公路路堤高边坡支护数值模拟与稳定性分析

滕方勇;蔡森;王蒙蒙

【摘 要】本文以某高速公路为背景依托,介绍了路堤高边坡几种常用的拓宽方式.根据该高填方路堤工程的实际地质地形特征,建立了三维模型对该高路堤边坡进行稳定性分析,从数值模拟结果看出该路堤高边坡处于次稳定状态,需要相应的边坡支护措施.结合该地区地质特征,本文提出了采用预应力锚杆和土工格栅相结合共同加固处理的方案.通过数值模拟计算发现,加固后的高边坡,提高了填土路堤的强度,保证了高填路堤边坡在施工中的稳定性和后期使用过程中的稳定性. 【期刊名称】《交通节能与环保》 【年(卷),期】2017(013)005 【总页数】4页(P74-77)

【关键词】高填方路堤;边坡支护;数值模拟;稳定性分析 【作 者】滕方勇;蔡森;王蒙蒙

【作者单位】招远市重点建设项目办公室,山东 招远 265400;招远市水政监察大队,山东 招远 265400;长安大学,陕西 西安 710064 【正文语种】中 文 【中图分类】U417.1

一般路堤高边坡是指高度大于20 m的岩质边坡和高度大于18 m的土质边坡[1]。现有高速公路的改造与扩建工程中，路堤高边坡在施工过程时，需要对原有路堤先进行表面整平处理，这样就会使原来在自然状态下保持稳定的路堤土体受到扰动，

稳定性会有所降低，在进行路堤拓宽填筑新土体时，就会对原路堤土体稳定性造成进一步扰动，破坏原土体的应力平衡状态，原高边坡就会面临失稳破坏的可能。如果原有路堤边坡进行了土工格栅、预应力锚杆（索）、土钉墙、抗滑桩等加固措施来维持稳定性，则在进行原路堤边坡表面整平处理时会对现有加固措施拆除，这会使得原路堤边坡面临失稳破坏的可能性，此时再进行新土体的填筑进行路堤加宽时，会加剧路堤边坡失稳破坏的可能性。不论哪种情况对原有路堤稳定性造成不利影响，此问题在路堤扩宽的过程中如果处理不当，则可能造成土坡失稳。由此可见，在路堤边坡扩宽工程中，如何保证旧路堤和新填筑土体的稳定性是高速公路在改扩建过程中面临的关键问题之一。

目前，对于高边坡问题国内外学者大多是针对路堑高边坡问题[2]，而且很多集中在新建的高速公路路堑高边坡方面，在对工程问题地质探查的基础上，采用极限平衡理论法对边坡稳定性进行评估，针对出现的工程问题，提出相应边坡支护方案[3-8]。但是针对这种旧路扩建工程中的路堤高边坡稳定性分析及支护方面则很少有涉及。现阶段还大多沿用新建公路的边坡设计方法，新建公路边坡的支护一般是在满足其安全性的基础上，同时尽可能寻求满足其美观经济性的设计方案。针对高速公路改扩建路堤高边坡稳定性问题，提出了采用预应力锚杆（索）和土工格栅共同加固的方案，并通过有限元数值分析发现该方案能够显著增强边坡稳的定性。 本文以某在建高速改扩建工程为背景依托，介绍了路堤高边坡几种常用的拓宽方式，通过对原有路堤高边坡进行数值模拟，分析其稳定性，针对其出现的工程性问题，采取了不同支护措施，最终使的原路堤高边坡的失稳破坏问题得以有效解决。 目前，高速公路的改造与加宽方式有三种，分别为老路加宽型、路网加密型、近距离新建型，但各自有不同优缺点[9]；目前，行业学者针对中国已经完成的高速公路改扩建的现实情况，把高速公路改扩建工程分为新建和加宽两种不同形式，并且对加宽方式又分为单侧加宽、双侧加宽和分离式加宽三种方式，并分别阐述了其优

缺点[10-13]。

图1为完全拼接方式。采用这种扩宽方式有利于边坡稳定和植物防护，特别是对于双侧扩宽，在边坡防护方面可以采用加筋土挡墙对称布置，可以更好的维持边坡的稳定性。但对于单侧加宽来说，其整体稳定性不利于控制。

图2为不完全拼接方式，可以在扩宽旧路的基础上，提高路堤的高度，在一定程度上可以提高成路后行车舒适度。其缺点是边坡的高度不断增加，在边坡稳定性防治方面要加强防治力度；另外，路堤填土高度增加，土体的自重随之增加，加剧新旧路基的沉降差[10]。

图3为分离式拼接方式。这种扩宽方式有利于减小新旧路之间的相互影响，便于控制边坡稳定性。新旧路之间相互独立，不论施工还是养护方面均比较方便，但是这种扩宽方式占地面积比较大，对于一些建筑用地短缺地区并不适用。

