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高速公路锚杆格梁边坡防护稳定性研究

2024-07-05 70 上传者：管理员

摘要：针对高速公路路基边坡加固措施的确定，文章以山东省某工程为研究案例，首先使用赤平投影法分析了边坡的稳定性，并通过数值模拟计算了边坡施作锚杆格梁后的边坡受力特征，通过动态监测得到了边坡沉降变形规律。研究结果表明：边坡两组软弱结构面的交点处于天然边坡与开挖边坡的投影弧之间，坡体下部存缓倾软弱面且在开挖边坡上出露，此时可能形成折线形滑动面；边坡每级台阶坡脚处出现明显的较大位移，最大位移达81 mm，局部较不稳定，极易出现坡脚破坏滑移失稳现象；施作锚杆后仅在各级边坡坡脚处出现小范围的较大变形，坡面处变形与边坡内部变形基本一致，边坡稳定性得到了较大提高，保证了高速公路边坡的稳定性，为类似工程提供了参考案例。

关键词：
公路边坡
数值模拟
沉降监测
边坡稳定性
锚杆格梁护坡
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在高速公路建设过程中，道路两侧边坡的稳定性对公路的安全运营尤为重要。锚杆格梁边坡防护作为一类常用的边坡防护技术措施，已广泛应用于高速公路各种边坡防护工程中。锚杆格梁边坡防护技术在理论研究、材料研究、结构优化、施工技术、监测与评估等方面均取得了显著进展，为工程建设提供了有力支持[1]。为了确保锚杆格梁边坡防护的安全性，通过安装位移、应力、渗流等监测设备，对边坡的变形、锚杆的受力、格梁的工作状态等进行实时监测，为工程安全提供保障[2,3]。同时，采用预应力锚杆技术提前对锚杆施加预应力，可以提高其抗滑能力[4]；通过采用空间格梁结构，可以提高边坡的整体稳定性[5]。该文以山东省某高速公路为研究案例，针对边坡稳定性及边坡加固技术措施的确定，使用赤平投影法分析了边坡的稳定性，通过数值模拟计算了边坡施作锚杆格梁后的边坡受力特征，并设计边坡监测方案得到了边坡沉降变形规律，保证了高速公路边坡的稳定性，为类似工程提供了参考案例。

1、工程概况

山东省某高速公路工程，路宽26.2 m，设计的最大行车速度为120 km/h，路基段边坡设计有锚杆格梁边坡防护，边坡护坡坡率为1∶1，采用12 m长φ32 mm的热轧螺纹钢筋作为锚杆杆体。每级护坡竖向高度8 m设计1处2 m宽的平台。护坡坡面采用钢筋混凝土格梁加固，格梁主体使用的C35混凝土现场浇筑而成，格梁采用φ22 mm钢筋作为主筋。

路基边坡所处地形表层为第四系残坡积层粉质黏土，主要呈现为黄褐色；边坡上部局部岩土体夹少量砾石，厚约0.2～2.1 m，硬塑；下伏基岩为钙质页岩，青灰色，砂质结构，中厚层状构造，层理较发育，近水平发育，岩体弱风化，节理裂隙较发育，局部较密集，主要有两组节理，间距0.2～0.8 m，节理面平直，泥质充填。

2、边坡稳定性赤平投影法分析

赤平投影法是一种有效的岩质边坡稳定性分析工具，其可以帮助工程师直观地理解边坡岩体的结构特征，从而更准确地评估边坡的稳定性[6]。分析过程主要包括以下步骤：

(1）确定结构面数据：需要对边坡岩体中的结构面进行详细的地质调查，记录各组结构面的走向、倾角等几何参数。

(2）制作赤平投影图：利用极射赤平投影方法，将结构面的几何参数投影到一个赤道平面上。这可以通过点投影的方式实现，即使用一个球体作为投影工具，通过球心做一个赤道平面（ESWN）作为投影平面。

(3）分析结构面组合关系：通过赤平投影图，可以直观地看出各组结构面之间的组合关系，以及它们与边坡的相对位置关系。

(4）确定不稳定块体：分析可能由结构面切割形成的不稳定块体，以及可能的变形失稳方向。

(5）稳定性评价：结合赤平投影图和岩体结构分析结果，对边坡岩体的稳定性进行评价。

现场勘查所得的边坡赤平投影图如图1所示，根据两组节理的组合结果可以得出以下结论：边坡主要有2组节理，第1组裂隙，产状为211°∠68°，张开度大于7 mm，裂面较为粗糙，局部泥质充填；第2组裂隙，产状为167°∠5°，张开度大于6 mm，裂面粗糙，局部泥质充填；岩层产状为150°∠11°，边坡坡向为254°∠38°。上述两组软弱结构面的交点处于天然边坡（坡顶面）与开挖边坡（边坡面）的投影弧之间，坡体下部存缓倾软弱面且在开挖边坡（边坡面）上出露，此时可能形成折线形滑动面，在暴雨等不利天气状态下容易对边坡的稳定性造成不利影响，需增加锚杆格梁边坡防护。结合实际边坡的坡率，将锚杆格梁护边坡防护坡率设计为1∶1，采用12 m长φ32 mm的热轧螺纹钢筋作为锚杆锚固杆体。每级护坡竖向高度8 m设计1处2 m宽的平台，整体坡面均采用钢筋混凝土格梁加固，格梁主体使用C35钢筋混凝土。

