郭凌霄

（中交公路规划设计院有限公司宁夏分公司，宁夏 银川 750000）

0 引言

随着基础设施建设的规模不断扩大以及城镇化进程的加速，我国陆路交通已经形成了规模庞大的公路网，基本实现了全国各区域城市和乡村的覆盖。尤其是城市之间，基本都有高速公路连接，极大地便利了人们出行和物资运输。但是，我国幅员辽阔、地形特征复杂，很多公路必须要穿行于险峻的地势中，公路两侧的边坡安全直接关系到公路安全和公路运输的安全。高速公路的边坡设计，不仅要满足正常条件下的技术要求，还要充分考虑地震、大规模降水、山体滑坡、泥石流等突发性自然灾害的影响。一旦公路边坡无法抵御这些自然灾害，就有可能因自身被破坏而危及整个公路交通网络。而公路边坡一旦出现塌方等严重后果，不仅会阻塞公路运输网络，还会导致后续的修复困难。因此，对高速公路边坡进行合理设计并进行稳定性分析是关乎高速公路安全的重要工作。

1 AAA工程高速公路边坡设计

1.1 AAA工程概况

AAA工程项目中高速公路的总里程为7.8公里，为设计速度100km/h的双向四车道高速公路，路基标准断面宽度26m。AAA工程项目所在区域地势呈现出东西高、中间低的特征，公路将在中间地势较低区域兴建，两侧高地形成自然高坡。从地质结构上看，两侧高地主要为土质结构并夹杂大小不均的碎石。从气候因素上看，AAA工程所在区域夏季较长并且降水充沛，偶发暴雨夹杂冰雹，对高地边缘的冲刷和破坏作用强烈，易引发土质坍塌和滑坡。

针对AAA工程项目的实际情况，高速公路两边的边坡必须经过严谨设计和特殊处理，才能确保低地区域通行的公路安全。

1.2 高速公路边坡设计

为了便于说明该文在AAA工程中高速公路边坡的设计方法，该文选取总里程中的一个局部进行阐述。对这个局部，按照空间三维坐标的各式，选取轴方向上长度为140m，轴方向上长度为70m，轴方向上长度为90m的路边高坡局部。

仿真结果完全遵循实际边坡的物理原貌，对应形成22883个有限元单元，空间中共包括了5219个节点。仿真结果中的边坡表面即为自由边坡表面，对应实际边坡的土质结构也形成了三层的结构，第一层对应实际边坡的坡积土层，第二层对应实际边坡的风化岩层；第三层对应实际边坡的奥陶系地质层。

为了增加AAA工程项目中高速公路边坡的稳定性，需要在边坡内植入防止滑坡的防滑桩。根据仿真模型的进一步位移有限元分析结果，发生坡体滑移的最大风险来自北向边坡北向坡体的中间部位，最大滑移位移可以达到3.56m。

针对边坡位移有限元分析结果，防滑桩植入的方案设计为防滑桩在垂直方向上植入边坡，每个防滑桩的垂直向长度为23m，相邻两个防滑桩间隔12m排布，每个防滑桩的径向截面的面积大小约为4.2m，防滑桩的材料选择C30型号的钢筋混凝土。

结合AAA工程项目高速公路边坡的实际情况，坡体最高部分形状陡峭并且裂隙大而多，不适合防滑桩的植入。因此，防滑桩植入位置从顶部开始空出一定距离，在相对顶部略低的位置开始植入，根据桩间距离12m的设计思路，分别在24m、48m、72m、96m、120m的位置植入五层防滑桩。

五层防滑桩植入后，可对各自位置处的滑移位移进行限制，进而增强公路边坡整体的稳定性。每层防滑桩能够限制的位移，如图1所示。

2 AAA工程高速公诉边坡的极限平衡分析

对高速公路边坡的稳定性分析是判断边坡质量和安全性的重要手段，一般可以采用极限平衡法和可靠度法进行分析。先进行AAA工程项目高速公路边坡的极限平衡法分析，分析过程在极限平衡分析软件中仿真完成。为了满足极限平衡分析软件的使用要求，需要将图1的三维模型转化为二维的CAD图形，转化后的二维图形尺寸和AAA工程项目的真实边坡尺寸比例为1∶800。

