黄土地区高速公路堤边坡稳定性分析与优化设计.pdf

2024 年第 1 期144中国高新科技道路交通|ROAD TRAFFIC黄土地区高速公路堤边坡稳定性分析与优化设计霍焕臣中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600摘要：文章针对现阶段黄土地区高速公路堤边坡稳定性的相关问题，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，为堤边坡的稳定性后续研究提供了较大的现实价值。关键词：黄土地区；高速公路；堤边坡；稳定性分析文献标识码：A中图分类号：U213文章编号：2096-4137（2024）01-144-03DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2024.01.43Stability analysis and optimization design of highway embankment slope in loess regionHUO HuanchenChina Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Beijing 102600,ChinaAbstract:In this paper for the current loess area highway embankment slope stability problems,put forward the optimization scheme and using the right geotechnical software and ABAQUS software for slope stability calculation,the calculation results show that the optimized embankment slope safety factor is greater than the specification of 1.25 and have certain safety reserve,optimization can significantly reduce the embankment filling,slope support area and highway area.Finally,the slope support scheme combining plant protection and engineering protection is proposed based on the slope safety factor,which provides great practical value for the subsequent study of the stability of the embankment slope.Keywords:loess area;highway;embankment slope;stability analysis我国黄土面积约占世界黄土面积的 5%，是世界上黄土面积最大的国家之一。首先，我国的黄土区从中部黄土平原向外延伸。其次，海绵层的质地不同。在一些平原地区，粗砂粒径逐渐减小。在河谷地区，海绵细沙粒径比冲积地区大，而在高寒地区，粗沙粒径比其他地区大。最后，在基岩管理实践中存在差异。高速公路和铁路的建设面临着对车道和道路两侧的天然路基边坡进行安全评估的问题，因此，对黄土坡稳定性的研究成为各方面的重要问题。目前，在边坡几何和稳定性方面已经做了很多工作，但在合理的边坡几何和稳定性以及具有特殊技术特征的边坡防护技术方面的研究，在边坡领域还不够充分。随着国民经济的发展，越来越多的公路项目被建在边坡地区。1某地黄土边坡的地质背景及其特征1.1地形地貌该坡地的地形部分属于构造地层的浅层隆起带，南部地势较高，北部地势较低，自然坡度角为 30 40。基岩在山坡上裸露，山坡上有些地方被土壤覆盖。沿线工程主要是隧道、桥梁和高深挖掘。除了直接由隧道穿越的山区，沿线工程都是跨越河谷的桥梁或沿河流域的高深开挖。该地区的山地水系一般为南北走向，山脉重叠，地势陡峭，V 形谷深数十米至数百米不等，谷底狭窄，难于通行。