改扩建高速公路路堑边坡拓宽方案对比分析.pdf

改扩建高速公路路堑边坡拓宽方案对比分析 ① 林同立１， 何忠明２， 蔡 军２ （１．广西交通投资集团 桂海高速公路有限公司， 广西 南宁 ５３００００； ２．长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 ４１０００４） 摘 要 对广西柳南高速公路改扩建边坡工程的实际地质情况进行了调研分析，提出了台阶型截面开挖和抗滑桩＋锚索预加固开 挖两种边坡拓宽施工方案。 利用 ＦＬＡＣ３Ｄ软件对两种方案加固效果进行了数值模拟对比分析，并且综合工程其它因素提出了合理 的施工方案。 结果表明两种方案加固边坡后边坡安全系数和坡顶的竖向位移沉降都能满足规范要求，但采用抗滑桩＋锚索预加固 支护形式对边坡能起到更为明显的加固效果，且对边坡坡顶竖向位移沉降较小，对于周边环境复杂的边坡更为适合。 关键词 高速公路； 改扩建；边坡； 边坡稳定性； ＦＬＡＣ３Ｄ 中图分类号 ＴＵ４５７文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１４．０６．００５ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１４）０６－００１８－０４ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ Ｗｉｄｅｎｉｎｇ Ｓｃｈｅｍｅｓ ｉｎ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ ＬＩＮ Ｔｏｎｇ⁃ｌｉ１， ＨＥ Ｚｈｏｎｇ⁃ｍｉｎｇ２， ＣＡＩ Ｊｕｎ２ （１．Ｇｕｉｈａｉ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｇｕａｎｇｘｉ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｎａｎｎｉｎｇ ５３００００， Ｇｕａｎｇｘｉ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｔｒａｆｆｉｃ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０００４， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎ⁃ｓｉｔｕ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｃｔｕａｌ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ Ｇｕａｎｇｘｉ Ｌｉｕｚｈｏｕ⁃Ｎａｎｎｉｎｇ Ｈｉｇｈｗａｙ， ｔｗｏ ｓｃｈｅｍｅｓ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｗｉｄｅｎｉｎｇ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ， ｏｎｅ ｉｓ ｂｅｎｃｈｉｎｇ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｓｌｏｐｅ， ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｉｓ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ａｎｔｉ⁃ｓｌｉｄｅ ｐｉｌｅ ｐｌｕｓ ａｎｃｈｏｒ ｃａｂｌｅ ｐｒｅ⁃ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｗｏ ｓｃｈｅｍｅｓ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ＦＬＡＣ３Ｄ， ａ ｔｅｃｈｎｉｃａｌｌｙ ｓｏｕｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｗｉｔｈ ｍｏｒｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ． Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｗｏ ｓｃｈｅｍｅｓ ａｆｔｅｒ ｓｌｏｐｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｔ ｔｈｅ ｔｏｐ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ａｌｌ ｕｐ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ． Ｈｏｗｅｖｅｒ， ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｏｎｅ ｗｉｔｈ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｌｅｓｓ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｓ ｍｏｒｅ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｗｉｔｈ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｈｉｇｈｗａｙ； ｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ； ｓｌｏｐｅ； ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ； ＦＬＡＣ３Ｄ 随着我国交通运输事业的快速发展，人民生活水 平日益提升，道路的交通量也随之激增，原有的公路已 不能满足现有的道路交通量需要，各地区多数路段都 出现交通拥挤、事故频发的现象，对于道路建设的需求 日趋强烈。 由于新建公路投资大、耗时长、占用土地资 源多等原因，许多地区倾向于在原有高速公路的基础 上进行改扩建施工。 然而路基扩建势必会对原有已稳 定边坡造成一定的影响，在施工过程中也容易出现安 全事故并影响高速公路的运行。 在高速公路改扩建施 工过程中，首先需要提出高速公路改扩建边坡工程开 挖的合理方案［１－３］，然后在施工之前对拟定的施工方 案进行数值模拟和相关的综合评价对比分析［４－５］，最 终确定边坡拓宽方案。 对于改扩建高速公路边坡拓宽工程，现阶段已有 学者提出要以原有自然平和、遏制岩土强度衰减、充 分发挥原支护结构作用及边坡自稳能力为原则进行道 路改扩建［６－１０］。 本文利用 ＦＬＡＣ３Ｄ有限差分软件，结合强度折减法 对广西柳南高速公路 Ｋ１２５１＋０００～Ｋ１２５１＋１８０ 改扩建 工程边坡进行了数值模拟分析，分析拟定的道路改扩 建工程方案在开挖施工过程的安全稳定性，以此确定 最终的边坡拓宽方案，为工程实践提供参考。 １ 工程概况 广西柳南高速公路 Ｋ１２５１＋０００～Ｋ１２５１＋１８０ 改扩 建边坡工程，地表植被发育，主要以草灌为主，表层为 褐黄、灰黄色硬塑状坡残积粘土，厚度较大，下伏基岩 为风化泥岩、灰岩、白云质灰岩等，在边坡坡顶有一高 ①收稿日期 ２０１４－０６－１８ 作者简介 林同立（１９７２－），广西隆安人，政工师，主要从事道路工程管理工作。 第 ３４ 卷第 ６ 期 ２０１４ 年 １２ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３４ №６ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１４ 压电塔，周边环境较为复杂。 根据试验和已有资料确 定边坡物理力学参数如表 １ 所示。 