淺談深路塹設(shè)計(jì)四步法

蔡先強(qiáng)

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

我國山區(qū)（包括丘陵和高原）面積約為663.6萬km2，占全國國土總面積的69.1%。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，越來越多的公路長龍?jiān)诔缟骄X間穿梭。在丘陵或山地修路經(jīng)常遇到的難題之一就是深路塹，深路塹一般指挖方邊坡高度超過30 m的石質(zhì)路塹，或者超過20 m的土質(zhì)（包括粗粒土和全風(fēng)化巖石）路塹[1]。深路塹挖方邊坡高度大，邊坡穩(wěn)定性難以保障，容易引起滑坡等病害。因此，應(yīng)對(duì)深路塹進(jìn)行專項(xiàng)工點(diǎn)勘察、專項(xiàng)工點(diǎn)設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)方案的針對(duì)性、準(zhǔn)確性。在總結(jié)公路前輩和相關(guān)技術(shù)專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際，提出深路塹設(shè)計(jì)四步法，以供參考。

1 工程概況

國道307線在呂梁境內(nèi)全長約188 km（K600+504—K788+502），途經(jīng)交城、文水、汾陽、離石、柳林五縣市。本項(xiàng)目為國道307線柳林縣城區(qū)段（張家灣隧道）公路改線工程，是對(duì)既有國道307里程為K758+197—K775+762的柳林縣城城區(qū)段進(jìn)行改線。項(xiàng)目路線起點(diǎn)位于柳林縣城以東鴉溝村，終點(diǎn)位于柳林縣薛村，路線全長18.199 km。鴉溝—邢家莊段采用設(shè)計(jì)速度60 km/h的一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度20 m（分離式路基寬度2×10.25 m），雙向四車道，路段長度為16.448 km，邢家莊—薛村段采用設(shè)計(jì)速度60 km/h的二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度12 m，路段長度為1.751 km。

項(xiàng)目區(qū)地處晉西邊陲，柳林縣境內(nèi)，區(qū)內(nèi)梁峁起伏，溝壑縱橫，為典型的黃土高原梁峁溝壑區(qū)。微地貌主要為中緩坡、陡坡、陡坎及黃土梁、峁等，以黃土梁為主，梁頂為塬峁?fàn)?，地形相?duì)較平緩，經(jīng)人工改造，現(xiàn)多為梯階式耕地，梁側(cè)及梁前沖溝發(fā)育，溝岸陡峻，以陡坡—陡坎為主。在此地形條件下，本項(xiàng)目深路塹段落較多在所難免，深路塹工點(diǎn)共有50余處，長度合計(jì)約為4 737 m，其中挖深集中在30～60 m，最大挖深為100 m，深路塹設(shè)計(jì)任務(wù)艱巨。

2 深路塹設(shè)計(jì)四步法

四步具體為：勘探定性、邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)、邊坡治理設(shè)計(jì)方案、監(jiān)測(cè)工程設(shè)計(jì)。而在實(shí)踐應(yīng)用過程中，深路塹設(shè)計(jì)面臨的問題錯(cuò)綜復(fù)雜，工程地質(zhì)千變?nèi)f化，設(shè)計(jì)方法仍有待于進(jìn)一步優(yōu)化。為使深路塹設(shè)計(jì)四步法闡述的更加形象，現(xiàn)結(jié)合項(xiàng)目上某工點(diǎn)（分離式路基左線ZK5+683—ZK5+740左側(cè)）實(shí)際做具體探討。

2.1 勘探定性

勘探資料是深路塹設(shè)計(jì)的基石，應(yīng)認(rèn)真收集區(qū)域內(nèi)地形、地貌、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、氣象等資料，合理分析并利用工程地質(zhì)勘察資料，選擇有代表性的土層物理、力學(xué)指標(biāo)作為方案設(shè)計(jì)的計(jì)算依據(jù)，由勘探資料可以對(duì)深路塹邊坡的地質(zhì)條件、邊坡類型及破壞類型等因素做深入分析。

