措施之一。

天然状态下的路基边坡往往受到潜在滑动面以上岩土体切向力、渗透水及其他荷载，而其稳定性主要是由边坡可能滑动面岩土体的抗剪强度参数来维持[5-6]。 为了避免边坡失稳破坏，锚固力必须能使作用在滑动面上的所有力系保持平衡，即抗滑力矩大于下滑力矩，加固原理如图2 所示：

图2 边坡锚杆加固机理

式中： f——土层的摩擦系数，无量纲；

r——圆弧滑动面的半径；

C——土层的粘结力。

由此可知，锚杆可以将滑坡推力传递到更深的稳定地层中， 利用稳定地层的锚固作用和被动抗力，使得边坡保持稳定状态。 锚杆阻止滑坡体下滑主要源于潜在滑动面上锚杆与岩土体的相互作用，此时锚杆均可视作一个个约束点，每个约束点均可提供正压力和上提力，前者可以阻止滑坡体与稳定岩土体分离，后者可以阻止滑坡体的下滑。 当这些约束点的数目、位置和强度布置合理时，才能够充分发挥锚杆的锚固作用，使边坡保持稳定状态。

2.2 边坡计算模型建立

(1)边坡地质概况

依托项目为某山区公路，沿线地质条件较为复杂，可能存在较多高陡路基边坡。 路基边坡的岩体基本都是强风化泥质粉砂岩， 完整性和稳定性较差。 同时，根据区域地质资料，场区处于相对较稳定的地质环境，场地土属中硬土，无地震作用下的可液化地层，地震基本烈度为Ⅵ度，路基边坡岩体的设计物理力学参数建议值见表1：

表1 强风化泥质粉砂岩计算参数

(2)计算模型

路基边坡高度为20 m，分两级（每级10 m）开挖，每级设2 m 平台，坡脚为60°。 边坡模型尺寸如图3 所示：

图3 边坡计算模型

FLAC3D 软件可以用cable 单元来模拟全长粘结锚杆结构及其与岩体之间的接触面，但应当将锚杆结构进行简化处理，即将锚杆视作理想的两节点直线单元，且直线段的截面及材料参数完全相同。

3 支护参数对边坡稳定性影响分析

在确定设计参数、建模、划分网格、设置边界条件等工作完成之后，对边坡稳定性开展验算，得到了天然状态路基边坡的安全系数为0.98，小于《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）的规定值1.2，故需要进行加固处理。 路基边坡加固应按照“强脚固腰”原则[7]，采用全长粘结锚杆对一级和二级边坡进行防护，锚杆布置间距、长度对边坡稳定性的影响分析如下。

3.1 锚杆间距的影响

在锚杆长度（12 m）和锚杆倾角（15°）不变前提下，将锚杆布置在图4 所示位置，各个位置相应的高度分别为1 m、3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、13 m、15 m、17 m、19 m。

图4 锚杆布置位置示意图

利用FLAC3D 得到了锚杆在边坡不同位置处的轴力大小及相应的安全系数，见表2：

表2 锚杆轴力和安全系数计算结果

计算结果表明，随着锚杆轴力的增加，锚杆的锚固效果变好，安全系数也不断增大，且两者之间基本呈线性正相关的关系。 这样就可以利用锚杆轴力的差值来间接分析多根锚杆在不同布设间距下的锚固效果及其对边坡安全系数的影响。

3.2 锚杆长度的影响

在锚杆长度纵向间距（2 m）和锚杆倾角（15°）不变的前提下，将锚杆按表3 来布置，分析长度分别为6 m、9 m、12 m、15 m、18 m、21 m 的锚杆加固下的边坡安全系数变化规律。

计算结果表明， 当边坡锚杆加固长度小于15 m时，随着锚杆长度的增加，边坡安全系数也逐渐增大，但两者之间为非线性正相关；当边坡锚杆加固长度大于15 m 时， 边坡稳定性增长不明显， 锚杆加固长度18 m 相对于15 m，边坡的安全系数仅提高了1.21%，可以忽略不计；当边坡锚杆加固长度大于18 m 时，增加锚杆加固长度反而会导致边坡的安全系数降低。

表3 锚杆轴力和安全系数计算结果

4 结语

(1)边坡稳定性分析方法主要有极限平衡法和数值计算法，前者包括瑞典圆弧法、毕普肖法、SARMA法等，后者包括有限元法、有限差分法、离散元法等；

(2)锚杆能传递滑坡推力传递到更深的稳定地层中，使得边坡保持稳定状态，锚杆可视作一个个约束点，为滑坡体提供正压力和上提力。 当这些约束点的数目、位置和强度布置合理时，才能够充分发挥锚杆的锚固作用；

(3)随着锚杆轴力提高，锚杆地锚固效果变好，安全系数也持续增大，且两者之间基本呈线性正相关关系；

(4)当边坡锚杆加固长度大于15 m 时，边坡安全系数增加很小， 当边坡锚杆加固长度大于18 m时，边坡稳定性反而降低。 因此，从技术和经济两方面来分析，该边坡的锚杆加固长度可取15 m。