公路軟質(zhì)巖邊坡坡率的適度原則

王瑞甫

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550001）

貴州山區(qū)公路軟質(zhì)巖邊坡主要為砂巖邊坡、泥頁巖邊坡、軟硬巖石互層邊坡以及由這幾種巖石邊坡風(fēng)化形成的土質(zhì)邊坡及強(qiáng)風(fēng)化層邊坡。通過對(duì)貴州境內(nèi)崇遵、玉凱、廈蓉高速公路的軟質(zhì)巖邊坡進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，軟巖邊坡在路基開挖施工過程中易產(chǎn)生坍塌、滑動(dòng)導(dǎo)致失穩(wěn)破壞。在公路工程施工中，由于山區(qū)地形復(fù)雜，如邊坡過緩，開挖暴露面積增大，會(huì)產(chǎn)生用地增多，土石方量大，工程投資增加的問題。但過陡的邊坡又會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性不足的問題，需要多次反復(fù)變更。因此，合理的坡率設(shè)計(jì)顯得十分必要。

1 軟質(zhì)巖邊坡巖體物理力學(xué)特征

（1）軟質(zhì)巖的水理性質(zhì)主要包括吸水性、滲水性、軟化性、膨脹性和崩解性。在南方多雨季節(jié)，由于地表水的下滲，砂巖、泥頁巖等軟質(zhì)巖邊坡遇水易軟化，其強(qiáng)度急劇降低；而膨脹性特征使得軟質(zhì)巖在浸水后體積變大并相應(yīng)地引起壓力增大；崩解性特征是軟質(zhì)巖在浸水之后發(fā)生解體的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生新的節(jié)理，使巖體破碎導(dǎo)致邊坡發(fā)生失穩(wěn)。

（2）軟質(zhì)巖邊坡覆蓋層、風(fēng)化層一般較厚，強(qiáng)度較低，膠結(jié)性差，坡體的強(qiáng)度都呈上軟下硬特征。

（3）易擾動(dòng)性也是軟質(zhì)巖的一個(gè)特征。主要表現(xiàn)在：由于巖質(zhì)軟弱、裂隙發(fā)育、吸水膨脹等特性，導(dǎo)致軟質(zhì)巖抵抗外界環(huán)境擾動(dòng)的能力極差，對(duì)卸荷松動(dòng)施工振動(dòng)、鄰近路段施工擾動(dòng)極為敏感。因此，軟質(zhì)巖路塹邊坡在開挖時(shí)，極易產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)面，使得巖體更為破碎，加劇邊坡失穩(wěn)。

（4）軟質(zhì)巖邊坡不良結(jié)構(gòu)面除受巖層層面控制外，還受節(jié)理面、裂隙面的控制。即使巖層傾向路基形成反傾或巖層傾向與路線呈大角度斜交，由于在邊坡開挖坡面上易形成貫通節(jié)理面，導(dǎo)致順貫通節(jié)理面滑動(dòng)等事故時(shí)有發(fā)生。

（5）軟質(zhì)巖邊坡的天然抗剪強(qiáng)度一般較低，在集中降雨作用下其強(qiáng)度急劇降低，以致邊坡失穩(wěn)，根據(jù)邊坡高度的不同帶來不同程度的破壞。

2 開挖路基的破壞機(jī)理

（1）邊坡在原始自然狀態(tài)下，一般處于平衡狀態(tài)，公路路塹通過對(duì)坡體進(jìn)行切腳，使邊坡臨空，改變了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，造成邊坡中上部拉應(yīng)力集中，使得坡體沿最不利薄弱面剪出。

（2）由于邊坡開挖后長期或在一定時(shí)期內(nèi)暴露于地表，在南方多雨季節(jié)施工，由于地表水浸泡坡體導(dǎo)致坡體的抗剪強(qiáng)度降低而引起邊坡失穩(wěn)以及地表水侵入坡體形成不良結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致邊坡滑動(dòng)。

（3）由于施工過程中的自然和人為因素影響，改變邊坡原有應(yīng)力狀態(tài)而失穩(wěn)。如開挖爆破、砍伐植被、未分級(jí)開挖分級(jí)防護(hù)、防護(hù)不及時(shí)等因素造成邊坡失穩(wěn)。

