锚杆加固路堑高边坡开挖过程稳定性分析

摘要：为研究路堑高边坡施工阶段开挖过程及锚杆加固对边坡稳定性的影响，文章以广西某高速公路90 m高路堑边坡工程为例，采用Midas GTS软件建立边坡三維模型，分析了开挖过程中锚杆加固前后边坡位移场及稳定性的演化规律。结果表明：随着边坡自上而下开挖，各特征点的水平位移和竖向沉降逐渐增大，且竖向沉降整体上高于水平位移。无支护状态下，边坡开挖稳定性系数由1.59逐渐下降至1.24；锚杆支护状态下，随边坡开挖步数增加，潜在滑动面由局部浅层破坏转化为整体性深层失稳，边坡稳定性呈先下降后回升、随后逐渐降低的趋势，最终安全系数为1.39。采用锚固加固措施可有效抑制边坡变形，提高边坡的整体稳定性。

关键词：道路工程；边坡开挖；锚杆支护；稳定性分析

中图分类号：U441+.4A210693

0引言

随着我国高速公路建设的迅速发展，公路不断向山区延伸，不可避免地形成众多的路堑高边坡。路堑高边坡的稳定状态受到开挖卸荷、气候作用、地质条件、防护措施等因素影响。其中，边坡开挖卸荷导致边坡失稳破坏的现象时有发生，研究路堑高边坡在开挖过程中支护前后的变形及稳定性演化规律，对保证公路施工期间及后期运营安全具有指导意义［1-2］。

徐风光等［3］研究了不同边坡坡度、高度和岩土参数条件下12个典型路堑边坡的开挖卸荷变化过程，揭示了边坡开挖诱发的应力、应变特征及卸荷松弛损伤劣化效应。刘振华等［4］利用有限元软件模拟了不同支护状态下土质高边坡开挖过程中位移场、应变场及稳定性的变化规律，发现锚杆和框架梁协同作用支护效果最佳。王杜等［5］采用有限差分法模拟了含软弱夹层路堑边坡的开挖过程，研究表明软弱夹层变形的突然增加带动了边坡的整体失稳。万全等［6］探讨了不同开挖工况下边坡合理开挖的施工工艺，结果表明开挖深度过大易形成剪切破坏带，而深度过小易造成对边坡的持续扰动。上述研究主要采用数值模拟的手段来研究施工开挖对边坡稳定性的影响，但针对90 m高度及以上的土质高边坡施工开挖过程变形及稳定性发展规律鲜有报道。鉴于此，本文以广西某高速公路90 m高的土质高边坡工程为研究对象，利用Midas GTS软件，建立三维有限元数值模型，探讨锚杆支护结构下路堑高边坡开挖过程位移场及稳定性的变化规律，以期为类似土质高边坡开挖施工及边坡灾害防治提供技术支持。

1工程概况

广西某在建高速公路K35+890～K36+150段左侧路堑高边坡，开挖深度较大，坡顶距设计路面标高竖向最大高度达90 m，坡向约40°，属于逆向切层坡。边坡表面为第四系覆盖层，覆盖着5～18 m厚度的角砾土，灰黄色-黄褐色，稍湿，中密，结构较疏松，碎石含量约为60%，母岩成分以硅质岩碎块为主；下伏主要为强风化硅质岩，黄褐-棕黄色，强风化，薄层状构造，节理裂隙发育，破碎程度较高。该边坡地下水埋藏较深，主要为基岩和松散堆积层孔隙水，地下水位对该边坡开挖无显著影响。根据室内试验，得到边坡土层相关物理力学参数如表1所示。

边坡开挖地质剖面及开挖顺序如下页图1所示。该边坡共分为9级开挖，自上而下开挖Ⅰ～Ⅸ区域，每级高10 m，边坡平台高1.5 m，边坡坡率均为1∶1.5。根据边坡地形、地质条件及稳定性验算结果，考虑坡面局部楔形体滑塌及掉块影响，本边坡防护方案为：第1～7级坡采用锚杆格梁防护，每级布置3根32 mm锚杆，纵向间距为4 m，入射角度为25°，其余坡面采用植被混凝土进行坡面防护和绿化。

2数值模型的建立及计算步骤

2.1数值模型的建立

数值模拟采用有限元软件Midas GTS进行计算，建立与实际工程相同的三维网格模型（见下页图2）。边坡模型总长260 m，左侧高135 m，右侧高47.6 m，模型宽度取32 m。有限元模型共32 436个节点，30 856个单元。

模型底部为刚性约束，坡面为自由边界，其余各面均受法向位移约束。角砾土和强风化硅质岩采用摩尔-库仑本构模型，锚杆采用弹性本构模型模拟。边坡按照自上而下的先后顺序分9步进行开挖，在开挖计算过程中对边坡开挖面上特征点（A、B、C、D、E、F）进行了实时监测。

2.2数值计算步骤

根据实际边坡的开挖步序，数值计算步骤为：（1）初始状态下进行初始应力场平衡，并将位移场和速度场清零；（2）开挖区域Ⅰ的坡体，计算至平衡状态，同时勾选强度折减法计算边坡稳定性；（3）重复数值计算步骤（2），依次开挖Ⅱ～Ⅸ区域坡体；（4）进行数值模拟后处理，提取相关数据。