1.2区域气象条件区内气温月份温度最高，月份温度最低。随着海拔增高，气温降低，每升高 100m，温度下降 0.5，气温特征见表 1。表1某地气温特征平均气温（）最低月平均气温（）最高月平均气温（）最高气温（）最低气温（）6.811.422.138.236.71.3水文地质项目区的水文地质条件受含水层、地层、岩性、地壳和地形的制约，与这些因素密切相关的是水生岩石和水的化学性质。这些因素是密切相关的。（1）松散岩类孔隙水。含水层是第四纪和上第三纪的沙子、砂子和砾石。黄土丘陵和黄土高原走廊地区的主要含水层是钙质巨石和砂石层；较深的含水层含水量不大，季节性很强，洪泛区和河谷区的含水层为砂砾石，地下水在不同深度的地下水屏障影响下被埋藏。地下水埋藏的深度取决于含水层的位置。（2）碳酸盐岩类裂隙岩溶水。含水层位于项目区长城系、吉山系、蓝白球系、寒武系和奥陶系的白云岩和石灰岩层中，总厚度约为1000m，含水层非常厚，是项目区最重要的含水层。源区由东向西延伸，由北向南广泛。由于流域内降雨量减少、泉水膨胀和地下水开发利用，导致泉水排放明显减少，一些泉水中断，所以每年都对泉水排放进行测量。（3）变质岩侵入岩类裂隙水。山体地壳侵蚀造成的剥蚀，广泛存在于各种变质陆地环境的含水基岩系统中，渗透到风化的地壳、节理、裂隙和片麻岩的表面。它接受大气降水的直接渗透、山谷河流排水的渗入，由于悬崖的陡峭性，水排2024 年第 1 期145中国高新科技ROAD TRAFFIC|道路交通入山谷岩石中，形成水池。暴雨受地壳演化方向、关节和片麻岩的控制，主要流向泉水。2影响某地公路边坡稳定性的因素斜坡稳定性是道路建设中的一个重要问题，许多因素影响着岩石和土坡的斜坡稳定性。这些因素在松散的边坡上尤为重要。2.1地层岩性地质构造的岩石学是影响斜坡岩土特性的基本因素，图 1 显示了研究地点的滑坡坡面的岩性概况。图1某地黄土边坡地层岩性剖面图研究区域地层岩性主要为新生界第四系上更新统(Q3a1+p1)松散冲洪积物的黄土及奥陶系冶里组(O1 y)石灰岩。新生界第四系上更新统(Q3a1+p1)黄土的物理力学性质较差，极易引起边坡破坏。新生代（O1 y）具有高含水率、低干重、大孔隙、高压实和变形、高渗透性、水饱和后迅速失去内聚力和易断坡的物理和机械特性。基岩由奥陶纪组的石灰岩组成，地层上部为强倾角的石灰岩，下部为微倾角的石灰岩，形成良好的隔水层。2.2地形地貌边坡的这一部分是一个低矮的高地，有岩石岩溶，整体地势南高北低，自然坡度角约为 40。山坡上的基岩裸露，部分被山坡覆盖，朝向轨道的山坡坡度为 38。具体的基岩节理走向如图 2 所示。轨道多由隧道、桥梁和深沟组成，除山地直接由隧道穿越，其他都是由河谷上的桥梁或穿越山地前后的河谷盆地中的深沟构成。该地区的山地河道一般是南北走向的山地和陡峭的山地，V 形谷深几十米到几百米不等，谷底狭窄，无法通行。滑石山脊的坡度和高度在一个地方是适中的。覆盖在斜坡上的石炭土层与下层石灰岩之间的隔水层是斜坡最薄弱的部分，如果在开挖时用人工切割，斜坡较大，容易发生滑坡。从以上实测数据可以看出，岩石的坡度与左侧的坡度相反，有利于边坡的稳定，但接头方向与边坡相交的角度较大，边坡容易发生小塌方、巨石坠落等灾害性地质现象。2.3地质构造与地震黄土高原位于黄土高原稳定区块内，其走廊区为板内构造地震带，深度为 14 25km，有浅层地震和强震发生。该平面呈东北至西北方向，对边坡稳定性影响一般，因此在边坡稳定性分析中不考虑。3高路堤边坡优化设计本文对黄土路堤高边坡进行了优化设计，提出的优化堤坡设计采用交错堤，最小坡比为 8，每级堤坡高 8m，基底宽20m，一级和二级堤坡比分别为 1 10 和 1 12，三级及以上堤坡比为 1 15。根据现场岩土工程设计软件的分析计算，采用简化毕肖普法求最危险滑移面，圆半径和圆心分别为0.5m和1.0m，结果如图3所示，地条宽度为1.0m，结果如图3所示，滑移面半径为 86.121m，坐标为 2987。最不利滑移面 86032的中心点为1663，坡道安全系数为1663。对于最危险滑移面，采用简化 Bishop 法（1663）。具体分析数据如表 2 所示。