麻昭高速公路高边坡稳定性分析及支护技术探讨

边坡稳定性研究是岩土力学领域研究的重要内容之一，人类工程基础建设的发展促使了它的出现，并带动着相关学科也跟随着发展。在早期阶段，地质研究与力学研究是相互分离的，也因此在国际学术界形成了两种流派，一种是以地质学为主的“岩土不连续面控制论学派”，还有一种是基于力学理论的数值学派，但随着实践活动的不断开展，这两个学派的理论认知逐渐融合在一起，相关的理论框架初具雏形
第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

近年来，在我国经济建设高速发展的带动下，公路的建设里程日益增多。在公路里程不断增加的同时，公路边坡的安全问题却与日俱增，导致由边坡失稳引起的灾害逐年增加[1]。如 2012 年 2 月 7 日，甘肃省永靖县盐锅峡镇突发山体滑坡地质灾害，临山公路被崩塌的土方掩埋等，大量的边坡失稳造成了大量的人员与财产损失，对人民安全造成严重的危害。我国是亚洲甚至在世界上滑坡灾害最为严重的地域之一。我国的山区面积在整个国土面积中占有较大的一部分，由边坡失稳造成的损失不计其数，尤其是随着人类活动的加剧，此类灾害与日俱增[2]。长久以来，通过科学研究减少由于边坡失

稳引起的滑坡、崩塌。工程界和科学界众多专家学者从边坡稳定性评价和治理方法这两大方面开展了一系列的研究，以期通过科学的研究来减小灾害给人类带来的巨大生命和财产损失，保持社会经济的良好发展和人民的生命安全。麻昭高速公路某工段高边坡岩体结构面较发育，上部岩堆天然状态下处于基本稳定状态，但边坡存在潜在危险，在施工扰动、暴雨、地震等外界作用下此边坡稳定性将变小，极易发生滑塌。由于边坡的稳定性受堆积体厚度、风化层厚度、开挖坡高、结构面组合产状等各因素的综合控制，该高边坡处于不稳定状态，需进行加强支护。本文以麻昭高速公路某工段的高边坡开挖及支护工程为依托，利用先进的研究思路和分析方法，通过对高边坡地段的工程地质条件进行分析总结，确定了该不边坡的地质岩土材料参数。采用有限元数值计算的方法，计算该边坡的稳定性，并分析了边坡的位移与应力状态，通过对边坡的全面分析制定了针对性的支护方案，根据支护加固方案，建立了加固有限元模型对土质高边坡开挖稳定性与加固效果进行了分析。研究成果对麻昭高速公路有重要的实际工程意义，可为类似土质高边坡开挖设计及施工提供指导或技术参考。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 边坡稳定性研究

边坡稳定性研究是岩土力学领域研究的重要内容之一，人类工程基础建设的发展促使了它的出现，并带动着相关学科也跟随着发展。在早期阶段，地质研究与力学研究是相互分离的，也因此在国际学术界形成了两种流派，一种是以地质学为主的“岩土不连续面控制论学派”，还有一种是基于力学理论的数值学派，但随着实践活动的不断开展，这两个学派的理论认知逐渐融合在一起，相关的理论框架初具雏形。历史上，边坡的稳定性研究的主要发展阶段可以分为三个：（1）定性研究阶段，这个阶段主要以材料力学和弹性理论为理论基础，以土质边坡稳定性的分析方法为分析计算手段。在这个时期，采用半经验半理论性质和假定的滑动模块具有固定的位置和形状，是这个阶段边坡稳定性计算分析方法的突出特点。（2）崭新的发展阶段，这个阶段，地质分析研究开始与力学机制紧密结合，因为人们开始意识到边坡的失稳破坏过程有着明显的时间效应。为了更好地解决岩土力学和工程实践中

