張獻(xiàn)軍

（四川達(dá)陜高速公路有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

0 引言

據(jù)交通運(yùn)輸部于2023 年6 月發(fā)布的《2022 年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，截至2022 年底，全國公路總里程達(dá)535.48 萬km[1]。如何對如此龐大的公路基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行安全運(yùn)維和智慧管養(yǎng)成為相關(guān)從業(yè)人員亟需思考的現(xiàn)實(shí)問題。受不良地質(zhì)、自然沉降、極端氣候條件等外界因影響，長期通車在營的公路將會面各種路基災(zāi)害的威脅，其中路基邊坡失穩(wěn)作為一種嚴(yán)重威脅行車安全，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)重大安全事故的災(zāi)害形式，一直深受從業(yè)、研究人員的重視[2]?；诖?，有必要結(jié)合實(shí)際工程情況對公路路基邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，進(jìn)而以分析結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)因地制宜地提出針對性的防治措施。

1 工程案例概述

本文以達(dá)萬高速公路為研究案例進(jìn)行研究，該高速公路地處山區(qū)丘陵地帶，沿線溝壑縱橫以致形成諸多高填方及深挖路塹地段，因而高邊坡穩(wěn)定性成為該高速公路所必須考慮的關(guān)鍵問題。由于邊坡成形涉及巖體、土體內(nèi)部應(yīng)力的重新分布過程，在路基建成、服役期間，邊坡結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)依然處于動態(tài)變化過程，此時(shí)若未采取合適的防治措施，將可能導(dǎo)致公路路基邊坡產(chǎn)生包括滑動、側(cè)向擴(kuò)離、崩塌以及流動等形式的失穩(wěn)破壞，進(jìn)而對路面行車的安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

2 公路路基邊坡的失穩(wěn)分析

2.1 失穩(wěn)分析模型介紹

本文依托達(dá)萬高速實(shí)現(xiàn)基于傳遞系數(shù)法的路基邊坡穩(wěn)定性分析。利用該方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先需要結(jié)合實(shí)際情況以初步確定一個(gè)滑坡安全系數(shù)，然后對邊坡土體進(jìn)行土工試驗(yàn)以獲取土體的粘聚力c 和內(nèi)摩擦角?。根據(jù)以上信息對安全系數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算即可獲得穩(wěn)定系數(shù)Fs。進(jìn)而將計(jì)算結(jié)果與極限平衡條件實(shí)施對比，若滿足極限平衡條件，則認(rèn)為以上計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況，否則還需要進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算獲得新的結(jié)果，繼續(xù)比較，如此循環(huán)迭代直至最終結(jié)果滿足極限平衡條件為止[3]。

公路路基邊坡土體的下滑力計(jì)算模型如下：

式中：Ti——第i 條滑塊剩余的下滑力大?。籘i-1——第i-1 條滑塊剩余的下滑力大??；αi——第i 條滑塊滑移面的傾角；αi-1——第i-1 條滑塊滑移面的傾角；Fs——邊坡土體的穩(wěn)定安全系數(shù)；wi——第i 條滑塊本身的重量；ji——第i 條滑塊的內(nèi)摩擦角；li——第i 條滑塊的滑移面長度；ci——第i 條滑塊的粘聚力；yi——第i 條滑塊的傳遞系數(shù)。

公路路基邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算如式（2）至式（7）所示。

式中：Ri——第i 條滑塊的抗滑力；Ti——第i 條滑塊的下滑力；Ni——第i 條滑塊的滑移面上的反作用力；其他參數(shù)的物理意義與上文所述相同。

2.2 基于傳遞系數(shù)法的邊坡穩(wěn)定性分析

考慮到達(dá)萬高速公路所在地區(qū)可能會發(fā)生暴雨天氣，而正常氣候與暴雨氣候條件下邊坡的穩(wěn)定性會存在明顯差異，因此，本文考慮了正常工況和暴雨工況兩種情況下公路路基邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。所選取了兩個(gè)典型的路基邊坡分別用邊坡Ⅰ和邊坡Ⅱ表示，并將邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)初始值設(shè)置為1，即可根據(jù)上文所述的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行迭代計(jì)算。