图1边坡赤平投影图

3、数值模拟计算

对于地质条件复杂的边坡，数值模拟可以考虑多种因素的综合作用，更准确地评估边坡施作锚杆格梁边坡的稳定性。该节使用有限元软件对施作锚杆格梁前后的边坡进行计算，对计算结果中的变形及剪应力结果进行分析。

边坡开挖后无锚杆支护位移云图如图2所示，根据计算结果可以得出以下规律：每级台阶坡脚处均会出现明显的较大位移，第二级台阶的整体位移较大，最大位移达81 mm，局部较不稳定，极易出现因坡脚破坏导致的滑移失稳现象。

边坡开挖后无锚杆支护剪应力云图如图3所示，根据计算结果显示：一级台阶坡脚处的剪应力最大，最大值为8.15 MPa；各级台阶坡脚均有明显的剪应力集中区，并向边坡内部有明显延伸，在不利外界条件下极易出现滑移现象。

边坡开挖后施作锚杆支护位移云图如图4所示，由计算结果可以看出：各级边坡的变形明显减小，仅在各级边坡坡脚处出现小范围的较大变形，坡面处变形与边坡内部变形基本一致，计算结果表明施作锚杆格梁后的边坡稳定性得到了较大提高。

边坡开挖后施作锚杆支护剪应力云图如图5所示，根据计算结果可以发现：除一级边坡外，其他台阶剪应力集中带均消失，边坡滑移失稳风险基本得到了有效控制，边坡的受力得到了较大程度的改善。

4、边坡沉降监测分析

边坡防护沉降观测是为了确保边坡稳定性和安全性而进行的一项重要监测活动。根据边坡的地质条件、结构特点和防护措施，在路堤两侧坡脚外0.5 m处及边坡台阶各设置一处沉降观测桩。观测相邻点高差中误差应不大于0.15 mm；前后视距应控制在20 m以内，前后视距差不应超过1.0 m，前后视距累积差应不大于3 m；每个监测断面的间距不得大于20 m。沉降监测桩应设置在边坡平台上。

待路基边坡沉降14 d趋于稳定后，对典型沉降变形图像进行绘图分析，典型图像如图6所示。根据沉降监测结果，可以发现以下规律：稳定后的沉降值随距离路基边缘呈现出先增加后减小的变化趋势；在路堤处附近的沉降值为35～47 mm，此处的沉降变形是由于路基填料受重力影响产生，小于设计要求值50 mm，能够满足使用要求；受边坡开挖出现新的临空面岩体内产生的应力重分布和坡面岩土体沉降影响，在距离路基边缘12 m处出现最大沉降值73 mm，距离路基边缘25 m以外的沉降变形小于30 mm。在施工过程中，应严格按照设计要求进行，确保边坡的开挖、填筑和压实等工序满足规定标准，避免因施工不当导致的边坡变形。

图2开挖后无锚杆支护位移云图

图3开挖后无锚杆支护剪应力云图

图4开挖后施作锚杆支护位移云图

图5开挖后施作锚杆支护剪应力云图

5、技术控制措施

路基边坡稳定施工控制措施具体如下：在施工过程中，应严格按照设计图纸和规范要求进行，确保边坡的角度、形状和尺寸符合设计要求；分层开挖与填筑，对于高填方或深挖方的边坡，应采用分层开挖和填筑的方法，控制每层的厚度，并确保每层都经过充分的压实，以防止因不均匀沉降而导致的边坡变形；在施工过程中，应确保边坡排水设施的有效性，包括临时排水沟、集水井等，以防止雨水对边坡的冲刷和浸泡。

6、结论

(1）根据边坡赤平投影结果，边坡两组软弱结构面的交点处于天然边坡与开挖边坡的投影弧之间，坡体下部存缓倾软弱面且在开挖边坡上出露，此时可能形成折线形滑动面，在暴雨等不利天气状态下容易对边坡的稳定性造成不利影响。

(2）边坡每级台阶坡脚处均会出现明显的较大位移，最大位移达81 mm，局部较不稳定，极易出现因坡脚破坏导致的滑移失稳现象。施作锚杆后仅在各级边坡坡脚处出现小范围的较大变形，坡面处变形与边坡内部变形基本一致，边坡稳定性得到了较大提高。

(3）对边坡进行沉降监测，受边坡开挖出现新的临空面岩体内产生的应力重分布和坡面岩土体沉降影响，在距离路边缘12 m处出现最大沉降值73 mm，距离路基边缘25 m以外的沉降变形小于30 mm，能够满足设计要求。

图6边坡沉降典型变形图

参考文献:

[1]左宁.高边坡路基防护工程锚索框格梁施工技术[J].中国公路, 2023(12):99-101.

[2]毕盼盼.锚固开槽台综合作业车在高边坡格梁施工中的应用[J].工程技术研究, 2023(7):88-90.

[3]张露,沈宝营.基于实际边坡工程的格构梁锚杆二次加固设计分析[J].重庆建筑, 2023(1):51-54.

[4]孙武,刘欣,钟顺元,等.台风地区锚杆格构梁挂网植草支护应用[J].路基工程, 2022(4):127-131.

[5]胡庆宝,陈颖辉,欧明喜,等.山区坡顶建筑荷载作用下顺层黏土边坡稳定性分析[J].工业安全与环保, 2022(2):37-41.

[6]令疆宇丹.钢纤维混凝土框格梁在库岸边坡防护工程中的应用[J].水利科技与经济, 2021(9):82-84.