降雨条件下削坡加挡土墙加固山区公路边坡稳定性分析.pdf

交通世界TRANSPOWORLD收稿日期：2023-02-14作者简介：李嘉（1978），男，陕西西安人，硕士，高级工程师，从事公路与城市道路交通安全、交通控制相关工作。降雨条件下削坡加挡土墙加固山区公路边坡稳定性分析李嘉（陕西建工安装集团有限公司，陕西 西安 710000）摘要：以山区路堑边坡采用削坡加挡土墙加固为研究对象，重点分析了边坡在降雨条件下的稳定性。研究结果表明：天然状态下边坡的安全系数为1.35，边坡处于稳定状态；边坡安全系数随墙后填土高度的增大而增大，当工程中出现高边坡时，要视具体情况进行进一步的加固处理；降雨时长由48 h时增大至72 h时，坡体孔隙水压力由7.68MPa增大至8.10 MPa，孔隙水压力增大会导致基质吸力减小，边坡的抗剪强度随之减小，当坡顶出现滑裂缝时，边坡将存在失稳滑塌风险；降雨时长为24 h和72 h时分别比降雨前边坡安全系数减小1.3%和2.7%，降雨入渗强度取20 mm/h和30 mm/h时的边坡安全系数分别比降雨入渗强度取10 mm/h时减小1.4%和2.4%，说明边坡安全系数随着降雨时长、降雨入渗强度的增大而逐渐降低，即强降雨和持续性降雨更易导致边坡出现失稳滑坡。关键词：挡土墙；边坡；降雨入渗；稳定性；数值分析中图分类号：U411文献标识码：A0 引言降雨是诱发山区公路边坡失稳的主要原因之一，研究边坡在降雨条件下的稳定特性对于防灾减灾具有重要意义1-2。近年来，国内学者在山区公路边坡稳定性方面进行了不少研究，如覃冬梅3以某山区改扩建道路为研究对象，采用数值模拟软件对高路堤边坡进行模拟分析，并重点研究了降雨条件下的坡体强度以及边坡安全性，发现随着降雨入渗的增加，边坡抗剪强度降低、安全系数减小，采用坡脚设置挡土墙和设计防排水措施，可有效确保边坡的稳定性；杜忠原等4以某矿区公路边坡为研究对象，采用PLAXIS有限元软件计算边坡渗流和应力，重点分析了不同降雨强度下的边坡稳定性、孔隙水压力变化规律以及锚杆加固应用效果；黄明奎等5以某山区高填方高速公路路基边坡为研究对象，分析在强降雨条件下边坡强度、稳定性和土体基质吸力变化情况，结果表明，降雨入渗会导致土体内聚力和内摩擦角减小，降低稳定性；余兵6基于饱和-非饱和渗流理论，采用极限平衡条分法研究了降雨条件下的山区土质堤防安全性，发现裂隙的出现会加剧堤防的破坏，提出汛期要加强堤防查险，防止裂隙出现；次仁拉姆7以某省道边坡为研究对象，基于有限元分析，对不同降雨工况下边坡安全系数变化规律进行了研究，结果表明边坡在加固前后的安全系数均随降雨量增加而不断减小，采用预应力锚索加固能有效提高边坡安全系数，并减小降雨对边坡稳定性的影响。尽管现阶段已在山区边坡加固及稳定特性方面取得大量研究成果，但关于削坡加挡土墙组合加固山区公路边坡方面的研究还较少。基于此，本文以采用削坡加挡土墙加固的山区路堑边坡为研究对象，重点分析了边坡在降雨条件下的稳定性，以期为类似工程设计和施工提供参考。1 工程概况某山区高速公路路堑边坡，拟采用削坡加挡土墙的组合方法进行边坡加固。边坡土层以灰岩和泥岩为主，边坡整体高度为16 m，挡土墙高度为8 m，挡墙底部和顶部宽度分别为 5.5 m 和 2 m，边坡坡率为 12，具体如图1所示。该山区边坡内地下水主要有松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两种，所处区域夏季降雨量较大。