利用土工試驗(yàn)方法對兩個(gè)典型邊坡的相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行測驗(yàn)，測得邊坡Ⅰ在正常氣候條件下的自身重度為18kN/m3，粘聚力和內(nèi)摩擦角則分別為14.7kPa 和5°，如若為暴雨氣候條件，其重度為19.1kN/m3，而粘聚力和內(nèi)摩擦角則依次為13kPa 和4.1°。邊坡Ⅱ在自然氣候條件下的自身重量、粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為18kN/m3、14.6kPa 和5.2°，暴雨氣候條件下的以上3 個(gè)數(shù)值則分別為19.1kN/m3、12.9kPa、4.2°。

以上述參數(shù)結(jié)合前文所述方法可以分別計(jì)算得到邊坡Ⅰ在天然工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.2，穩(wěn)定性系數(shù)Fs為1.19，在暴雨工況條件下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.1，穩(wěn)定性系數(shù)Fs為0.98。對于邊坡Ⅱ，天然工況條件下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)和穩(wěn)定性系數(shù)Fs分別為1.2 和1.21，暴雨工況條件下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)和穩(wěn)定性系數(shù)Fs分別為1.1 和0.99。

2.3 計(jì)算結(jié)果討論

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）中已經(jīng)對公路路基邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)作出了明確規(guī)定，如果計(jì)算發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定系數(shù)低于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，則表明邊坡穩(wěn)定性不夠，不滿足實(shí)際使用要求，此時(shí)必須采取措施對邊坡進(jìn)行治理以提升及穩(wěn)定性[4]。本文研究的高速公路其安全等級為二級，根據(jù)傳遞系數(shù)法計(jì)算得到的穩(wěn)定性系數(shù)不得低于1.2。將兩個(gè)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)在正常工況下，邊坡Ⅰ的穩(wěn)定性系數(shù)比安全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)稍低，邊坡Ⅱ的穩(wěn)定性系數(shù)比安全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)稍高，基本能夠滿足要求。但是在暴雨的情況下，兩個(gè)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.98 和0.99，低于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，因而需要采取措施對公路路基邊坡進(jìn)行治理，進(jìn)一步提升其穩(wěn)定性，以保證路面行車安全。

3 公路路基邊坡失穩(wěn)防治對策

3.1 邊坡失穩(wěn)防治方案設(shè)計(jì)

為了提出更加科學(xué)合理的防治方案，本文擬從提升邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、降低邊坡失穩(wěn)概率的角度出發(fā)，提出了三種邊坡失穩(wěn)防治方案。

圖1 為3 種邊坡失穩(wěn)防治方案的原理。從圖1 中可以看出，方案A 從3 個(gè)方面進(jìn)行防治，首先是刷方減重，然后是設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁，最后在坡面設(shè)置錨索框架梁支護(hù)。方案B 利用刷方減重、坡面錨索框架梁支護(hù)、擋土墻等措施進(jìn)行失穩(wěn)防治，該方案在兩個(gè)位置設(shè)置了擋土墻，分別為坡頂和坡腳。方案C 與方案B 基本相同，相較于方案B，方案C 選擇只在坡腳的位置設(shè)置擋土墻，取消了坡頂位置的擋土墻。

圖1 邊坡失穩(wěn)的防治方案

3.2 防治效果

為了對提出的3 種邊坡失穩(wěn)防治方案的效果進(jìn)行對比，同時(shí)降低試驗(yàn)成本，利用軟件程序?qū)ι鲜? 種防治方案進(jìn)行模擬分析，獲得了相對應(yīng)的結(jié)果。由于公路路基邊坡只是在暴雨工況條件下的穩(wěn)定性系數(shù)相對較低，有發(fā)生邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，所以進(jìn)行模擬分析時(shí)只是模擬了暴雨的工況條件，且主要以邊坡Ⅱ?yàn)槔M(jìn)行分析[5]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在外部環(huán)境參數(shù)完全相同的情況下，方案A、方案B 和方案C 獲得的穩(wěn)定性系數(shù)大小分別為1.25、1.28 和1.15。通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)前面兩個(gè)方案的穩(wěn)定性系數(shù)能夠達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，第三種方案的穩(wěn)定性系數(shù)沒有達(dá)到規(guī)范要求，因此，不能實(shí)施第三種方案，需要進(jìn)一步從經(jīng)濟(jì)性層面對前兩種方案進(jìn)行對比，以確定最優(yōu)的方案。

