高速公路順層邊坡設計方案探討

高仁和 龐起燕

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

高速公路順層邊坡設計方案探討

高仁和 龐起燕

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

論述了順層邊坡的一般設計方法，并對某高速公路順層巖石高邊坡進行了實例分析，從變形機理、邊坡的穩(wěn)定性以及設計對策等方面入手，分析了順層巖石高邊坡失穩(wěn)破壞的控制因素，提出了合適的邊坡設計方案，以促進對此類問題的深入研究。

順層路塹，變形機制，穩(wěn)定性，設計對策

0 引言

山區(qū)地形復雜，高速公路設計時難免要出現(xiàn)大開挖，形成高邊坡。當線位所經(jīng)過的區(qū)域地質(zhì)構造運動劇烈，工程地質(zhì)條件不佳時，輔以暴雨工況，易出現(xiàn)變形和失穩(wěn)等不良災害，嚴重影響建設者和使用者的安全，尤其是遇到順層路塹高邊坡時，沿軟弱結構面的滑移失穩(wěn)更是常見的邊坡病害，因此順層路塹高邊坡的治理方案往往更需要重視。本文以某典型順層路塹為例，從地質(zhì)概念模型出發(fā)，分析其變形和失穩(wěn)產(chǎn)生的機制，針對破壞產(chǎn)生的控制因素，提出了可行的治理方案，促進了對順層路塹設計治理認識的深入。

1 順層路塹邊坡設計方法

順層路塹邊坡設計，一般需開展如下工作：通過實地踏勘和工程地質(zhì)詳勘，獲得巖層的節(jié)理裂隙特征和產(chǎn)狀，并根據(jù)軟弱結構面的力學參數(shù)等地勘資料對路塹穩(wěn)定性進行驗算，依據(jù)驗算結果擬定支護方案，開展支擋和加固設計。

通過長期的大量研究和實際工程經(jīng)驗的總結，針對順層路塹邊坡的設計對策總結如下：

1)山區(qū)道路選線，需要充分考慮工程地質(zhì)條件的影響，盡量使巖層在高邊坡一側為反傾或者使巖層的走向與路線走向的交角盡可能的大，從初期避免出現(xiàn)順層邊坡。對于確實無法避繞的不良順層路段，在平面和縱斷面設計時，盡量降低挖方邊坡高度，達到降低切層深度的目的，如有必要可選擇路線改移，變路塹為路堤，與橋梁和擋墻方案進行比選，或者選擇隧道方案，避免深路塹開挖。

2)順層高邊坡工點，必須布置充足的勘察工作量以查明其工程地質(zhì)條件。主要包括巖體類型、層理及節(jié)理裂隙產(chǎn)狀，軟弱結構面位置、層間填充及膠結狀況，為分析邊坡類型及其潛在的破壞模式提供充分的地質(zhì)資料。

3)確定邊坡類型及其潛在的破壞模式，采取針對性的方法進行穩(wěn)定性計算，合理選擇防治措施。當巖層與路線走向垂直或者交角較大(一般大于40°)，且沒有被結構面相切形成不利臨空面時，可按一般挖方邊坡對待。當節(jié)理裂隙的組合產(chǎn)生了不利的楔形體時，應對楔形體的穩(wěn)定性進行分析。

當巖層與路線的走向基本相同或者交角較小時，若設計的邊坡傾角陡于巖層傾角，則有可能發(fā)生順層滑移或滑移拉裂。應綜合考慮巖層產(chǎn)狀、軟弱結構面性質(zhì)、施工爆破及水壓力等諸多條件的影響，可采用極限平衡法對穩(wěn)定性進行分析。安全系數(shù)不能滿足設計要求時，可采用錨桿邊開挖邊加固，或者采用加固樁、錨桿進行預先加固，再開挖。

對于巖層與路線走向一致或交角較小，層間填充及膠結不良，易發(fā)生順層滑坡的路段，若巖層傾角較大時(一般大于33.5°)，可采用放緩挖方邊坡的方法予以清方，若傾角在15°～33°之間時，放緩邊坡則有可能導致邊坡過高、占地太多，這時就需要采取抗滑樁、預應力錨索、擋土墻等支擋措施。

采用放緩邊坡清方時，可采用的穩(wěn)定性(滑移—彎曲)分析方法為彈性板或彈性梁理論。若放緩導致邊坡過長且?guī)r層為薄層結構或存在軟弱結構面時，應采取分級開挖、邊開挖邊支護的施工措施。