存在的问题，需全面考虑土壤为粘弹性脆性介质、弹塑性或有裂缝、非均匀性和各向异性岩石的情况。（3）半定量研究阶段，到了 80 年代，边坡稳定性研究理论和方法不断走向成熟，人们将计算机和半定量方法引入进来。对边坡开挖的整个过程进行模式，很多新的技术和方法，比如失效概率的方法，将信息论、模糊数学、灰色系统理论等。土力学和岩石力学作为边坡理论的基础，上个世纪的 40 年代以后，大量学者从土力学的观点出发去研究边坡稳定性。例如 1916 年由 Prantle 提出的圆弧滑动法[3]、1955年的Bishop条分法[4]、1954年的Janbu条分法[5]、1965年Price与Morgenstern提出了适用于任意形状滑裂面严格分析方法[6]。1963 年，意大利 Vaiont 水库的库岸边坡在水库水位涨落交替之后发生了大量的滑坡，这得到了非常大的重视，对当时意大利岩石力学界的发展起到了推动作用，在此之后，众多的边坡工作者认为，在对边坡稳定性进行分析的过程中，必须紧密结合力学机制与工程地质条件。极限平衡分析法是工程中应用最普遍的一种分析方法，经过前人多年的研究和发展，极限平衡法分成三维分析和二维分析两个方向。二维分析一般假设锚固力是集中力，然后将集中力通过二维投影公式投影到计算模型中。T.D.ORourke (1997 )研究了锚杆支护的基坑，分析了锚杆对基坑边坡稳定性的影响。Pockoski ( 2000 )研究了锚杆支护下的边坡稳定性的各种评价方法，并对他们进行了大量的对比分析[7]。JianXin Yuan (2003)在土钉支护边坡稳定计算中使用不平衡推力法[8]。D. Y.Zhu (2005)认为锚固力作为集中力来计算时不符合实际情况的，他提出计算过程中应该按一定的分布方法将锚固力分布在滑移面的不同位置[9]。赵洪岭(2006 )研究了锚杆支护边坡的极限平衡法模型中锚固力的计入方式，他提出了三种计入方式，别计入在锚杆的内端、外端和在锚杆的全长上均匀地计入[10]。

第二章 边坡稳定性静动力计算原理

近年来，数值分析方法作为一种有效的分析工具，在研究边坡稳定性分析过程中起到举足轻重的作用。目前，岩土力学的数值计算方法最常用的有有限差分方法、有限单元法和边界元法等。有限单元法是边坡稳定性分析中常用的数值分析方法，从方法的提出直至现在，该方法已经成为一套成熟的理论体系。有限元法相对于极限平衡法而言，能够从岩土体的应力一变形着手对其进行分析，能够详细分析土体的应力、应变情况。对于复杂情况如，土体的渗透、流固耦合、动力反应分析也有可靠的效果，而极限平衡法应用范围简单且对于土体细观特性难以得出详细的结果。离散单元法是专门对工程中常出现的离散介质进行模拟的一种数值分析方法。离散单元法的特点在于能够模拟岩体结构之间的相对滑移的同时，运用离散单元法进行边坡稳定性分析能够对边坡整个渐进破坏过程进行动态的模拟，此外，该方法还能有效的反映岩土体之间的应力应变关系。无限元法作为有限元法的一种延伸，近年来应用也比较广泛。无限元法主要模拟裂纹扩展，在岩土工程中主要用于求解边坡开挖等问题。石根华博士提出的 DDA法，是一种新的分析不连续变形问题数值分析方法。它将有限元法与离散元法的一些优点进行了很好的结合。本文根据麻昭高速公路某工段高边坡工程地质资料，采用有限单元法对高边坡稳定性进行计算分析，并对加固效果进行分析。有限单元法广泛用于岩土领域数值计算，本文采用有限单元法对麻昭高速公路高边坡进行稳定性分析。本章首先介绍了有限单元法和极限平衡法的基本原理，在工程实践中所用到的数值分析软件基本都是基于本章所介绍的两种分析方法开发出来的，尤其基于有限元分析方法的数值分析软件的应用最为广泛，本文数值计算部分所用到的即是有限元分析方法。本文在计算边坡稳定性过程中，土体的本构模型采用 Mohr-Coulomb 模型，故主要介绍了经典的 Mohr-Coulomb 土体本构模型基本理论。另外，在计算边坡稳定性过程中采用了 MIDAS GTS NX 计算软件中的(边坡稳定性分析软件)模块，介绍了该软件的特点及功能。对边坡抗震性能的考虑采用动力分析模块进行分析，采用有限元原理进行编制，其计算原理采用逐步积分方法对动力方程进行求解，介绍了动力方程两种最常用的求解方法 Newmark 法和 Wilson-θ法。

第三章 麻昭高速公路基本地质资料分析 .................. 13

3.1 麻昭公路工程概况 ................................................................................. 13

3.2 研究区域边坡稳定性分析 ..................................................................... 19

3.3 岩土参数试验 ......................................................................................... 21

3.4 本章小结 .................................................................................................. 25

第四章 麻昭公路高边坡稳定性分析 ...................... 26

4.1 计算模型的建立 ..................................................................................... 26