該工點(diǎn)ZK5+683—ZK5+740左側(cè)為深路塹，全長57 m，最大坡高80.8 m，位于ZK5+700左100 m處，路塹邊坡由第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積（Q3eol）濕陷性黃土（低液限黏土）及中更新統(tǒng)沖洪積（Q2al+pl）黃土（低液限黏土）組成，其下為中更新統(tǒng)沖洪積（Q2al+pl）卵石。本路塹建設(shè)場地位于百葉溝東岸溝斜坡上，擬建場地范圍內(nèi)地表水不發(fā)育，其主要來源于大氣降水，排泄通暢，地下水埋藏較深，勘探揭露深度范圍內(nèi)未見地下水。勘察未發(fā)現(xiàn)有褶皺、斷層等地質(zhì)構(gòu)造存在，地質(zhì)構(gòu)造簡單。

各地層工程性能分析與評(píng)價(jià)如下：

a）Q3eol濕陷性黃土 該層在路塹范圍內(nèi)均有分布，揭露厚度為9.6 m，大孔隙及蟲穴發(fā)育，具垂直節(jié)理，呈堅(jiān)硬狀態(tài)，具中等壓塑性及Ⅲ級(jí)自重濕陷性，屬Ⅱ級(jí)普通土，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。

b）Q2al+pl黃土 該層在路塹范圍內(nèi)均有分布，揭露厚度為7.4～25.4 m，小孔較發(fā)育，具垂直節(jié)理，多呈硬塑狀態(tài)，無濕陷性，具中等壓塑性，屬Ⅱ級(jí)普通土，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。

c）Q2al+pl卵石 該層在路塹范圍內(nèi)均有分布，揭露厚度為2.6 m，稍濕，中密，屬Ⅲ級(jí)硬土，工程地質(zhì)性質(zhì)一般。

由以上勘探資料，不難得出此工點(diǎn)的邊坡類型屬于土質(zhì)邊坡，主要由堅(jiān)硬濕陷性黃土（低液限黏土）及硬塑黃土（低液限黏土）組成，邊坡整體上屬于雙層結(jié)構(gòu)。破壞模式為在大氣降水的沖蝕、潛蝕作用下，坡體易產(chǎn)生小范圍坍塌及滑塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，Q3eol濕陷性黃土亦易沿Q2al+pl黃土層面產(chǎn)生整體滑塌現(xiàn)象；而在施工條件下，由于開挖對(duì)土體的擾動(dòng)、破壞作用，會(huì)使得坡體穩(wěn)定性降低，亦有可能引發(fā)坍塌及滑塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。綜合評(píng)價(jià)，路塹邊坡穩(wěn)定性較差。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

2.2.1 綜述

邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是對(duì)高邊坡開挖后可能產(chǎn)生的病害性質(zhì)、規(guī)模、危害程度作出定性與定量的綜合分析，以此作為高邊坡治理設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。定性分析是綜合坡體巖性組成、風(fēng)化程度、巖土體強(qiáng)度、地下水等地質(zhì)特征進(jìn)行初步的穩(wěn)定性分析，提出邊坡穩(wěn)定性的主要控制因素，預(yù)測(cè)邊坡可能發(fā)生破壞形式、破壞強(qiáng)度。定量分析是在定性分析的基礎(chǔ)上，綜合分析現(xiàn)有各方面地質(zhì)資料，提出邊坡的強(qiáng)度指標(biāo)，采用Geo-slope、理正等相關(guān)計(jì)算軟件進(jìn)行滑動(dòng)面的搜索，確定邊坡的安全系數(shù)。合理的邊坡穩(wěn)定性分析應(yīng)遵循以定性分析為基礎(chǔ)，以定量計(jì)算為重要輔助手段進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的原則。

2.2.2 穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)方法

定性分析常用的方法有地質(zhì)分析法（歷史成因分析法）和工程地質(zhì)類比法，工程地質(zhì)類比法的實(shí)質(zhì)是把已有的自然邊坡或人工邊坡的設(shè)計(jì)研究經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到條件相似的新邊坡和人工邊坡的設(shè)計(jì)研究中去。這種方法需對(duì)已有邊坡進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查研究，全面分析工程地質(zhì)因素的相似性和差異性，同時(shí)還應(yīng)考慮工程的類別、等級(jí)及其對(duì)邊坡的特定要求等。

