乡村旅游公路路堑高边坡优化设计分析

某旅游公路路堑离边坡

优化设计分析

摘要：以禁屐游公路沙道咸池至汪家家段新建工程为依托，在充分考

虑水文气象及工程地质条件的基础上，使用有F艮元软件PLAXIS2D对高边

放在开挖过程中的稔定性进行分析。并以某一典型深挖路堑为例，分析其

在开挖过程中位移、剪应变增量及安全条数的变化情况，而后对边坡的初

步设计方案遂行优化，得到安全性较高且经济适宜的设计形式，可为相关

工程提供一定的指导与借鉴。

关绽词：路堑高边坡;稔定性分析；数值模拟；防护设计；

0、Sit

近年来，由于我国公路建设持续迅猛发展，其发展脚步已逐渐

向，区延伸。但1区地形地貌通常较为龛杂，不可避免存在离边坡，

尤其是高边坡的稔定性会对公路的地工及运巷产生重大影响，易产

生滑坡等灾害，从而使得工期延误，建设成本增大，给人们造成的

严重扳失［1,2］。由于滑坡的发生对人类的生命安全及经济造成了极

大的威胁，对于高边坡破坏机理及问题处治愈来愈被重视。因此，

为了保证高边坡的安全并尽可能的减少施工成本的浪费，对高边坡

遂行稳定性研究及优化设计具有非靠重要的工程意义［3,4］。

1、工程基本概况

某旅游公路沙道成池至汪家家段新建工程起于宣思县沙道成

池,全长4.28km,其中主线路2.95km,245省道改线1.14km,停车场支

线0.19km。在注意公路建设与沿线自然景观相协调的原则下，为防

止路基病害的发生及保障路基边坡的稳定性，通过对边坡的小丈地

质情况和填挖高度遂行调杳，在施工设计中采取有效的边城防护形

式及必要的支措结构。

就地质状况而言，本项目沿线路段她形地貌较复杂，河流、沟

谷发育，沟塾纵横，L区地形切割剧烈，地势总体囚周嵩中间低，

该路段属于利川向斜沉积岩分布区，诲拔嵩程为1065〜1350m,属构

受剥蚀溶蚀低中山区。路段内山体较平缓，地形起伏相对较大，坡

度多为2()〜45c，相对高差为100〜150m,山顶多呈脊状，沟谷切割

较深，谷底较宽缓，多为“U”形谷。路段内植波发育，森林面积

大，覆盖率约60%〜70%。

对深挖路登段断面K2+281.01此行地质分析，其属于构造剥蚀

低中山区，中风化岩层，钻扎揭覆地层组成为。

⑴、表层：

主要是被冲枳碎石扮质黏土所覆盖，呈褐贵色或盘色，稍湿，

局部为块石，碎石成分主要是灰岩，层厚().5〜1.3m。

(2)、中分化岩层：

呈青灰色，微晶结构中厚层状构造，岩溶较发育，岩体表面局

部见蜂肉状溶蚀孔洞，岩桧较完整，承莪力约为1500kPa。

2、击边坡稳定性分析

2.1、模型的建立

首先依据开挖新面K2+281.01处卖地勘测收集的原山坡坡率、

痰高等数据，在CAD中建立12m(平面高度)+43m(坡高)，宽70m,边

坡角为410的平面模型。

参考现场地质条件及初步设计方案，将高边城导入到有限元软

件PLAXIS2D中选行网格划分，共生成530个单元，4555个节点。

同时，在采用该软件选行数值仿真分析时，为方便计算，采用了考

虑到强风化页岩和中风化页岩的材料特性，故岩土体选用

Mohr-Coulomb本构模型、仅考虑自重作用、固定模型底部及两侧边

界的合理假设。

22参教的选取

左迷行横型材料参数的选整时，综合考虑了《公路路基设计规

范》(JTGD30—2015)[5]、现场工程地质勘探报告以及设计资料，岩

土体材料参数如表1所示。

表1新面K2+281.01宗土体参数表

材料重度丫弹性模量油松粘聚力c内摩擦用

名称/(kg­m-3)E/MPa比V/kPa4>/(°)

