GEO5某路堑边坡稳定性分析和支护结构设计

1 项目背景

        本项目地处海南省中部山区，是进一步巩固新时代脱贫攻坚、全面建成小康社会成果的生态+景观路规范，旅游+交通路，幸福+致富路，采用双向四车道高速公路标准，设计速度80公里/小时，路基宽度25.5米，设计荷载为公路-I级。

        本项目此段深挖方高边坡位于K14+500-K14+600右侧，最高高度为28.13m，地层岩性自上而下为粉质粘土、强风化砂岩碎石及全-中风化砂岩，下部一级边坡中风化砂岩整体性较好，中部二级边坡岩层较为破碎，刷坡后外露表面为全风化泥质砂岩，手掰即碎，产状倾角接近水平，处于8°～11°之间，为顺倾，表层以下约1m左右为强风化砂岩，无明显层理，上部为粉质粘土及全风化砂岩，高边坡坡形为一级边坡坡率为1:1.0，二级及以上边坡坡率为1:1.25，分级坡高为8m，平台宽2m。目前边坡开挖至二级边坡坡脚处，三级边坡已施作人字形骨架，经过约5-6天的连续暴雨期，此段高边坡二级边坡发生了开裂变形，裂缝宽约1.0～1.5m，从二级边坡坡顶（三级边坡坡脚）开裂，坡顶及二级坡坡体两侧出现了典型的拉张裂缝和剪切裂缝，前缘有较为明显的挤压变形，并因变形受阻形成了顺滑动方向的扇形压张裂缝，大致平行与变形方向，两侧呈放射状分布，在持续暴雨作用下有发生进一步滑动破坏的可能。

高边坡现状情况

2 高边坡变形原因定性分析

       目前此高边坡的二级边坡拉张裂缝及剪切裂缝已形成，并在前缘发现了扇形压张裂缝，剪切裂缝未完全贯通，根据现状估计，再经过1-2场同等强度的持续降雨可发生滑动破坏，综合分析，边坡变形受多方面因素影响。

（1）降雨

       高边坡发生变形最主要的外界影响因素是降雨，该地区降雨强度高且降雨次数及持续时间长，根据降雨相关资料收集，平均降雨天数在20天以上，降雨对边坡主要存在以下影响：

       （a）软化效应：由于降雨的渗入作用，破碎的边坡岩土体将会被软化。软化作用主要包括对结构面的润滑和对滑带土的软化。地下水和滑带土作用后，能改变滑带土的物理性质，如增加含水率和孔隙比。除此之外，还会发生滑带土溶解作用、水化作用、氧化还原作用、沉淀作用和离子交换等作用。本高边坡滑带土中含有大量粘土矿物，离子交换作用能改变这些矿物的含量。溶解作用能使滑带土内产生溶蚀裂隙、空隙及孔洞等现象。

       （b）力学作用：水流在边坡体上流动时，会对边坡表面产生冲刷力，降雨会通过滑坡体已有的入渗通道（张拉裂缝、空洞等）下渗至滑体内部，使得滑带土和部分土体处于饱和状态，岩土体抗剪强度降低，由于岩层破碎节理裂隙发育，强降雨作用后逐渐形成贯通的裂隙带，沿裂隙带发生变形破坏。

（2）排水不及时

       虽施工刷坡防护较为及时，但由于降雨期持续时间长，降雨强度大导致坡脚仍有大量积水未及时排出，加之二级边坡坡顶平台正在施工平台排水沟中还未贯通，导致上部坡面汇水直接进入岩层节理裂隙，这也是导致高边坡产生急剧变形的原因。

（3）岩土体性质

       坡面岩土体本身较为破碎，节理裂隙多，松散的岩土体结构为后期降雨进入地下提供了有利的入渗通道，岩土体在地下水作用下进一步崩解、软化和泥化，从而形成潜在滑面。

边坡后缘出现的拉张裂缝

3 边坡支护设计及稳定性计算

3.1支护方案设计

        经方案比选后，选择如下设计方案。首先清除变形区域的坡体，保证高边坡段不存在不稳定岩土体，然后可根据高边坡各级坡的岩土体性质对其采用合适的坡率+锚杆（索）支护的方案，坡率由稳定性计算确定，一级边坡维持原设计1:1坡率，对坡顶开挖宽平台后做10cm混凝土硬化，搭配平台排水沟，对一级坡采用厚层基材喷射植被防护，由于平台宽9.0m且平台硬化，上部边坡与一级边坡互不影响，暴雨期雨水无法进入边坡后缘，稳定性高，方案优势明显，清坡后二级坡与三级坡坡率为1:1，并施打预应力锚杆框架梁，起到固脚强腰作用（根据稳定性分析结果视潜在滑动面深度及岩土层情况也可选择锚杆框架梁），由于岩质边坡较为破碎，采用压力分散型锚杆，不仅工作时锚固段灌浆体剪应力较均匀，可有效抑制锚杆的蠕变,而且锚杆全长采用无粘结钢绞线,锚杆工作时灌浆体处于受压状态,因而具有良好的防腐性能，是目前在软弱破碎岩体和土体锚固工程中大力推广使用的锚杆。

