高速公路路基工程高填深挖边坡稳定性分析

潘天军

（贵州省公路工程集团有限公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

高速公路施工阶段，需进行土石方开挖及回填，特别是在山区高速公路工程中，高填深挖边坡很常见，该类边坡稳定性较差，施工安全风险较高[1]。近些年，业界就此类边坡的稳定性开展深入研究，结合高速公路工程实践分析高填深挖路基边坡的稳定性影响因素，发现降雨对此类路基边坡的结构稳定性的影响较大，易引发边坡滑坡及冲刷破坏等。因此，施工时需采取有效的加固措施进行边坡加固，并做好边坡结构稳定性监测。为确保边坡在运营阶段的结构稳定性，需深入调查边坡区域地质、水文条件，确保加固措施的可行性，有效减少边坡失稳的出现[2-3]。

1 高填深挖路基边坡破坏形式及机理

1.1 边坡破坏形式

高速公路边坡失稳的表现主要有滑坡、垮塌，其中滑坡最常见，破坏力也很大，滑坡的形成机制是部分边坡面出现位移，土体沿着位移面滑动，最终导致滑坡[4]。基于不同的形成机理，滑坡可分为牵引式滑坡、滑移式滑坡两类；崩塌也是一种较为常见的边坡失稳形式，在自重的作用下，部分边坡土体突发崩落，崩塌多出现在坡度较陡的边坡。

1.2 路堤边坡破坏机理

高速公路路堤边坡破坏主要是坡脚、边坡表面的冲刷破坏，河流附近的路堤会受到雨水冲刷，且强降雨可能引发洪水，持续冲刷路堤坡脚，最终导致边坡失稳。边坡表面的结构破坏则与降雨形成的地面径流有关，雨水在边坡表面形成径向沟槽，随着降雨的持续，径向沟槽持续扩张，最终引发路基边坡破坏失稳。

1.3 路堑边坡破坏机理

路堑边坡破坏失稳与地质条件密切相关，地质条件的影响包括以下几点：

（1）路堑边坡岩土体的力学性能因风化作用变差，使其结构稳定性减弱，最终引发边坡失稳。

（2）开挖路堑边坡后未第一时间做好边坡表面防护，导致外露的边坡在外部影响因素的作用下出现失稳。

（3）降雨时，边坡表面雨水渗入边坡结构内部，导致边坡土体自重增加的同时结构强度下降，在自重作用下，部分边坡土体下滑，出现失稳。

2 边坡稳定性影响因素

结构因素：直接影响岩质边坡结构的稳定性，边坡结构面尺寸、几何形状、土体性质、空间分布等因素对边坡结构力学性质有直接影响[5]。因此，仅定性分析边坡结构的稳定性不能作为边坡加固处理的全部依据，还应关注边坡结构面对边坡土体结构强度的影响。

含水率因素：水对边坡结构稳定性的影响主要体现在边坡土体自重的增加及其结构强度的降低，含水率与边坡土体自重成正比，与其结构强度成反比，外在表现为边坡的下滑力增加以及抗滑力的降低，当前者超过后者时边坡土体出现滑移，进而引发边坡失稳。

施工因素：高速公路路基工程施工阶段，边坡开挖会破坏边坡内部的应力平衡，使得应力重新分布。如施工过程中未采取措施进行坡面加固，在雨水冲刷等环境因素的影响下，边坡结构稳定性逐渐降低。此外，对于需开展爆破作业的岩质边坡，爆破形成的冲击力也破坏边坡结构稳定性，增加边坡失稳风险。

3 高填深挖路基边坡稳定性分析方法

3.1 定性分析法

工程类比法、图解法是实践中应用较多的定性分析边坡稳定性的方法。其中，工程类比法的基本原理是依据边坡地质条件、土体性质及是否发生过滑坡等条件寻找与当前工程类似的路基边坡工程实例，并进行对比分析，总结二者的异同，根据分析结果定性分析边坡结构的稳定性[6]。图解法的基本原理是根据赤平极射投影原理，在同平面上投影边坡产状、岩土体结构面，观察二者的水平投影关系，确定边坡的可能滑动面，从而实现边坡稳定性的定性分析。

3.2 定量分析法

在定性分析的基础上，定量分析高填深挖路基边坡稳定性可进一步提高边坡稳定性的预测准确性，为加固边坡提供可靠依据。现阶段应用较多的定量分析方法包括极限平衡分析法、数值分析法。

3.2.1 极限平衡分析法

在工程实践中，极限平衡分析法的应用较多，其基本原理是根据力学平衡原理，通过计算确定边坡的潜在滑动面，进而得到合理的边坡安全系数。极限平衡分析法的关键环节包括分析边坡滑坡面形态、边坡滑坡范围，极限平衡分析法可进一步分为毕绍普法、简布法等，可以直观高效地进行计算分析。

3.2.2 数值分析法

现代信息技术的不断进步的背景下，数值分析法应运而生，常用的数值分析法包括离散元法、有限差分法、有限单元法等。其中有限单元法应用最多，其主要特点在于将边坡土体的地质条件考虑在内，可以全面客观地体现工程实际情况，根据边坡结构内部应力分析其结构稳定性，但该方法要求数据准确，需保证初始数据误差在合理范围[7]。