表 １ 边坡岩体物理力学参数 岩土 类型 重度 ／ （ｋＮｍ －３ ） 泊松 比 变形模量 ／ ＧＰａ 粘聚力 ／ ｋＰａ 内摩擦角 ／ （） 抗拉强度 ／ ＭＰａ 含砾黏土１７０．３０．１３５１８０．０１ 中风化灰岩２４０．２８０．２８８２００．０３ 在现场实际调研该边坡的基础上，综合考虑多种因 素提出两种高速公路改扩建边坡拓宽方案［１０］。 方案 １ 对现有边坡进行多级放坡，放坡后采用锚索加固。 方案 ２ 为对边坡垂直开挖，采用抗滑桩＋锚索进行支护。 ２ 计算模型 根据工程实际情况建立边坡的计算模型。 现有边 坡高度为 ２４ ｍ，第一级坡率为 １．２５，以上一坡到顶，坡 率为 １．５。 边坡拓宽方案 １ 对边坡进行三级开挖，每一 级边坡开挖高度为 ８ ｍ，第一级坡率为 １，第二级坡率 为 １．２５，第三级坡率为 １．５，边坡开挖之后进行锚杆支 护，其中 １～２ 级边坡锚杆长 １５ ｍ，第 ３ 级边坡锚杆长 １２ ｍ，每级边坡用 ４ 根锚杆加固，锚杆间距为 ２ ｍ，倾 角均为 １５。 方案 ２ 在路基开挖处打入 １８ ｍ 长抗滑 桩，其中外露段为 １０ ｍ，嵌固段为 ８ ｍ，尺寸２ ｍ ３ ｍ， 中心间距 ５ ｍ，在抗滑桩桩身处同时采用长度为 ２０ ｍ 锚索共同加固边坡，加固完成后再进行拓宽范围内边 坡开挖，不改变现有的边坡坡面。 锚索和抗滑桩的计 算力学参数如表 ２ 所示。 模型比例尺寸如图 １～２ 所 示，模型下边界固定，侧向约束水平位移，上部为自由 边界，采用 Ｍｏｈｒ⁃Ｃｏｕｌｏｍｂ 准则描述土体。 表 ２ 抗滑桩和锚索计算参数 项目 弹性模量 ／ ＧＰａ 横截面积 ／ ｍ２ 泊松 比 重度 ／ （ｋＮｍ －３ ） 转孔直径 ／ ｍｍ 抗滑桩３６１．１３０．１６２７ 锚杆１００．０００５０．２５１１０ 锚索２００．０００５０．２５１３０ 图 １ 台阶型放坡截面开挖方案 图 ２ 抗滑桩预加固截面开挖设计 ３ 分析与讨论 ３．１ 边坡加固后稳定性对比分析 对于方案 １ 台阶型放坡，其数值模拟边坡支护的 步骤为计算边坡初始应力→边坡开挖→判断边坡稳 定性→边坡支护。 在未进行开挖时，边坡的安全系数 为 １．２５，边坡处于稳定状态，说明边坡岩体的物理力学 参数和边坡的计算模型比较符合实际工程情况。 对边 坡进行开挖，开挖后的边坡安全系数为 １．０８２，小于规 范中的边坡安全系数，需要对边坡进行支护。 对于方案 ２ 抗滑桩支护垂直开挖边坡，其数值模 拟边坡支护开挖的步骤为计算边坡初始应力→边坡 坡脚进行抗滑桩支护→锚索支护→判断边坡稳定性→ 边坡坡脚开挖→判断边坡开挖后稳定状态。 在未进行 开挖时，边坡的安全系数为 １．２５。 以上两种开挖方案，经过计算得知边坡开挖后的边 坡安全性系数分别为 １．２６ 和 １．２２，都大于规范允许值， 说明两种开挖方案在没有外部荷载作用下是稳定的。 对未进行边坡二次开挖的边坡剪切应变增量云图 （见图 ３）进行分析可知，剪切应变变形最大值出现在 坡脚附近，说明坡脚处比其他位置更容易失去稳定，在 实际情况中边坡失稳发生滑坡也是从坡脚开始，说明 数值模拟结果和实际结果较为一致。 图 ３ 未二次开挖时边坡的剪切应变增量云图 ９１第 ６ 期林同立等 改扩建高速公路路堑边坡拓宽方案对比分析 再分别对这两种边坡拓宽方案的剪切应变增量云 图进行分析，分析台阶型放坡（方案 １）剪切应变增量 云图（图 ４）可知，剪切应变增量的最大值出现在坡脚 处，一旦边坡受到强大外部荷载时，边坡极易发生工程 事故。 然而分析抗滑桩⁃锚索预加固（方案 ２）边坡剪 切应变增量云图（见图 ５）可知，剪切应变增量最大值 出现在抗滑桩附近，说明抗滑桩承担了大部分坡体下 滑力，只要对抗滑桩质量严格把控，确保抗滑桩不会发 生倾倒，折断等质量问题，即使边坡受到较大的外部荷 载，抗滑桩也能达到很好的支护效果。 图 ４ 台阶型放坡锚杆加固剪切应变增量云图 图 ５ 抗滑桩预加固剪切应变增量云图 综上所述，边坡开挖方案 １ 支护后的安全系数比 方案 ２ 略大，在不受外部荷载的情况下更为稳定。 