定量評(píng)價(jià)的方法有圖解分析法、極限平衡法、數(shù)值分析法、近代理論計(jì)算法等，其中極限平衡法在工程中應(yīng)用較為廣泛，該方法的關(guān)鍵在于對(duì)滑體的范圍和滑面的形態(tài)進(jìn)行分析，正確選用滑面計(jì)算參數(shù)，分析滑體的各種荷載?；谠撛淼姆椒ê芏?，如條分法、圓弧法、Bishop法、Janbu法、不平衡傳遞系數(shù)法等。極限平衡法比較直觀、簡單，對(duì)大多數(shù)邊坡的評(píng)價(jià)結(jié)果基本與實(shí)際相符。

2.2.3 項(xiàng)目工點(diǎn)評(píng)價(jià)情況

在對(duì)工點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定性分析之前，確定巖土層的設(shè)計(jì)參數(shù)是必做的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)于本工點(diǎn)主要通過以下兩方面來確定：一是試驗(yàn)法，室內(nèi)試驗(yàn)后，對(duì)試驗(yàn)的成果進(jìn)行綜合的整理分析和歸納，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 工點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果匯總表

另一方面是通過工程經(jīng)驗(yàn)類比做為參考，依據(jù)巖土條件和所處工程地質(zhì)環(huán)境，選擇附近相似地區(qū)或條件相似地區(qū)，應(yīng)用工程類比的方法選取邊坡的巖土體的參數(shù)值，本工點(diǎn)結(jié)合G307改線前的深挖段落，充分利用類比對(duì)象的相似性，定量類比以確定設(shè)計(jì)參數(shù)的取值。兩種方法確定的結(jié)果進(jìn)行綜合考慮，給定各地層的設(shè)計(jì)參數(shù)建議值，詳見表2。

表2 巖土層的設(shè)計(jì)參數(shù)建議值

本項(xiàng)目區(qū)域?yàn)榭拐鹪O(shè)防烈度Ⅵ度區(qū)，不再考慮地震作用，因此在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，采用正常工況和非正常工況I兩種工況計(jì)算，現(xiàn)將正常工況的計(jì)算過程做簡要介紹。

本次勘察利用理正巖土軟件對(duì)K5+700橫斷面左側(cè)邊坡建模搜索不穩(wěn)定面，進(jìn)行穩(wěn)定系數(shù)求解，采用簡化Bishop法進(jìn)行分析計(jì)算[2]。

簡化Bishop計(jì)算方法：

式中：Wi為第i土條重力；ai為第i土條底滑面的傾角；Qi為第 i土條垂直方向外力；Ki為系數(shù)，按式（2）計(jì)算。

式中：Wdi為第i土條地基部分的重力；Wdi為第i土條路堤部分的重力；bi為第i土條寬度；U為地基平均固結(jié)度；mai為系數(shù)，由式（3）計(jì)算。

按設(shè)計(jì)參數(shù)建議值計(jì)算，當(dāng)臺(tái)階高度為8 m，每個(gè)臺(tái)階設(shè)置2 m寬的平臺(tái)時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)1.369，大于1.20，滿足穩(wěn)定性要求。

2.3 邊坡治理設(shè)計(jì)方案

2.3.1 設(shè)計(jì)原則

綜合考慮深路塹治理的施工可行性、技術(shù)合理性、安全可靠性、造價(jià)合理性等諸多方面的因素及徹底根除地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，在治理過程中還應(yīng)遵循“減載、固腳、強(qiáng)腰、排水、綠化”的思路，具體要注意以下幾個(gè)設(shè)計(jì)原則。

a）工程措施緊密結(jié)合邊坡的工程地質(zhì)條件，尤其是傾向臨空面的不利結(jié)構(gòu)面及地層構(gòu)造、水的作用、風(fēng)化程度等影響因素。

b）穩(wěn)定性差的邊坡應(yīng)設(shè)置綜合支擋工程，并采用分層開挖、分層穩(wěn)定和坡腳預(yù)加固技術(shù)。

c）重點(diǎn)考慮工程防護(hù)與植物防護(hù)相結(jié)合的綜合措施，條件允許時(shí)盡量綠化種植，美化環(huán)境。

d）應(yīng)設(shè)置完善的邊坡地表和地下排水系統(tǒng)，及時(shí)引排地表水和地下水，以提高巖土的抗剪強(qiáng)度，增加坡體的穩(wěn)定性。

