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某高速公路高路堤边坡稳定性分析及设计优化研究 赵天彪 袁茂莲 四川建筑职业技术学院 核工业西南勘察设计研究院有限公司 摘 要：某高速公路跨越黄土地区，公路沿线共有28处高路堤边坡段，首先分析了公路沿线的地形地质条件，以K44+430～K44+510段为例，基于理正岩土软件利用简化Bishop法和有限元软件ABAQUS对路堤有限元模型的塑性应变、结点位移分析，得到两种计算方法的边坡安全系数分别为2.777和2.811。然后对其他所有高路堤段进行计算，计算结果显示：路堤边坡设计过于保守，有较大的优化空间。基于此，提出了优化方案并利用理正岩土软件和ABAQUS软件进行了边坡稳定计算，计算结果显示：优化后的路堤边坡安全系数均大于规范规定的1.25且有一定的安全储备，优化后可显著减少路堤填方、边坡支护面积和公路占地面积。最后，基于边坡安全系数提出了植物防护和工程防护相结合的边坡支护方案。 关键词：高速公路;高路堤边坡;边坡稳定; 基金：四川省教育厅项目“强降雨型滑坡水文地质条件分类”,项目编号17ZB0248; 1 工程概况我国西北的某高速公路是连接两省的交通干线，该公路整体上路线呈南北走向，全长约124 km, 设计速度为100 km/h, 路基宽度为25.5 m, 双向四车道。该项目K0+000～K57+400处于黄土高原北部前沿地带，此区域地形和地质情况较为复杂，见图1。因为长期受到流水的切割和侵蚀作用，地表起伏不平、沟壑交错，地面高程介于920～1 250 m, 其中分布有植物根系和虫孔，土体压缩性中等，土质均匀。地貌以低山丘陵为主，此区域分布有大量冲沟。该区域表层覆盖层主要为湿陷性黄土，深部岩性主要为泥岩、砂岩、灰岩和泥质砂岩。
图1 项目典型地形地貌 该项目沿线高路堤共有28处，见表1。最高填土高度为40.8 m, 位于K55+600～K55+710处。在进行填方边坡设计时，填方边坡高度不大于8 m时，边坡坡率采用1∶2;当填方边坡高度大于8 m时应分级填筑，每级坡高8 m, 设宽2.0 m的平台，平台上设有马道排水沟，坡度均为1∶2。 2 高路堤边坡稳定性分析表1高路堤段分布在8个标段，本文选取了6标段K44+430～K44+510段进行路堤边坡稳定性分析。6标段属于新晋堆积的黄土，其密实度很低，对工程建设影响较大，通过室内试验可知其最佳含水量11.9%、最大干密度1.63 g/cm3、烧失量3.99%、泊松比0.498,黏聚力11.2 kPa,压缩模量8.62 MPa。 2.1理正岩土分析选择的计算项目为等厚土层边坡稳定计算[1,2],搜索最危险滑裂面的方法为简化Bishop法[3],其属于圆弧滑动法[4]的一种。半径步长和圆心步长分别为0.5 m和1.0 m,土条宽度1.0 m。理正岩土计算结果见图2,滑动半径121.34 m,安全系数2.777,最不利滑动面圆心坐标为(8.091,117.291)。 表1 沿线高路堤分布 导出到EXCEL
图2 理正岩土软件计算结果 2.2ABAQUS分析(1)法国法索公司的ABAQUS软件，凭借其强大功能和良好的用户界面在岩土工程领域应用广泛[5,6,7],因为路堤为左右对称结构，在利用ABAQUS进行有限元建模的时候，选取一半即可，路堤边坡尺寸见图3(a)。路堤材料和地基的泊松比分别取0.3和0.25,路堤材料和地基的弹性模型分别取15.0 MPa和20.0 MPa, 该有限元模型为二维的可变性模型，网格划分选用CPE4[8,9],见图3(b)。边坡地面为竖向和水平约束，边坡左右为水平约束。