但 路堑边坡难免会受到雨水的冲涮等一些外部因素的影 响，所以在选择扩宽方案时应该将这些因素考虑在内。 在边坡受到外部因素的影响情况下，方案 ２ 比方案 １ 更能起到良好的支护效果。 ３．２ 边坡坡顶的竖向位移沉降对比分析 边坡顶端有一高压塔线，所以在施工方案中应该 考虑边坡坡顶高压塔线处的竖向位移沉降。 对于方案 １ 先对边坡放坡后进行锚杆支护，边坡开挖锚杆加固 后坡顶处的高压塔线的竖向位移最大沉降为 ３３．９ ｍｍ，如图 ６ 所示。 并且此时的高压塔线距离边坡坡面 只有 １３ ｍ，所以采用台阶式放坡存在一定的安全 隐患。 图 ６ 方案 １ 高压塔线处的竖向沉降位移 对于方案 ２ 而言，先对边坡进行抗滑桩＋锚索预 加固坡顶的竖向位移沉降为 ８．２ ｍｍ。 对预加固后的 边坡进行开挖，边坡开挖过程中坡顶的竖向位移沉降 为 １１．２４ ｍｍ，边坡坡顶最终竖向沉降位移为 １９．４２ ｍｍ，如图 ７ 所示。 在边坡拓宽过程中并未对原先的边 坡坡面产生影响，不改变原来的自然景观。 图 ７ 方案 ２ 高压塔线处的竖向沉降位移 综上所述，方案 １ 中边坡坡顶的位移沉降比方案 ２ 多沉降了 ３０ ｍｍ，此外方案 １ 拓宽方案中高压塔线 距离边坡坡面只有 １３ ｍ，较易发生安全事故。 在沉降 时间方面，方案 ２ 在短时间内坡顶就达到最大位移沉 降，而方案 １ 中边坡坡顶需要长时间才能达到最大位 移沉降。 所以在边坡坡顶的竖向位移沉降对比分析 中，综合各方面的因素，方案 ２ 更可取。 ３．３ 其他因素对比分析 对于改扩建边坡拓宽工程来说，不仅要考虑工程 施工过程的施工安全问题，还需考虑工程的费用、工 期、行车安全、自然景观生态环境等。 其他因素对比分 ０２矿 冶 工 程第 ３４ 卷 析如表 ３ 所示。 表 ３ 边坡拓宽方案对比分析 评价因素方案 １方案 ２ 工程费用５０９ 万元６６０ 万元 工期１６０ 天，单向封闭车流 １２０ 天，其中单向封闭车流 ４０ 天，封闭一车道 ８０ 天 施工安全 高空作业及直接拆除锚 索、挡土墙、高压电等的施 工风险较大 作业空间主要限于边坡下 部，可控制性较好 行车安全 石方高空坠落难以控制， 对现有道路交通存在较大 安全隐患 作业面小，限于边坡下部， 对行车安全与交能管制相 对较易于控制 征地拆迁 环境保护 需增加征地，对生态及景 观破坏大 不需补征地拆迁，对生态 破坏小 从表 ３ 可知，虽然方案 １ 所需的工程费用比方案 ２ 少 １５１ 万元，但是方案 ２ 的施工工期比方案 １ 短 ４０ ｄ， 在施工安全、行车安全与环境保护等方面，方案 ２ 都比 方案 １ 更可取。 所以，该工程项目在工程费用允许的 情况下，应该选择方案 ２。 ４ 结 论 １） 在高速公路改扩建边坡工程施工选择边坡拓 宽方案过程中，应确保边坡的稳定性，对于该工程项目 而言，该工程最后采取的抗滑桩＋锚索预加固方式，在 边坡整体稳定性、边坡扰动、坡顶竖向位移沉降等方面 对边坡都是有利的，且坡顶竖向位移沉降能够在短时 间内稳定。 ２） 在边坡稳定的前提下，应综合考虑边坡在施工 过程中的施工工期、行车安全、环境保护等方面，全方 位选取最为合理的施工方案。 本边坡采取抗滑桩＋锚 索预加固边坡开挖方案是合理可靠的，对类似的工程 项目具有一定的借鉴意义。 参考文献 ［１］ 刘事莲． 广东省高速公路改扩建工程软基处治关键问题分析及对 策［Ｊ］． 公路，２０１２（２）５６－６２． ［２］ 雷春鸣． 湖南省高速公路改扩建工程初探［Ｊ］． 公路与汽运，２０１３ （１）２１１－２１３． ［３］ 高 涛． 高速公路改扩建工程旧路状况评价及处治对策研究［Ｊ］． 公路工程， ２０１０（３）１４－１８． ［４］ 陈育民． ＦＬＡＣ／ ＦＬＡＣ３Ｄ基础与工程实例［Ｍ］． 北京中国水利水 电出版社，２０１３． ［５］ 彭文斌． ＦＬＡＣ３Ｄ实用教程［Ｍ］． 北京机械工业出版社，２０１３． 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