2.3.2 設(shè)計(jì)方案

本工點(diǎn)設(shè)計(jì)方案為：第1級(jí)坡率1∶0.5，邊坡設(shè)漿砌片石擋土墻防護(hù)；第2～10級(jí)坡率1∶0.75，第2級(jí)邊坡設(shè)錨桿框格梁防護(hù)；第3～10級(jí)邊坡坡腳設(shè)漿砌片石護(hù)腳墻，防止坡腳沖刷，坡面、臺(tái)面均采取種植紫穗槐防護(hù)；邊坡分級(jí)高度8 m，平臺(tái)寬度以4 m為主，平臺(tái)設(shè)置截水溝。

設(shè)計(jì)方案主要結(jié)合以下3個(gè)因素考慮：a）穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，基本確定邊坡高度、平臺(tái)、坡率等要素。b）考慮地質(zhì)條件，針對(duì)Q3eol濕陷性黃土有可能引起的不穩(wěn)定因素，比如坡體可能產(chǎn)生小范圍坍塌及滑塌、Q3eol濕陷性黃土亦易沿Q2al+pl黃土層面產(chǎn)生整體滑塌可能，設(shè)計(jì)方案增加了漿砌片石、錨桿框格梁防護(hù)。c）綜合考慮設(shè)計(jì)原則，在安全、經(jīng)濟(jì)、合理、環(huán)保上尋求平衡，比如第1級(jí)采用了漿砌片石擋土墻防護(hù)，坡率就不用再采用1∶0.75，1∶0.5則更為經(jīng)濟(jì)，還有在條件允許情況下，盡量綠化種植，美化環(huán)境，第3～10級(jí)采用種植紫穗槐防護(hù)。

2.4 監(jiān)測(cè)工程設(shè)計(jì)

高速公路、一級(jí)公路挖方高邊坡設(shè)計(jì)應(yīng)采用施工監(jiān)測(cè)、信息化動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，及時(shí)對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行校核、修改和補(bǔ)充。因?yàn)閹r土介質(zhì)的各向異性，特別是巖體具有規(guī)則或不規(guī)則的節(jié)理、裂隙、層理、結(jié)構(gòu)面等，使得高邊坡的破壞模式復(fù)雜多變，此外，高邊坡工程地質(zhì)勘察工作在有限的時(shí)間內(nèi)通過有限的工作量，很難做到非常詳實(shí)、可靠和全面，使得設(shè)計(jì)工作也很難保證與現(xiàn)場情況完全符合。

監(jiān)測(cè)要達(dá)到以下目的：驗(yàn)證、評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性；監(jiān)測(cè)邊坡的變形動(dòng)態(tài)，預(yù)測(cè)今后邊坡體的位移、變形的發(fā)展趨勢(shì)；在整個(gè)治理工程施工過程中進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，超前預(yù)報(bào)，確保施工安全；為治理邊坡提供科學(xué)依據(jù)，反饋設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：坡頂位移觀測(cè)，應(yīng)在每一典型邊坡段的支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置少于3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)網(wǎng)，觀測(cè)位移量、移動(dòng)速度和方向；錨桿拉力和預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測(cè)，應(yīng)選擇有代表性的錨桿(索)，測(cè)定錨桿(索)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力損失；非預(yù)應(yīng)力錨桿的應(yīng)力監(jiān)測(cè)根數(shù)不宜少于錨桿總數(shù)的5%，預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)力監(jiān)測(cè)根數(shù)不應(yīng)少于錨索總數(shù)的10%，且不應(yīng)少于3根；監(jiān)測(cè)方案可根據(jù)設(shè)計(jì)要求、邊坡穩(wěn)定性、周邊環(huán)境和施工進(jìn)程等因素確定。

3 結(jié)束語

邊坡穩(wěn)定性分析是深路塹設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一環(huán)，而穩(wěn)定性分析過程中相關(guān)指標(biāo)（室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)、現(xiàn)場試驗(yàn)指標(biāo)、相關(guān)經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)、反算指標(biāo)）的選取又是至關(guān)重要，選取不當(dāng)可能導(dǎo)致分析結(jié)果偏保守或風(fēng)險(xiǎn)增大，因此，如何使指標(biāo)的選取更為科學(xué)合理，值得進(jìn)一步探討研究。