中风化页岩22.310000.2560035

强风化页岩22400.332530

2.3.边坎天然状忐下的稳定性

原，坡主要受岩土体自重和构造应力场的影响。其中，在岩土

体的自重作用下，坡体内部第一点的应力值与该点上部分土体的重

量具有----对应的关系，且通帝情况下，构造应力是不变的，对边

坡开挖稳定性的影响较小。因此，伍考虑了岩土体自重对边坡开挖

卸荷的影响。但对原山坡进行开挖前',首先通过结合现场调查的土

体数据资料，对山坡整体进行了地应力平衡验算，并利用剪应变增

量云图，观察到原，坡的潜在滑移面，而后采用有限元软件中的强

度折减法计算边坡安全系数Fs[6]o

由新面K2+281.01高边坡的剪应变增量云图可知，边坡在岩土

体自重的作用下会发生一定的变形，且坡体的潜在滑移面主要集中

在强风化页岩与中风化页岩的交界处。通过由强度折减法计算得到

该边坡此时的安全条数Fs为1.118o根据《公路路基设计规范》

(JTGD30—2015)中关于边坡稔定安全条数的规定，此时边坡的稳定

性较差，需采取人工放坡的方式，使其安全稳定性能得以提高。

2.4、边坡开挖后的稳定性分析

嵩边坡在开挖施工及今后长期使用过程中，坡体内部形成的潜

在滑移面实际上是由于边坡侧向土体内副应力重分布所引起的。为

保证高边坡在开挖施工及之后长期使用期间能处于安全稔定状志，

应对其遂行人工放坡。

针对新而K2+281.01禹边城的灰冶，根据现场工程地质助索去

料，初步设计方案为：每8m选行一次放坡，共分四级开挖，收率

分别为1：0.75、1：0.75、1：1,1：1,旦每两个单级边坡之间设置

一个2m宽的平台。本节主要采用有限元软件PLAXIS2D分折每一

级边坡开挖完成后仓移、应力分布及安全条数的变化情况，分析其

安全稔定性，并输出每级边坡开挖后的剪应变增量云图，观察各级

边坡开挖后的潜在滑移面。

(1)、边坡开挖后婪向位移分析

每级边坡在开挖完成后均会发生一定的竖向住移，其中，一级

边坡在开挖完成后，坡体的象向住移量为2.4cm,田级边坡开挖完成

后，坡体的整体竖向住移量为5.2cm。究其原因，说明开挖卸荷对

嵩边坡的影响较火，开挖过程中，岩土体发生了扰动松弛现象，局

部岩体易出现脱落破坏，在一定程度上会对破而的安全稔定性造成

危害，但四级边坡开挖后，边坡逐渐趋于稔定。

(2)、边坡开挖后剪应变增量云图分析

给出了断面K2+281.01一级、二级、三级和四级边坡开挖后的

剪应变增量云图。

各级开挖剪应变增量云图可知，对比山坡剪应变增量云图发现,

一级边坡开挖后，打破了原J坡的应力平衡状态，受坡体卸苻的影

响，边坡内部的潜在滑移面明显缩短，且剪应力增量分布区域显著

缩小；二级、三级开挖后，边坡内部潜在滑移面的范囹均会减小，

但剪应变增量最大值的分布区域并不相同；四级开挖后，坡面及坡

角处出现了剪应变增量集中的现象，坡体内部的潜在滑移面范围明

显变大，说明坡体的稳定性更差，发生济移的可能性越大。

(3)、边坡开挖后稳定安全泰敦分析

需要说明的是，本文在采用有F艮元软件PLAXIS2D计算边坡安

全系数Fs时，实际上就是计算当边城达到临界极限平衡状杰时岩土

体抗剪强度参数的冰减宗数Fs,此时的折减宗数即认为是边坡安全

东数，强度参数可表示为

cf=c/Fs(1)

$f=arctan(tan/Fs)(2)