3 合適的邊坡坡比對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

軟質(zhì)巖邊坡均表現(xiàn)為上軟下硬，越靠近邊坡坡頂，邊坡巖體風(fēng)化越嚴(yán)重，單一放坡往往造成靠近路基的下級(jí)邊坡防護(hù)過當(dāng)，而靠近坡頂?shù)纳霞?jí)邊坡的防護(hù)欠安全。合理的邊坡坡率應(yīng)根據(jù)具體地質(zhì)資料的不同而分級(jí)進(jìn)行，即每級(jí)邊坡坡高應(yīng)盡量不要太高，邊坡分級(jí)處設(shè)置平臺(tái)，可以參照邊坡的穩(wěn)定性分析而具體確定坡比，最終形成的邊坡為上緩下陡［1－2］。

邊坡坡比與地形、地物、開挖高度、地質(zhì)情況等密切相關(guān)。在進(jìn)行路基橫斷面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先查明邊坡的地質(zhì)情況，采用多種手段進(jìn)行勘探，然后再結(jié)合地形地物條件研究放緩邊坡的可行性，結(jié)合地質(zhì)條件進(jìn)行整體穩(wěn)定及局部穩(wěn)定分析，確定合適的坡比及分級(jí)高度［3］。

從地質(zhì)情況看，至上而下邊坡地質(zhì)情況為上覆5～10粉質(zhì)粘土（或全風(fēng)化層），下伏三疊系飛仙關(guān)組泥質(zhì)砂巖、粉砂巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚8～13m，下為中風(fēng)化層。在邊坡坡率確定過程中，由于坡高超過30m，采用常規(guī)放坡難以滿足要求，故作為特殊高邊坡進(jìn)行了單獨(dú)設(shè)計(jì)。根據(jù)邊坡設(shè)計(jì)的基本原則，結(jié)合實(shí)際地形（坡頂為反坡）地質(zhì)及前后路段土石方平衡等因素，該邊坡未作支擋加固方案考慮，僅作直接放緩、坡面常規(guī)防護(hù)處理。

圖1為某高速公路上一典型軟質(zhì)巖邊坡橫斷面圖。

圖1 不同坡率下的路基斷面比較圖

斷面設(shè)計(jì)擬定了3個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比，首先設(shè)定每級(jí)坡高為8m、每級(jí)平臺(tái)寬2m為基本條件，僅在坡率上作調(diào)整分析。如圖1上給定的3個(gè)方案所示，該邊坡均為5級(jí)。方案①坡高為36.8m；方案②坡高為37.3m；方案③坡高為36.0m。3個(gè)方案邊坡開挖高度基本相當(dāng)，具有很好的比較價(jià)值。

建立邊坡穩(wěn)定性分析模型（不考慮地震作用），采用簡化Bishop法進(jìn)行分析，輸入各層巖土介質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)，按復(fù)雜土層邊坡穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行計(jì)算，邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)取1.25，計(jì)算各種坡率下邊坡開挖后的穩(wěn)定安全系數(shù)。計(jì)算圖示見圖2。

圖2 邊坡穩(wěn)定計(jì)算圖示

經(jīng)過計(jì)算，方案①邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為0.95，方案②為1.18；方案③為1.3。故坡率設(shè)計(jì)介于方案②和方案③之間，即第一、二級(jí)采用1∶0.75、第三級(jí)以上采用1∶1的坡率設(shè)計(jì)。但這里要注意的是次生滑動(dòng)面對(duì)高邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響。由于邊坡巖土介質(zhì)復(fù)雜，邊坡開挖同時(shí)穿過覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化層及中風(fēng)化層，在采用折線坡率的同時(shí)需兼顧巖土參數(shù)，故應(yīng)分析高邊坡半坡剪出的可能及多重滑面的穩(wěn)定安全系數(shù)問題。經(jīng)過綜合試算及局部分析，方案①及方案②沿著第二級(jí)至第三級(jí)下部滑動(dòng)的安全系數(shù)僅為0.88～0.97，故如采用該2個(gè)方案設(shè)計(jì)，必須進(jìn)行坡面錨固防護(hù)，而方案③的各類安全系數(shù)均大于1.2。