图3 有限元模型和网格划分 (2)本文判断边坡是否失稳的方式为数值计算的不收敛[10,11,12],基于ABAQUS软件可得无法收敛对应的折减系数为2.2781时，边坡安全系数为2.811。此时的塑性应变云图见图4(a)所示，由图可知边坡塑性应变区已经完全贯通，形成了非常明显的滑动断裂面。图4(b)为结点处的空间位移云图。 (3)基于理正岩土软件和ABAQUS软件计算得到的安全系数分别为2.777和2.811,非常接近。这相互印证了两种计算方法计算结果的合理性和准确性，两种计算方法均可以较准确地对边坡稳定性进行模拟，可以有效指导公路路堤边坡的设计和施工。
图4 塑性应变云图和节点处位移云图 《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)规定，在进行公路路堤边坡稳定性计算时，稳定性系数按照1.25进行控制。本文利用ABAQUS和理正岩土软件计算得到28处高边坡的安全系数见表2。 由表2可知，其他各处的理正岩土和ABAQUS软件计算得到的安全系数均差别较小。安全系数最小值为K23+000～K23+070段，理正岩土软件得到的安全系数为2.170,ABAQUS软件计算得到的安全系数为2.177,远大于1.25。安全系数最大值为K45+840～K45+940段，理正岩土软件得到的安全系数为2.845,ABAQUS软件计算得到的安全系数为2.873。因此可知其设计过于保守，会造成填方量及占地面积等指标增加，因此有必要进行设计优化工作。 3 高路堤边坡优化设计在进行高路堤边坡优化设计时，依然选取6标段K44+430～K44+510段作为典型断面进行分析。本文设定的优化后的路堤边坡设计为当边坡坡比大于8 m时，进行分级填筑，每级坡高8 m,设宽2.0 m的平台，第一级、第二级填方边坡坡比分别为1∶1.0和1∶1.2,第三级及以下填方坡比为1∶1.5。 (1)基于理正岩土软件进行分析计算是，搜索最危险滑裂面同样采用简化Bishop法，搜索的半径步长和圆心步长分别为0.5 m和1.0 m,土条宽度为1.0 m,计算结果见图5,滑动半径86.121 m,最不利滑动面圆心坐标(-2.987,86.032),边坡安全系数1.660。 表2 两种计算方法的安全系数
图5 优化后理正岩土计算结果 (2)基于有限元软件ABAQUS计算的有限元模型和网格划分见图6。
图6 优化后有限元模型和网格划分 基于ABAQUS软件可得无法收敛对应的折减系数为1.748 2时，边坡安全系数为1.652。此时的塑性应变云图见图7(a),由图可知边坡的塑性应变区已经完全贯通，形成了非常明显的滑动断裂面。图7(b)为结点处的空间位移云图。
图7 优化后塑性应变云图和节点处位移云图 两种计算结果得到的安全系数分别为1.660和1.652,两者差距较小且均大于规范中规定的1.25,并有一定的安全储备，因此优化后的高路堤边坡可满足安全要求。 (3)选取路堤一半，优化前后的边坡对比见图8,优化后该路堤边坡断面一侧面积减少590.146 m2,一侧边坡宽度减少27.45 m, 此段减少的填土方量94 423.36 m3,减少用地面积4 392 m2,减少边坡防护面积3 768 m2。
图8 优化前后路堤断面对比 (4)通过对其他标段的边坡进行优化，在保证稳定性的基础上，可以获得以下效益：①节约土石方量约200万m3,大大减少了公路的借方量，预计减少4～5个取土场；②减少坡面防护面积11万m2,可显著降低工程造价，缩短工期；③由于边坡坡率变陡，更加有利于边坡排水，减少了水对边坡的冲刷作用；④公路用地减少12.3万m2,不仅可以降低工程造价、减少公路建设对原有环境的破坏，而且可以大大减少征地拆迁协调工作，减少用地审批流程等。综上可知，优化后的高路堤边坡可以显著降低工程造价，加快工程进度。 4 防护措施设计路基边坡防护的本质为利用最为经济方便的方案保证边坡的稳定性[13,14,15]13-15]。边坡支护的设计原则主要有耐久性、适用性和安全性3个方面。(1)耐久性：边坡及其对应的边坡防护措施在必要的维护情况下，在公路运营一段时间后仍能较好地发挥路基边坡稳定的作用。(2)适用性：考虑经济型和安全性，针对不同的边坡类型使用不同的边坡支护形式。