4.2 边坡静力稳定性分析 ............................................................................. 27

4.3 边坡动力反应分析 ................................................................................. 35

4.4 本章小结 .................................................................................................. 38

第五章 麻昭公路高边坡支护方案设计 .................... 39

5.1 支护方案设计 ......................................................................................... 39

5.2 无支护开挖分析 ..................................................................................... 42

5.3 锚杆参数对边坡稳定性影响 ................................................................. 45

5.4 锚杆支护效果分析 ................................................................................. 50

第五章 麻昭公路高边坡支护方案设计
边坡的加固方式众多，如锚杆、锚索、SNS 主动防护网、浆砌片石挡墙、抗滑桩、桩板墙、注浆等，但不论哪一种方式，均有其适用的条件。公路人工切坡可能引发更大规模滑坡的情况下，须对边坡进行必要的工程防护，以保证边坡在公路施工期及营运期的安全，工程防护的同时做好自然生态景观的恢复。

5.1 支护方案设计

5.1.1 支护方案选择

边坡的加固方式众多，如锚杆、锚索、GPS 主动防护网、浆砌片石挡墙、抗滑桩、桩板墙、注浆等，但不论哪一种方式，均有其适用的条件。根据本项目沿线地质特征，选取了以下几种加固及坡面防护方案从其适用条件、经济性、环境绿化、耐久性等方面进行了综合比选。在边坡的安全性得到保证，边坡稳定性满足规范要求的前提下，设计将采用与自然环境相协调的生态防护方案。若边坡的安全性难以得到保证，边坡稳定性不能满足规范要求，公路人工切坡可能引发更大规模滑坡的情况下，须对边坡进行必要的工程防护，以保证边坡在公路施工期及营运期的安全，工程防护的同时做好自然生态景观的恢复。

第六章 结论

论文在结合麻昭高速公路某高边坡工段工程的基础上，通过现场调研的地质资料上，总结该高边坡工程地质条件及特征，对高边坡的稳定性影响因素进行分析并总结该高边坡可能破坏的模式，针对其影响因素和破坏模式对其进行定性和定量稳定性分析。通过 MIDAS/GTS NX 软件进行稳定性数值模拟，根据边坡破坏特征及稳定性对该边坡进行加固设计。得出如下结论:

(1)通过对高边坡工点的现场调研，从地质条件，地形地貌，地震影响等方面进行了分析。明确了地形地貌、岩土体结构、地震作用、降雨，左岸边坡卸荷等因素对边坡的稳定性影响较大。通过资料分析，确定了需要进行支护加固的边坡工点，对该工点实地探测，确定了该工点高边坡为反倾土石二元边坡，边坡的破坏形式主要为风化层沿节理面滑塌、堆积体滑塌、结构面切割锲形体滑塌，该边坡不稳定，需加强支护。通过现场调查工作，确定结构面的软、硬类型、结合程度及裂隙的发育程度，选取有代表性的岩土样本做试验，并根据勘探报告结合地质工程经验综合确定了用于有限元计算的边坡计算参数。

(2)对麻昭高速公路高边坡进行稳定性数值分析，在正常工况下计算所得边坡稳定性系数为 0.825，破坏面呈圆弧状，边坡处于不稳定状态，非正常工况 I 下，计算得边坡稳定系数为 0.75。研究了边坡在不同控制因素下的动力响应情况，包括不同加速度峰值、不同频率、不同地震作用时间下的边坡的动力响应情况。对于本边坡，当地震波波型和作用时间相同时，边坡 PGA 放大系数随输入加速度峰值增大而增大。同一加速度峰值下，加速度放大系数沿边坡高程增大呈非线性增加。相同条件下本边坡岩土体对在 6Hz 附近的动荷载反应更为强烈。另外经计算还说明地震持续时间的变化对本边坡的 PGA 放大系数效果不明显。

(3)结合本工段挖方边坡的地质情况，开挖后坡体易产生浅层滑塌或圆弧滑动，选用锚杆框格梁为加固方案、框格梁内采用植生带植草绿化。锚杆的长度根据地质条件及模型数值计算最终确定，将锚索锚入到基岩面中。本项目经稳定性计算边坡加固后的稳定性系数为 1.25。计算结果表明采用锚杆式框架加固后效果比较明显，抵抗住了边坡体继续变形，经过一段时间的运营，加固后的边坡处于稳定工作状态，进一步验证了本文所计算的加固效果是有效的。