3计算结果及分析

3.1边坡竖向沉降变化规律

图3和图4分别展示了边坡特征点A～F无支护开挖和锚杆支护开挖过程中竖向沉降的变化曲线。由图3和图4可知：特征点A～E随边坡开挖过程的持续，竖向沉降逐渐增大，但每一开挖步数的增加速度不尽相同，处于相对较高位置先扰动而变形，边坡开挖至相应特征点时，其沉降会骤然增加，且沉降变化主要集中在特征点A～C的角砾土层；特征点F因上部边坡滑动和路基卸荷回弹效应，开挖至最下层时引起路基隆起作用。边坡无支护开挖的最大竖向沉降为63 mm，而锚杆支护开挖的最大竖向沉降为48.5 mm。

3.2边坡水平位移变化规律

图5和图6分别展示了边坡特征点A～F无支护开挖和锚杆支护开挖过程中水平位移的变化曲线。由图5和图6可知：特征点A～E随边坡开挖过程的持续，开挖卸荷对边坡变形的影响程度越大，水平位移逐渐增大，特

征点A和B的位移量显著高于其余特征点，无支护开挖和锚杆支护开挖的最大位移均位于B点，最大位移分别为27 mm和20 mm。特征点F因路基中部受到坡体挤压变形影响，水平位移为负值，并稳定在2～3 mm。

3.3边坡开挖过程稳定性分析

图7为边坡在开挖过程中支护前后的稳定性系数变化规律，由图7可知：在放坡开挖状态下进行边坡开挖，边坡安全系数呈逐渐降低趋势，由1.59下降至1.24，放坡开挖完成后边坡整体稳定性系数不满足Fs＞1.25的设计要求，该边坡处于基本稳定状态，需采取必要的支护措施。采用锚杆支护后，增强了边坡自稳能力和土体强度，从而提高了边坡稳定性。边坡开挖稳定性系数呈先下降后回升，随后逐渐降低的趋势，边坡稳定性系数最终下降至1.39。放坡开挖+锚杆支护的开挖方式比放坡开挖完成后边坡稳定性系数提高了12.1%，边坡稳定性满足规范要求。

究其原因是，边坡开挖前期对边坡产生扰动，造成坡体应力、应变重分布，稳定性系数逐渐下降；开挖至第2步后，锚杆及时对每级边坡进行加固，此时锚杆对滑体稳定性起主导作用，且开挖土体减轻了边坡的自重，从而使边坡整体稳定性有所提高，开挖至第4级边坡时稳定性系数达到最大值1.68；随着向下大范围继续开挖，边坡持续受到开挖扰动和卸荷作用，加上下滑力增大，边坡稳定性系数逐渐降低。

图8为锚杆支护下边坡开挖不同步数的剪切应变增量云图。由图8可知：边坡开挖步数前半段，边坡滑动面主要集中在角砾土层，剪切滑动面表现为局部的浅层破坏；开挖后半段，锚杆将滑动体的下滑力传递到边坡内部，剪切应变增量逐渐向坡脚和深层扩展，剪切滑动面表现为整体的深层破坏。

4结语

（1）在路堑高边坡自上而下开挖作业过程中，各特征点的水平位移和竖向沉降呈现出逐渐增大的趋势，且竖向沉降整体上高于水平位移。路基中部因卸荷回弹效应，产生向上隆起的现象。

（2）在放坡状态下进行边坡开挖，边坡稳定性系数呈逐渐降低趋势，由1.59下降至1.24，处于基本稳定状态，需要采取必要的支护措施提高边坡稳定性。

（3）在锚杆加固边坡后，边坡开挖过程中稳定性系数呈先下降后回升、随后逐渐降低的趋势，最终安全系数为1.39，较边坡放坡开挖完成时的稳定性系数提高12.1%。

（4）边坡开挖前半段，剪切滑动面表现为局部的浅层破坏；开挖后半段，锚杆将滑动体的下滑力逐渐传递到边坡内部，剪切滑动面表现为整体的深层破坏。

参考文献［1］ 程咏春，郭鐵春，仇成龙.高路堑边坡开挖稳定性与变形在线安全监测研究［J］.路基工程，2019（5）：141-144.

［2］黄俊辉，刘新荣，许彬，等.多级高陡边坡开挖过程数值模拟及稳定性研究［J］.公路交通科技，2022，39（3）：44-53.

［3］徐风光，廖小平，王浩.典型路堑边坡开挖卸荷应力变化特征与松驰规律［J］.公路交通科技，2022，39（3）：9-20.

［4］刘振华，付江.基于土质高边坡的加固方法研究与数值模拟分析［J］.兰州工业学院学报，2017，24（4）：14-18.

［5］王杜，王朦，李者，等.含软弱夹层路堑边坡开挖变形及稳定性分析［J］.交通科学与工程，2022，38（3）：26-32.

［6］万全，何忠明，付志利.基于FLAC3D的高速公路高边坡合理开挖施工工艺研究［J］.公路工程，2014，39（3）：65-68.

作者简介：陈亮胜（1996—），硕士，助理工程师，主要从事道路与桥梁施工管理工作。