边坡潜在滑动面16.04.01.5挡土墙2.06.02.08.01 24.5图1 挡土墙加固边坡示意图17总653期2023年第23期（8月 中）2 模型建立如图2所示，采用大型有限元软件ABAQUS建模得到计算模型图，边坡高度为16 m，挡土墙高度为8 m，挡墙底部和顶部宽度分别为5.5 m和2 m，边坡坡率为12。本文在模拟过程中主要考虑天然状态和降雨入渗作用的影响，建模过程中模型除上边界外，其他边界均进行位移约束，模型均采用摩尔-库伦本构模型，取降雨入渗强度为20 mm/h，挡土墙与基础底部摩擦系数取0.48。模型中挡土墙和墙后土体的网格单元运用完全 四 边 形（Quad），网 格 划 分 技 术 运 用 扫 掠 命 令（Sweep）。在有限元数值模型计算中，边坡土体的网格密度设置为0.5，挡土墙与边坡土体接触的边基于0.5网格密度设置为 3 倍。模型中填土为平面应变单元（CPE4P），挡土墙采用平面应变单元（CPE4）。在墙后填土与挡土墙之间的接触面上采用网格加密处理，使得计算更加准确。表1为岩土体和挡土墙的物理力学参数。表1 岩土体和挡土墙的物理力学参数土层材料岩土体挡土墙弹性模量E/GPa0.1132.0泊松比0.230.20重度/（kN/m3）2025.0黏聚力c/MPa19.0内摩擦角/24.03 模型数值结果分析3.1 天然状态下的边坡稳定分析为分析挡土墙加固效果，给出边坡安全系数与监测点位移关系曲线（见图 3）。通常认为在安全系数（FS）-位移（U）坐标系中，位移发生突变时所对应的横坐标FS即为边坡安全系数。由图3可知，天然状态下边坡的安全系数为1.35，边坡此时处于稳定状态。墙后填土高度（H）是制约边坡稳定性的重要因素之一，图4给出了墙后填土高度为6 m、8 m和10 m时的安全系数与监测点位移关系曲线。由图4可知，填土高度为6 m、8 m和10 m时对应的边坡安全系数分别为1.491、1.350和1.221；相比于填土高度为6 m时，墙后填土高度取 8 m 和 10 m 时边坡安全系数分别减小了9.4%和18.1%，说明边坡安全系数随墙后填土高度的增大而增大，当工程中出现高边坡时，要视具体情况进行进一步的加固处理。3.2 降雨入渗条件下的应力场变化分析为进一步分析研究降雨入渗对挡土墙加固边坡的影响，本节分析挡土墙加固边坡在降雨入渗条件下的应力变化过程以及降雨时长对边坡安全系数的影响。在分析降雨过程中边坡土体的应力场变化时，挡土墙和墙后土体的参数指标保持不变；在分析降雨时长对挡土墙加固边坡安全系数的影响时，只改变降雨分析步中的时间设置。降雨条件下的滑坡机理是：边坡在降雨入渗条件下，坡体内部土体饱和度增大，孔隙水压力会增大，对应的基质吸力减小，边坡的抗剪强度随之减小，当坡顶出现裂缝时，边坡将处于失稳临界状态。为研究挡土墙后边坡在降雨入渗条件下的稳定性，如图 5所示，给出了降雨入渗条件下的孔压分布云图，降雨入渗强度取20 mm/h，降雨时间分别取48 h和72 h。由图可知，相比于降雨入渗48 h时，降雨入渗72 h时土体饱和度更大，土体孔隙水压力明显增大，由降雨48 h时的7.68 MPa增大至72 h时的8.10 MPa。