表2两种计算方法的安全系数起点桩号终点桩号安全系数ABAQUS软件理正岩土软件K3+200K3+3802.4342.449K8+260K8+2902.5292.548K9+310K9+4002.3032.385K9+800K9+8402.4002.382K10+530K10+6902.5292.548K12+110K12+2052.5482.593K12+650K12+7352.6592.648K22+390K22+4802.1582.365K22+670K22+6902.2582.280K23+000K23+0702.1772.170K23+550K23+6902.2922.279K24+500K24+5702.2922.279K30+050K30+2502.2132.242K31+650K31+7702.3992.382K32+120K32+3502.4622.451K32+610K32+7102.4392.463K35+940K36+0202.6232.659K36+650K36+6602.5822.565K36+930K37+0702.6232.685K37+410K37+5102.3882.374K37+880K37+9802.5872.568K42+560K42+6102.7602.743K43+540K43+6702.6062.623K43+790K43+9102.7602.743图2基岩节理走向 2024 年第 1 期146中国高新科技道路交通|ROAD TRAFFIC基于有限元软件 ABAQUS 计算的有限元模型和网格划分见图 4。根据 ABAQUS 软件，如果相应的折减系数为 1.748，则斜坡安全系数为1.6522。此时，塑性变形云图如图5（a）所示，表明斜坡的塑性变形区域已经完全贯通，形成了一个非常明显的滑移面。图 5（b）显示了节点处的空间位移。两次计算得到的安全裕度系数分别为为 1.660 和 1.652，相差不大，均大于规范规定的 1.25，较小的安全裕度使优化后的高路堤边坡满足安全要求。如果选择半幅路堤，优化前后的边坡对比如图 6 所示。优化后，一侧堤坡横断面减小到 590.146m，另一侧堤坡宽度减小到 27.45m，该横断面填方体积减小到 94423.36m，场地面积减小到 4392m2，护坡面积减小到 3768m2。优化其余路段的边坡将实现以下稳定效益：预计可节约土石方约 200 万 m2，大幅减少公路借方，减少取土场 4 5 处；可减少护坡面积 11 万 m2，降低工程造价，大幅缩短工期；较陡的边坡可更好地促进边坡排水，减少边坡冲刷的影响；减少公路用地面积 12.3 万 m2，不仅可以降低工程造价，减少公路建设过程中对原有环境的破坏，还可以大大减少审批过程中需要的用地和拆迁调整，减少用地。公路边坡防护的性质要求采用最经济、最合适的方案保证边坡稳定。边坡稳定的设计原则主要有 3 个方面：可持续性。当道路交通需要长期维护时，边坡和类似的边坡防护措施可以在道路边坡稳定中发挥更大的作用。适用性。出于经济和安全的考虑，可以采用不同的边坡稳定形式适应不同类型的边坡。安全性。边坡和类似的边坡防护措施可以承受道路运行过程中的各种荷载。4结语为了保证黄土地区高速公路的安全性和稳定性，公路边坡的稳定性是非常重要的。本文对影响边坡稳定性的一些因素进行了理论分析，如气象条件、水文地质、植被、人为因素、地形、地层、地质构造和地震等。为了使斜坡更加稳定，应通过铺设淤泥或混凝土保护悬崖，通过保护植被保护地面，通过重力墙保护斜坡的下部。作者简介：霍焕臣（1995-），男，河北唐山人，中铁第五勘察设计院集团有限公司助理工程师，研究方向：公路路基。参考文献1 闫治利低震多频高烈度地区高速公路边坡黄土动参数研究 D太原：太原理工大学，20132 周怀恩公路高边坡稳定分析方法及支挡优化设计J交通科技与管理，2022（7）：124-1263 郑肆明高速公路混合岩质边坡稳定性分析及抗滑治理 J交通世界，2021（23）：53-554 周桂梅，张帆南方多雨山区某高速公路滑坡稳定性分析及治理方案比选 J河南城建学院学报，2019，28（2）：56-62（责任编辑：肖央然）图4优化后有限元模型和网格划分（b）优化后有限元模型网格划分（a）优化后有限元模型（a）优化后塑性应变云图（a）优化后节点处位移云图图5 优化后塑性应变云图和节点处位移云图图6优化前后路堤断面对比（单位：m）图3优化后理正岩土计算结果