离散元法可有效解决有限单元法存在的问题，能够直观呈现边坡位移等关键状态，适用于块裂岩土体边坡稳定性分析，但离散元法也存在缺点，如离散元计算时步小，很难确定相关系数[8]。

由此可见，合理运用数值分析方法可以解决传统分析方法无法观测边坡失稳过程的问题，但需先进行数学建模、参数验算，对技术人员的专业能力要求更高。因此，在高速公路路基工程中需综合运用极限平衡法、数值分析法，互为补充，彼此验证，以有效提高边坡稳定性分析结果的可靠性。

4 工程实例

4.1 工程概况

某山区高速公路为双向四车道设计，起点桩号K70+800，终点桩号K72+800，设计速度80 km/h，路基设计宽度26.5 m，公路沿线共设置大中桥9座，天桥4座，匝道现浇桥2座，路基总长度19 km，挖方量为573万m3，填方量366.7万m3。多路段需进行高填深挖，高填深挖边坡坡度范围26°～32°，绝对高程180～285 m，相对高差28 m。

4.2 自然条件及施工环境

4.2.1 地形和地貌

该高速公路工程地处丘陵山区，地势东低西高，海拔平均900 m，海拔最低点在（南池乡二神口）916 m，区域内沟壑纵横，地形复杂。施工区域存在农田以及山坡植被，坡面植被主要为杂草、灌木。

4.2.2 气象和水文

该公路工程所在区域为亚热带气候，夏热冬暖，降雨较多，四季分明，光照充足。根据往年降雨量数据计算可知年均降雨量1 332.9 mm，4—7月为雨季，降雨量占全年降雨量的85%，年平均气温9.3 ℃，年平均相对湿度70%，冻土深度最大约75 cm，无霜期约157天。由于该地区降雨量大，公路边坡失稳风险较高。因此，雨季来临前需做好边坡稳定性分析，根据分析结果采取针对性的边坡加固措施，以有效确保高填深挖边坡稳定。

4.3 极限平衡分析

公路K57+850右堑断面如图1所示，通过极限平衡分析边坡结构稳定性，边坡高47.23 m，边坡结构面倾角29.0°，边坡加固方式为锚杆加固，边坡结构面内摩擦角为25.3°、黏结力为33.4 kPa。利用理正软件、极限平衡分析法中的圆弧滑动面法求得边坡安全系数为1.302＞1.2（规定安全系数），表明边坡稳定。

图1 右侧路堑断面（单位：m）

4.4 数值分析

通过ABAQUS开展有限元分析，数值模型如图2所示。该公路右侧路堑边坡属于Ⅴ级边坡，数值模型高95 m，宽180 m，边坡土体性质从上到下依次为强、中风化粉砂岩，基于摩尔-库伦本构模型建立数值模型，除上表面外，模型其他边界均做位移约束，加固锚杆几何尺寸为18×1 000 mm2。天然土体物理力学参数以及加固锚杆基本参数如表1所示。

表1 土体的物理力学参数和锚杆性能

图2 数值模型

进行锚杆加固后的边坡土体塑性云图如图3所示，存在贯通画面，边坡结构稳定性处于临界态，利用圆弧滑动面法求得边坡结构安全系数为1.094＜1.2，表明边坡结构稳定性欠缺，需加强边坡加固，以有效提高边坡结构的稳定性。

图3 开挖完成后的塑性区云图

4.5 加固措施

（1）边坡支挡：该措施的主要作用是提高边坡土体的抗滑力，从而有效提高边坡结构的稳定性，是路基边坡结构加固的最有效方法。在工程实践中可结合多种边坡支挡方法进行综合运用，最大限度地减少雨水冲刷破坏，起到加固坡体、防护坡面的作用。

（2）边坡排水：边坡土体含水率直接关系到边坡结构的稳定性，边坡表面的积水以及边坡土体内部的水都会给边坡稳定造成负面影响。因此，需做好边坡排水措施。常用边坡排水措施主要分为边坡表面排水措施与边坡土体排水措施[9]。其中边坡表面排水措施是指截引边坡表面的地表水，确保其顺畅排出，避免积水径流在边坡表面形成沟槽，破坏边坡结构。边坡土体排水措施是指疏排地下水，主要排水设施包括渗沟、盲沟、渗井等。

该高速公路工程路堑较深，边坡级数较多，坡度较大，边坡结构稳定性较差，特别是在降雨情况下，边坡失稳风险明显增加。因此，需对第一、二级边坡采取混凝土框架植草加固，对第三、四级边坡采取锚杆加固，对顶级边坡进行挂网植草加固[10]。

5 结论

综上所述，该文从高填深挖路基边坡破坏形式及机理出发，分析了不同工况下的边坡稳定性，并以工程实践为依托，提出了边坡加固措施并得出以下结论：

（1）施工前需认真制定施工方案、边坡结构稳定性监测方案，实时分析监测数据，施工时应采用合理的边坡加固措施。

（2）合理运用极限平衡法、数值分析法等定量分析方法，互为补充、彼此验证，以有效提高分析结果的正确性。

（3）针对多级路堑边坡，需对第一、二级边坡采取混凝土框架植草加固，对第三、四级边坡采取锚杆加固，对顶级边坡进行挂网植草加固。