在分析計(jì)算中，采用比方案①更陡的坡率方案及比方案③更緩的方案進(jìn)行比較，顯而易見，在軟質(zhì)巖風(fēng)化層邊坡中，比方案①更陡的1∶0.3及1∶0.5坡率在各級(jí)自身穩(wěn)定安全系數(shù)均小于0.8，不可行；而緩于方案③的1∶1.25及1∶1.5的坡率組合放坡，安全系數(shù)均大于1.25，故造成工程浪費(fèi)。

4 建議

（1）查明地質(zhì)情況是邊坡治理的關(guān)鍵。山區(qū)地形地質(zhì)千變?nèi)f化，尤其是覆蓋層、風(fēng)化層厚度分布不均，巖土物理力學(xué)參數(shù)差別較大，故應(yīng)通過詳細(xì)勘察，查明基本地質(zhì)情況后，再根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)或工程類比等手段確定邊坡巖土介質(zhì)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，通過綜合分析計(jì)算為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）邊坡分析的整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定問題。對(duì)地質(zhì)條件簡單且高度不大的邊坡而言，一般只考慮邊坡整體穩(wěn)定，滑面也較單一，通過一次計(jì)算即可確定穩(wěn)定安全系數(shù)。但對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜或邊坡高度較大的邊坡，必須同時(shí)考慮邊坡的整體穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性的關(guān)系。從失穩(wěn)的邊坡中看，多數(shù)失穩(wěn)邊坡存在多重滑面，且剪出位置不固定，與加固方案有很大關(guān)系。

（3）軟質(zhì)巖高邊坡的施工應(yīng)嚴(yán)格按照逐級(jí)開挖、逐級(jí)防護(hù)的原則進(jìn)行，同時(shí)必須考慮到邊坡坡面綠化措施，使坡面防護(hù)與自然景觀相協(xié)調(diào)。

（4）軟質(zhì)巖邊坡的放坡坡比與適當(dāng)?shù)闹醴雷o(hù)相結(jié)合。路基規(guī)范［4］僅對(duì)小于30m的巖質(zhì)路塹邊坡坡率給出了建議值，針對(duì)高邊坡而言，挖方高度超過30m的軟質(zhì)巖邊坡，風(fēng)化層較厚，經(jīng)過計(jì)算后不能滿足穩(wěn)定性要求時(shí)，可考慮在路基開挖的邊緣設(shè)置支擋構(gòu)造物如抗滑樁、擋墻等進(jìn)行支擋；如邊坡存在半坡剪出的可能，在放緩邊坡清方減載不能實(shí)現(xiàn)的情況下，可考慮在邊坡中下部設(shè)置錨索進(jìn)行鎖腳固腰。但要注意支擋防護(hù)與清方減載應(yīng)進(jìn)行技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比較，兼顧安全、經(jīng)濟(jì)、合理的原則。

（5）邊坡開挖斷面的綜合確定原則。一般情況下，具備放坡條件的，要首選放緩邊坡進(jìn)行植草綠化，路容景觀效果較好；如受地物（如坡頂有建筑物等）及地形限制，不具備放坡條件，或存在棄方困難等因素，應(yīng)調(diào)整坡率，加強(qiáng)支擋錨固措施，并對(duì)各類方案中進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

（6）軟質(zhì)巖邊坡在路基開挖過程中，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行“自上而下、開挖一級(jí)防護(hù)一級(jí)”的原則，同時(shí)做好地表、地下排水措施。邊坡開挖過程中應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，如地質(zhì)條件有所變化應(yīng)立即停止施工，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，避免野蠻施工所帶來的工期損失、投資失控。

［1］GB50330－2002建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［2］蔣樹屏.巖土錨固技術(shù)研究與工程應(yīng)用［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［3］王智方.坡率法在高速公路路塹高邊坡設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.路基工程，2005（4）：61－63.

［4］JTG D30－2004公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2005.