图1 五层防滑桩对应得限制位移

分析过程中，分别考察边坡在自然状态下、降雨量过大即暴雨状态下的性能。从三维模型转化而来的二维图形中也包括三层土质结构对应于实际边坡的土质结构：第一层对应实际边坡的坡积土层，第二层对应实际边坡的风化岩层；第三层对应实际边坡的奥陶系地质层。根据经验可知，各土质层的分界面是发生滑移的最大风险部位。对应于AAA工程项目的高速公路边坡，最有可能发生滑移的位置分别是：坡积土层和风化岩层的分界面，风化岩层和奥陶系地质层的分界面。在极限平衡分析软件中，主要针对这些特定部位进行分析，就可以比较准确地得到滑移风险对应的参数结果。

在极限平衡法的分析软件中，采用MP方法完成极限平衡的计算和分析。MP方法的分析原理是对相邻两个土质层进行考察，进而考虑两层交界面处的剪切力和法向力。其中，剪切力是使坡体发生层间滑移的最大危险因素。MP方法将剪切力、法向力共同融合于一个数学模型之下，并在其中考虑了滑移风险系数，根据这个系数就可以判断出边坡发生层间滑移的风险程度。MP方法的数学模型如公式（1）所示。

=（） （1）

式中：参数表示两个土质层之间的剪切力；参数表示两个土质层之间的法向力；参数（）表示关系函数；参数表示了滑移风险系数。

根据经验，滑移风险系数大于1.30时，高速公路边坡发生层间滑移的风险为无限大；滑移风险系数介于1.20～1.30时，高速公路边坡发生层间滑移的风险比较大；滑移风险系数介于1.10～1.20时，高速公路边坡发生层间滑移的风险比较小；滑移风险系数小于1.10时，高速公路边坡发生层间滑移的风险无限接近于0。

图2显示了降雨量过大时两种情况下AAA工程项目的高速公路边坡剪切力变化情况。在自然状态下，边坡剪切力距离左侧20m～85m都比较大，剪切应力在120kPa～150kPa区间波动，这也是发生滑移风险较大的区域。降雨量过大时，边坡剪切力距离左侧25m～85m都比较大，剪切应力在170kPa～190kPa区间波动，这也是发生滑移风险较大的区域。通过图2可以明显看出，降雨量过大时，土层之间的剪切力提升幅度较大，滑移风险进一步增加。

图2 AAA工程项目公路边坡的剪切力变化仿真结果

3 AAA工程高速公诉边坡的可靠度分析

采用可靠度法对AAA工程项目的高速公路边坡的稳定性进行进一步分析。可靠度法考虑的风险因素更多，综合考虑土层土质性质、防滑桩参数、土层内的水压力、边坡整体所受载荷、误差等各方面因素，结合这些因素运用概率法进行可靠度分析。该文中主要考虑土质颗粒重度、土质黏聚力、土质颗粒内摩擦角、边坡地下水水位等参数。根据这些参数的概率模型分别计算出自然状态下、降雨量过大时的边坡滑移风险系数，如图3所示。

从图3中可以看出，自然状态下，AAA工程项目公路边坡的风险滑移系数基本没有出现超过1.30的情况，发生在1.10～1.20的情况也比较少，这说明自然状态下AAA工程项目公路边坡的滑移可能性不大。降雨量过大时，AAA工程项目公路边坡的风险滑移系数最小也在1.10以上，并且有40%的可能性超过了1.30，这说明降雨量过大时AAA工程项目公路边坡发生滑移的可能性极大。

图3 AAA工程项目公路边坡的风险滑移系数累积概率结果

图3 AAA工程项目公路边坡的风险滑移系数变化仿真结果

进一步统计两种状态下风险滑移系数的累积概率，如图4所示。

从图4可以看出，降雨量过大时AAA工程项目公路边坡的风险滑移系数累积概率，要远远高于自然状态下AAA工程项目公路边坡的风险滑移系数累积概率为。这也表明，降雨量过大时公路边坡发生滑移的可能性极大。

4 结论

公路边坡的稳定性直接关系到高速公路的安全性和交通行车安全，对其进行合理设计具有十分重要的意义。该文以AAA工程项目的高速公路边坡为研究对象，在明确了其坡积土层、风化岩层、奥陶系地质层三层土质结构后进行了有限元三维建模和位移分析，进而提出了五层防滑桩的加固方案。分别采用极限平衡法和可靠度法，对AAA工程项目的边坡稳定性进行分析，两种方法都显示：降雨量过大时，AAA工程项目高速公路边坡的层间剪切力0.7明显增大、滑移风险系数明显增高，五层防滑桩的加固处理是必要的。