3.3 經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益

分別對方案A 和方案B 的處置成本進(jìn)行預(yù)算。如果利用方案A 對所述公路路基邊坡進(jìn)行治理，涉及的工程項(xiàng)目主要包括挖方、抗滑樁樁身、預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁、混凝土框架梁、坡面預(yù)應(yīng)力錨索，以上工程項(xiàng)目需要花費(fèi)的總費(fèi)用分別為180.6 萬元、1435.5 萬元、207.4 萬元、935.2 萬元、266.8 萬元，合計(jì)費(fèi)用大約為3025.5 萬元。如果利用方案B 對所述公路路基邊坡進(jìn)行治理，涉及的工程項(xiàng)目主要包括挖方、擋土墻、混凝土框架梁、坡面預(yù)應(yīng)力錨索，以上工程項(xiàng)目需要花費(fèi)的總費(fèi)用分別為223.7 萬元、2347.9 萬元、1774.9 萬元、1309.2 萬元，合計(jì)費(fèi)用大約為5655.7 萬元。

通過以上對比可以發(fā)現(xiàn)，方案A 與方案B 相比較而言，對應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)雖然較低，但是其處置成本要低好多。另外，方案B 施工過程中需要使用大量的施工材料，現(xiàn)場施工時(shí)存在很大難度，施工期間存在很大風(fēng)險(xiǎn)，且施工周期較長。綜上所述，方案A 和方案B 各有優(yōu)劣勢，綜合考慮施工成本、施工難度和施工周期等多方面的因素，最終選用方案A 對公路路基邊坡進(jìn)行防治。

4 邊坡現(xiàn)場處治效果

利用方案A 對公路的路基邊坡進(jìn)行治理，現(xiàn)場結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)了更加詳細(xì)的方案。完成施工方案以后對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，分別監(jiān)測了下部滑體以及樁頂水平位移的演變情況。對下部滑體連續(xù)開展70d的監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在第60d 左右時(shí)，下部滑體基本不再出現(xiàn)明顯變化，說明已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。對樁頂位移開展連續(xù)90d 的監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)同樣在60d 左右時(shí)抗滑樁變形基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，不再出現(xiàn)明顯的變化情況[6]。對坡面的預(yù)應(yīng)力錨索連續(xù)開展150d 的監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在第120d 左右時(shí)錨索拉力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，不再出現(xiàn)明顯的變化。工程實(shí)踐數(shù)據(jù)表明，利用方案A 可以達(dá)到很好的效果，目前公路路基邊坡的穩(wěn)定性顯著提升，截至目前沒有再出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象。

5 結(jié)語

受到地形地貌的限制，公路建設(shè)過程不可避免會形成路基邊坡。由于邊坡形成時(shí)會打破原有的受力平衡，且長期服役公路的邊坡穩(wěn)定性會受到諸多不利因素影響，從而造成邊坡失穩(wěn)以至威脅行車安全。因而有必要對公路路基邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量計(jì)算分析，以及時(shí)掌握路基邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)。

本文以達(dá)萬高速公路為研究案例，采用基于傳遞系數(shù)法的分析方法對兩個(gè)典型邊坡在自然和暴雨條件下的兩種工況進(jìn)行了定量的邊坡穩(wěn)定性分析，最終確定通過刷方減重、預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁、坡面錨索框架梁支護(hù)的綜合防治措施進(jìn)行邊坡治理，治理效果顯著，可供相關(guān)研究借鑒。