3.2边坡稳定性分析流程

（1）分析工况

       边坡稳定性分析工况根据项目特点及边坡基本特征，共分为2组计算工况。天然工况下的稳定性，考虑天然自重+地下水位的组合，无地下水时考虑天然自重情况下的稳定性。暴雨工况下的稳定性及地震工况下的稳定性，根据路基规范3.6.11条条文说明要求作为校核工况，对暴雨工况下边坡采用地勘报告提供的饱和抗剪强度进行计算。其中路基安全系数取值遵循以下原则：

       ①与结构重要性及破坏后修复的难易程度相适应，主要考虑与公路等级相联系；

       ②与采用的稳定性分析方法相匹配；

       ③以正常工况控制设计，以非正常工况进行校核设计。

（2）边坡安全系数判别标准

       对边坡的稳定性分析评价，边坡的稳定性安全系数值参考《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）、《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）等规范的要求，结合边坡稳定性分析既有经验综合确定。具体确定过程如下：

       ①稳定分析的工况、内容

       本次边坡稳定性计算考虑以下两种工况：

       A.正常工况：边坡处于天然状态下的工况。

       B.非正常工况Ⅰ：边坡处于暴雨或连续降雨下的工况。

       ②根据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015），综合考虑且根据现场的宏观判断，路堑挖方边坡按照正常工况下稳定安全系数大于1.30、非正常工况Ⅰ稳定安全系数大于1.15进行控制。

（3）岩土物理力学参数选取

3.3边坡稳定性计算

（1）清方后稳定性计算

       根据计算结果，最不利滑动面为二、三、四级边坡一同整体滑动，稳定系数为0.76，剩余下滑力为625.51kN/m，剩余下滑力倾角为10.11°，二级边坡单级区域稳定系数为0.89，剩余下滑力89.66KN/m，剩余下滑力倾角为8.19°，三级边坡单级区域稳定系数为0.89，剩余下滑力88.90KN/m，剩余下滑力倾角为8.63°，二、三级边坡区域整体稳定系数为0.76，剩余下滑力361.86kN/m，剩余下滑力倾角为11.25°，由于岩体遇水后强度降低很多，暴雨工况下最不利稳定系数更小，因此应对二级、三级边坡均进行预应力锚杆框架梁防护，采用有限元进行校核天然工况，计算结果为稳定系数Fs=0.79，相较极限平衡法稍大，基本一致，满足要求。

GEO5和Optum G2对清方后的边坡稳定性计算结果

（2）支护后稳定性计算

       根据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）及稳定性试算综合确定预应力锚杆设计锚固力不小于500kN/m，结合潜在滑动面深度和抗拉抗拔计算，二、三级坡预应力锚杆自由段长度取13m，锚固段长度取6m。

       经计算，加固后高边坡正常工况下稳定系数为1.37＞1.30，暴雨工况下稳定系数为1.22＞1.15，满足设计要求。

加固后天然工况计算结果

加固后暴雨工况计算结果

4总结

        本项目是路堑边坡开挖过程中因变形而进行的高边坡治理设计。一级坡维持原设计1:1坡率，对坡顶开挖宽平台后做10cm混凝土硬化，搭配平台排水沟，对一级坡采用厚层基材喷射植被防护，由于平台宽9.0m且平台硬化，上部边坡与一级边坡互不影响，暴雨期雨水无法进入边坡后缘，稳定性高，方案优势明显，清坡后二级坡与三级坡坡率为1:1，并施打预应力锚杆框架梁，起到固脚强腰作用，由于岩质边坡较为破碎，采用压力分散型锚杆。顶部粉质粘土层设计坡率为1:1.25，采用人字形骨架植草防护。

       经反分析计算，得到变形体在天然工况及连续暴雨工况下的物理力学参数，支护加固前天然工况下稳定系数为0.76，设置预应力锚杆框架梁后天然工况下稳定系数为1.37＞1.30，暴雨工况下稳定系数为1.22＞1.15，满足设计要求。