上述三种旧路扩宽方案各有优缺点，具体采取哪种方案需在确保边坡稳定的前提下，基于沿线土石方平衡、保通要求、环保景观、施工难易程度、经济性等因素综合考虑。

上述三种旧路扩宽方式通常适用于普通路堤边坡，各有其优缺点，具体采取哪种方案需在确保边坡稳定的前提下，基于沿线土石方平衡、保通要求、环保景观、施工难易程度、经济性等因素综合考虑。但对于高度大于20 m的岩质边坡和高度大于18 m土质填方边坡，单纯采用单级边坡扩宽形式是很容易造成路堤边坡失稳的。因此针对路堤高边坡的高速公路的扩宽，我们采用分级扩宽，同时为保证高边坡的稳定性，我们应该首先对其进行边坡稳定性分析，根据分析数据来采取合理加固方案，保证填方路堤高边坡在施工和运营状态下的安全性能。

在某高速公路有一段路为在原旧路基础上改建而成，并且此处旧路为路堤高边坡，原路堤边坡坡度较小，且没有加固措施，现在为不占用周边更多用地，需要在原旧路基础上进行扩宽，首先对原有路基边坡开挖一部分，之后进行填土。由于开挖后

填土扩宽则使得新路堤边坡坡度加大，因此，为防止路堤高边坡失稳破坏，此处采取边坡分级填筑，并采用预应力锚杆和土工格栅同时加固。

其岩（土）体的物理力学参数根据室内外试验和已有资料确定如表1所示。 由于路堤边坡两侧为对称分布，因此为了简化计算和提高计算机计算速度，此处将路堤高边坡模型取其中一半为研究对象，对其进行受力和边坡稳定性分析。该计算模型断面边坡高度为25 m，分两级支护，该计算模型的下边界长度60.0 m，左边界为55 m，右边界30 m，上边界20 m，坡脚至右边界为15 m，模型平面图形如图4所示。模型的下边界固定，侧向约束水平位移，上部为自由边界，采用Mohr-Coulomb准则描述土体的应力应变关系，边坡稳定以模型计算收敛为依据，以自重作为初始应力。

将已建立的数值模型利用Midas-gts有限元来计算边坡稳定性安全系数，计算原路基边坡安全系数结果为1.40，开挖填新土未处理状态下其路基边坡稳定系数是1.14，小于边坡稳定性安全系数的临界值1.20，其剪切应变增量云图如图5、6所示，从图中可以判定边坡目前处于欠稳定状态，所以需对边坡采取防护措施。根据该高速当地实际工程经验，可以对该边坡采取放坡、锚杆支护、方形骨架防护、土工格栅等支护措施，经计算求得通过预应力锚杆和土工格栅共同支护最为安全，经过加固后的边坡稳定性安全系数为1.35。

计算结果表明，开挖并填土致使该边坡的稳定性安全系数下降了0.4左右。经反复试算可知，当对边坡设置竖向6排150kN的预应力锚杆进行加固后（纵向间距为4 m，长度8 m），不仅可以补偿开挖后堆填新土引起的稳定性损失，而且可以保证边坡稳定系数不低于开挖前的水平。设置预应力锚杆和土工格栅加固后的边坡稳定安全系数为1.35，其潜在失稳破坏模式如图7所示。

为进一步分析路基填筑及加固措施对边坡变形的影响规律，基于上述有限元计算模型及参数，本文对填筑引起的边坡变形进行了计算。填筑新路基土进行拓宽后和填

筑拓宽加预应力锚杆、土工格栅支护的边坡变形与应力云图分别如图8至11所示。 由图8可以看出，边坡开挖填筑后引起的最大变形位置位于新填土路堤附近，向坡体内部随着距离的增加逐渐减小。由图10可知采用预应力锚杆和土工格栅加固对路堤边坡的位移影响很小，这是因为原本土体的最大位移就很小，在加上预应力锚杆和土工格栅后对边坡位移有一定减小，但影响不大。

由图9和图11可以看出，开挖填筑和预应力锚固作用对坡体的应力分布也有一定影响。开挖填筑对边坡应力的影响范围主要在开挖旧路堤坡面附近[14]。比较图7和图9，可以发现锚杆和土工格栅加固对该边坡的等效应力增量的影响较小，这与边坡的开挖填筑引起的变形量很小有关。

本文以某条在建高速公路工程为例，采用有限元软件对加宽高速高填路基边坡稳定性进行数值模拟分析，提出了采用预应力锚杆和土工格栅的边坡加固措施。该措施可有效保证高填路基边坡的稳定，且施工方便，可最大限度地减少边坡占地，大幅度节省施工工期，可供同类工程借鉴。

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