图2 数值模型图安全系数FS1.001.051.101.151.201.251.301.351.40FS=1.350.00.10.20.30.40.50.60.70.8位移/m图3 边坡安全系数-监测点位移曲线（1#监测点）0.00.51.01.52.02.53.01.01.11.21.31.41.51.6H=10 mH=8 mH=6 m图4 墙后填土高度变化时的边坡安全系数-监测点位移曲线安全系数FS位移/m18交通世界TRANSPOWORLD3.3 降雨入渗条件下的边坡稳定性分析为研究挡土墙后边坡在降雨入渗时长变化条件下的稳定性，如图6所示，给出了不同降雨时长（T）对应的边坡安全系数（FS）-位移（U）曲线，分别取降雨时长为 0（降雨前）、24 h 和 72 h 进行了对比分析，此时降雨入渗强度取20 mm/h。由图可知，降雨时长为0、24 h 和 72 h 时对应的边坡安全系数分别为 1.391、1.373和1.354，相比于降雨前，降雨时长为24 h和72 h时边坡安全系数分别减小了1.3%和2.7%，说明边坡安全系数随着降雨时长的增大逐渐降低，即持续性降雨更易导致边坡出现失稳滑坡。为研究挡土墙后边坡在不同降雨入渗强度条件下的稳定性，图7给出了不同降雨入渗强度（R）对应的边坡安全系数（FS）-位移（U）曲线，分别取降雨入渗强度为10 mm/h、20 mm/h和30 mm/h进行对比分析，降雨时长取72h。由图可知，降雨入渗强度取10 mm/h、20 mm/h 和 30 mm/h 时对应的边坡安全系数分别为1.372、1.353和1.339，相比于降雨入渗强度取10 mm/h，降雨入渗强度取20 mm/h和30 mm/h时边坡安全系数分别减小了1.4%和2.4%，说明边坡安全系数随着降雨入渗强度的增大逐渐降低，即强降雨更易导致边坡出现失稳滑坡。4 结论本文主要以采用削坡加挡土墙加固的山区路堑边坡为研究对象，重点分析了边坡在降雨条件下的稳定性，得出以下结论。1）天然状态下边坡的安全系数为1.35，边坡处于稳定状态；相比于填土高度为6 m时，墙后填土高度取8 m和10 m时边坡安全系数分别减小了9.4%和18.1%，说明边坡安全系数随墙后填土高度的增大而增大，当工程中出现高边坡时，要视具体情况进行进一步的加固处理。2）降雨 48 h 后至 72 h 后，坡体孔隙水压力由7.68 MPa增大至8.10 MPa，会导致基质吸力减小，边坡的抗剪强度随之减小，当坡顶出现滑裂缝时，边坡将存在失稳滑塌风险。3）降雨时长为24 h和72 h时，边坡安全系数分别比降雨前减小了1.3%和2.7%，说明边坡安全系数随着降雨时长的增大逐渐降低，即持续性降雨更易导致边坡出现失稳滑坡。4）相比于降雨入渗强度取 10 mm/h，降雨入渗强度取 20 mm/h 和 30 mm/h 时边坡安全系数分别减小了1.4%和2.4%，说明边坡安全系数随着降雨入渗强度的增大逐渐降低，即强降雨更易导致边坡出现失稳滑坡。（下转第22页）（a）降雨48 h后（b）降雨72 h后图5 降雨入渗条件下的孔压分布云图xyxy0.000.050.100.150.200.250.300.35T=72 hT=24 hT=01.01.11.21.31.41.3911.3731.354图6 降雨时长变化时的边坡安全系数-位移曲线（1#监测点）位移/m安全系数FS0.00.20.40.60.81.01.2R=30 mm/hR=20 mm/hR=10 mm/h1.01.11.21.31.4安全系数FS位移/m图7 降雨入渗强度变化时的边坡安全系数-位移曲线（1#监测点）19总653期2023年第23期（8月 中）通透性，不阻沙、不积雪，同时最好有一定的视线诱导和防撞功能。其他隔离如绿化带、城市京式隔离栏、隔离墩等相比之下不适用于沙漠路段，根据其他类似工程项目建设经验（图 1为银百高速宁夏境某路段），沙漠地区设置波形梁护栏存在阻风积沙现象，后期清理工作繁琐，尤其乌玛高速此路段位于腾格里沙漠腹地，每年春季风沙大，已通车整体式路基部分路段已出现风积沙上路现象，给日常养护工作带来不便。