式中：c为原始状忐下岩土体粘聚力，kPa;。为原始状忐下岩土

体内摩擦角，°;cf为折减后岩土体拈聚力，kPa;({)f为折减后岩土

体内摩擦角，°;Fs为剪切强度折减宗教,

按上述步骤的计算，求得原坡体在开挖前的安全稔定系数为

1.118o

可以看出，开挖第一级和第二级边坡后，坡体的稔定安全宗教

要略高于原山坡，究其原因，可能是因为开挖边坡对原1坡起到了

削坡减我的作用，故安全系数会提高到1.260左右；当对第三级和

第0级边坡进行开挖后，坡体的稔定安全系教明显低于前两个阶段,

由于第三、第8级边坡率比前•两个开挖阶段的坡率以及原山坡坡度

要陕，从而形成了整体较高的8级高边坡，导致坡体的整体稔定性

明显降低，安全条数骤降至1.108o且上文分析并未考虑地下水、

降雨及地震等作用的影响，若加上这三方面的作用，再考虑到中风

化页岩自身的物理化学性质及工程特性的影响，边坡在开枪后岩土

体极易左外界因素的影响下发生软化甚至崩斛，使得岩体的强度急

剧下降，果后发生，体滑坡等现象。为了保证边坡开挖后不仅能处

于安全稳定的状杰，且尽可能地减少施工过程中土石的开挖量，将

从安全及经济的角度出发，对边坡进行优化设计。

3、离边坡优化设计

经研究发现，边坡K2+281.01采用初步设计方案此行开挖后，

边坡的稔定安全条数较原J坡有所减小。根据《公路路基设计规范》

(JTGD30—2015)中的相关规定，虽然开挖后边坡的稔定安全宗数大

于1,但此时坡体却处于极限平衡状忐，且从经济的角度考虑，坡度

越缓，土石方的挖方量就越大，耗会的成本越高，同时，受地形地

质条件及水文气象的影响，越缓的边坡，坡面被冲刷的情况更严重，

越今易导致整个边坡发生破坏。

3.1,边城优化设计

(1)、方素的确定

初步设计方案中断面K2+281.01边坡采用的是每8m遂行一次

放坡，共分四级开挖，坡率分别为1：0.75、1:0.75、1:1、1:1,

且每两个单级边坡之间设置一个2m宽的平台。根据工程实践资料

显示，初步设计方喙过于保守，通常情况下，岩质边坡的单级坡率

宜采用1：().5〜1:0.75的形式。同时，对开挖的边坡进行工程防

护如锚杆啧浆、挂网啧浆和浆砌片石等，可有效提高边坡的稳定性，

增大整体边城的稔定安全系数。而平台宽度一般对边坡稳定性的影

响较小，故在下列设计方案中，平台宽度仍然保持沏步设计中的2m。

具体设计方案如下。

方案一：每8m进行一次放坡，共分四级开挖，坡率分别为1：

0.5、1:0.75、1:0.75、1：0.75,且每两个单级边坡之间设置一个

2m宽的平台。

方案二：每8m迷行一次放坡，共分凹级开挖，坡率分别为1：

0.5、1:0.75、1:0,75、1：0.75,每两个单级边坡之间设置一个2m

宽的平台，且各单级边坡均采用锚杆啧浆支护。

(2)、两种方素对比分析

对上述两种方案路堑高边坡开挖全过程进行模拟，对比使用各

方案边坡在开挖过程中的竖向位移、剪应变增量及安全系数。

可以看出，方案一改变了边坡的放坡坡率，虽然能够减小土石

方的开挖量，但开挖后的坡率较初步设计更为吃哨，且边坡整体的

住移量较初步设计方案更大；采用方案一对边坡进行放坡后，边坡

内部的潜放滑移而发生了明显的变化，由原先的坡角处转移至坡顶，

且剪应变增量的分布区域变得更广，较初步设计方案更为危险。同

理，方案二是在方嗓一的基础上，对每级边城都进行了锚杆加固，

一级边坡开挖完成后，边坡整体的竖向位移有所减小，岩土体内部

的潜在滑移面亦不龛存在，表明此时的边坡处于高度的安全稔定状

态。通过强度折减宗数法计算得到方案一的边坡稳定安全系数为

1.072,方案二的边城稔定安全系数为1.632。因此，左综合考虑安全

与经济的角度而言，建议选取方案二对本断曲遂行施工。

3・2、边坎坎面防护描卷

(1)、柚方喳插植物护坡：

该防护形式适用于边坡坡率缓于1：1.0,嵩度H&3m的土或土

石路堑边坡。

(2)、方格形管染植物护败：

该防护形式适用于边坡坡率等于或缓于1:1.0,高度3mWH4

8m的土或土石路登辿坡。

(3)、挂网械爬壁朦：

该防护形式适用于岩层稳定、整体性好，边坡坡率等于或缓于

1：0.5岩质路堑边坡。

(4)、挂网嗤摇混生植物护坡：

该防护形式适用于整体稔定，边坡坡率等于或缓于1：().75石

质路登边坡。

(5)、混凝土柩架植物护坎：

该防护形式适用于边坡浅层稔定性差且难