(3)安全性：边坡及其对应的边坡防护措施可以承受公路在运营期间各类型荷载。 基于高路堤边坡的安全系数，结合路基的填料及沿线地质情况，本文采用植物防护和工程防护相结合的综合防护措施。具体的边坡支护形式为浆砌石拱形骨架支护，拱形骨架内植物防护选用叶茂茎矮、根系发达的耐旱草种。为了减少降水对高路堤边坡的稳定性影响，在每级填方边坡的马道上设置M10浆砌片马道排水沟，并与急流槽相连将路堤坡面汇水排出。 5结语本文介绍了某高速公路的工程概况和地形地质等条件，统计分析了全线28段高路堤边坡路段，选取K44+430～K44+510段作为典型路段，基于理正岩土软件利用简化Bishop法进行高路堤边坡稳定计算、利用有限元软件ABAQUS建立高路堤有限元模型对塑性应变和结点位移进行分析，获得上述两种算法的边坡安全系数分别为2.777和2.811,远大于规范中规定的1.25。对沿线其他27段高路堤边坡进行了系数计算，发现设计过于保守，有较大的设计优化空间。本文调整了路堤填方坡比，并分别利用理正岩土软件和ABAQUS软件进行了边坡稳定计算，计算结果显示优化后的路堤边坡安全系数大于1.25且有一定的安全储备，优化后可以显著减少路堤填方、路堤支护面积和公路占地面积，更有利于路基排水。最后，结合地形地质情况，基于边坡安全系数提出了“浆砌石拱形骨架防护+植草防护”的边坡支护措施。 参考文献[1] 陈昌富，李瑞芳.基于Spencer法边坡地震永久位移计算斜条分法[J].公路工程，2017,42(3):1-5. [2] 陈浩，董城，岳志平，王亮.坡面荷载作用下边坡稳定性及滑动趋势研究[J].公路工程，2016,41(2):44-46. [3] 李芬，成涛.基于双折减系数法的岩质边坡平面滑动分析[J].公路工程，2018,43(5):294-299. [4] 赵德新.山区高速公路的路堤填料蠕变性质以及施工技术研究[J].公路工程，2017,42(4):355-358. [5] 苟强，王乾，王晓强，杨国帆.基于ABAQUS板底脱空处治前后水泥板力学行为分析[J].公路工程，2018,43(4):73-76. [6] 张亮，时伟，周国帅，周扬，李国玉.公路路堤边坡条带式加筋土挡墙模型试验及优化设计研究[J].青岛理工大学学报，2018,39(4):19-25. [7] 程培峰，林宏.基于Abaqus的旧水泥混凝土路面加铺沥青层结构的力学研究[J].公路工程，2017,42(1):9-12. [8] 何国辉，黄强兵，王涛，刘妮娜.高铁路基正交跨越地裂缝带动力响应数值分析[J].工程地质学报，2020,28(1):149-157. [9] 孔祥勋，田爽，唐亮，凌贤长，李善珍，王聪.重载铁路高路堤沉降预测及影响因素分析[J].北京交通大学学报，2019,43(3):26-34. [10] 张常光，张成林，晏青.非饱和地基路堤临界填筑高度及参数分析[J].华中科技大学学报：自然科学版，2016,44(5):87-92. [11] 刘燕燕，李修磊，冯明珠.土质边坡失稳破坏的双安全系数稳定性分析方法[J].公路工程，2019,44(4):118-123. [12] 蒋水华，刘贤，黄发明，黄劲松.考虑多参数空间变异性的降雨入渗边坡失稳机理及可靠度分析[J].岩土工程学报，2021,(12):1-9. [13] 李世文.高速公路路堑高边坡稳定性分析及支护措施研究[J].公路工程，2018,43(5):163-168. [14] 张艳奇，杨建桥，彭明兴，等.高速公路岩土边坡支护结构力学特征性分析[J].公路工程，2019,44(1):111-114,139. [15] 杨和平，王静，湛文涛，李艳艳.南宁外环膨胀土路基处治技术及设计方案研究[J].岩土力学，2011,32(S2):359-365.
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