乌玛高速此路段沿线自然景观优美，从美观性、通透性方面考虑，缆索护栏更加绿色环保，且不会引起积沙，相比之下柔性缆索隔离栏更适用本工程路段。3.3 隔离设施设置位置乌玛高速沙漠分离式路基中央分隔带灯杆、标志立柱、监控测速设施等障碍物处已设置护栏防护，未设置护栏路段再无其他障碍物。本路段设置缆索隔离栏主要目的是阻止车辆违法掉头，起隔离作用，可不考虑其防撞能力，从节约资源、节省造价方面考虑，拟在宽中央分隔带中间设置一道缆索隔离栏。隔离设施通常设置于分离式路基行车方向左侧土路肩，若在两幅路基宽中央分隔带中间设置隔离设施，实际净区宽度为9.75 m计算净区9 m，净区宽度满足要求。因此，在左右幅分离式路基中间设置一道缆索隔离栏，既能节省造价，又能更好地与沿线优美自然景观融合，并且符合相关规范要求，契合本项目绿色环保沙漠公路设计理念。4 结束语本文以乌玛高速某段工程为例，对沙漠腹地高速公路分幅路基中分带宽度大于12m路段隔离设施设置进行了研究，通过对沿线自然环境、路线指标、交通量及交通事故等进行综合论证分析，认为此类路段可不设置中央分隔带护栏，但设置隔离设施是有必要的。波形梁护栏、混凝土护栏存在阻风积沙现象，为贯彻绿色生态公路设计理念，采用通透性好、景观效果强，并且具有一定防撞能力的缆索隔离栏作为本项目路段隔离设施。本项目践行了绿色低碳生态环保的公路安全设施精细化设计理念，可为类似工程隔离设施的设置提供参考。参考文献：1 中交第一公路勘察设计研究院有限公司.公路路线设计规范：JTG D202017S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2017.2 北京中交华安科技有限公司.宁夏交投高速公路管理有限公司公路安全设施和交通秩序管理精细化提升（中卫事业部乌玛高速K350K374段）排查评估报告R.北京：北京中交华安科技有限公司，2022.3 交通运输部公路科学研究院.公路交通安全设施设计细则：JTG/T D812017S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2017.4 交通运输部公路科学研究院.公路交通安全设施设计规范：JTG D812017S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2017.图1 银百高速宁夏境某路段隔离设施设置情况（上接第19页）参考文献：1 沈守鸿.既有挡土墙加固加高设计与稳定性分析J.福建建筑，2019（5）：45-49.2 陈裔皓.黄土高边坡治理中的稳定性分析与措施研究以西安某小区边坡加固为例J.住宅与房地产，2019（33）：219-220.3 覃冬梅.强降水下高路堤边坡稳定性分析及加固设计J.西部交通科技，2020（9）：50-53.4 杜忠原，葛忻声，仝飞.不同降雨条件下高边坡的稳定性分析J.科学技术与工程，2021，21（30）：13039-13045.5 黄明奎，马璐.极端降雨对边坡土体强度的影响及其稳定性分析J.灾害学，2021，36（3）：6-9.6 余兵.降雨入渗条件下堤防边坡的稳定性分析J.安徽水利水电职业技术学院学报，2020，20（3）：10-13.7 次仁拉姆.不同降雨入渗条件下预应力锚索加固边坡稳定性分析J.矿冶工程，2020，40（4）：28-31，37.22