4)要加強截排水設計，避免地表雨水的滲入，將地表水迅速排走并盡量降低坡面的地下水位。對于遇水易軟化的巖質(zhì)邊坡，要盡量避免坡面的暴露，開挖后應及時防護甚至封閉；對于硬質(zhì)巖石邊坡，存在軟弱結構面時，也需要采取相應的措施，阻止結構面遇水軟化。當邊坡地下水位較高或坡面水滲出嚴重時，可在邊坡布設較長的排水平孔以及坡面滲水盲溝，以保持良好的水文條件。

2 工程實例

2.1 項目地質(zhì)條件

沿線為低殘丘地貌，地層自上至下有粉質(zhì)粘土(Qdl)、碎石土(Qdl)、強風化粉砂巖(T3x)、中風化粉砂巖(T3x)；地表水不發(fā)育，地下水主要為基巖風化裂隙水，地下水埋藏深；F6斷裂構造在K23+990通過，構造走向122°，傾向212°，傾角80°～85°，構造帶產(chǎn)物主要為碎裂巖及糜棱巖，其中糜棱巖具泥化，陡傾角裂隙極發(fā)育。

通過地表調(diào)查及鉆探揭露，三疊系小坪組(T3x)基巖部分地段強風化帶出露地表，巖性為粉砂巖，巖層產(chǎn)狀為147°∠22°，巖層的節(jié)理裂隙與路線邊坡的關系以順層為主，風化裂隙較少，裂隙大多為閉合～微張，以泥質(zhì)和鈣質(zhì)充填；發(fā)育的剪節(jié)理的主要產(chǎn)狀為185°∠63°，平均每米2條～3條，延伸長度為3 m～5 m，張開度小于1 mm。結構面與右側邊坡臨空面赤平極射投影圖見圖1。

2.2 邊坡變形機理分析

1)邊坡巖性為軟弱的殘坡積土和強風化巖體，組成邊坡的巖土體在開挖后，受卸荷、應力釋放、地表水滲入等因素的影響，粘聚力和內(nèi)摩擦角變小，特別是軟弱巖土層，未及時防護，在空氣中暴露時間過長 或遇水后，極易軟化，抗剪強度急劇下降。

2)邊坡范圍內(nèi)存在較軟弱結構面，強風化巖風化裂隙較發(fā)育，有些結構面延展性較強，結構面相互切割形成的楔形體與開挖邊坡的組合關系對巖體穩(wěn)定性影響較大；少量泥質(zhì)充填結構面在水的作用下，抗剪強度降低，也會導致巖體穩(wěn)定性降低。

3)線路以深路塹的形式通過，產(chǎn)生了較高的挖方邊坡，邊坡開挖后由于應力的釋放和重分布，造成了應力松弛區(qū)的形成，從而導致了邊坡穩(wěn)定性的降低。

2.3 邊坡穩(wěn)定性分析

K24+100～K24+290段高邊坡為低殘丘地貌，多處于山坡中上部，上覆坡積成因的粉質(zhì)粘土，厚度一般小于5 m，下伏基巖為三疊系小坪組粉砂巖。F6斷裂構造在K23+990通過，對右側邊坡影響大，該段挖方邊坡其他主要地質(zhì)問題：一是右側邊坡與巖層傾向為同向坡，二是基巖強風化帶存在風化雨淋和地表水沖刷掏蝕，局部產(chǎn)生剝落和坍塌問題，工程地質(zhì)條件一般。

結合赤平極射投影分析，右側邊坡在單一結構面與設計邊坡的組合情況下，巖層產(chǎn)狀147°∠22°與擬開挖邊坡傾向相同，結構面與設計邊坡呈48°斜交，且傾角小于邊坡坡角，前緣具臨空面，有滑移空間，為單組不利結構面；F6斷裂構造與擬開挖邊坡傾向相同，結構面與設計邊坡呈17°斜交，但傾角大于邊坡坡角，前緣無臨空面，無滑移空間；產(chǎn)狀為185°∠63°的裂隙與擬開挖邊坡傾向相同，結構面與設計邊坡呈10°相交，前緣具臨空面，有滑移空間，為單組不利結構面。

從結構面的組合情況分析：巖層與斷裂構造F6的組合交線OA，與擬開挖邊坡傾向相同，兩交線投影位于邊坡投影外側，前緣具臨空面，有滑移空間，結構面切割形成的楔體具沿交線產(chǎn)生滑動的可能性；巖層與產(chǎn)狀為185°∠63°的裂隙組合交線OB，與擬開挖邊坡傾向相反，呈反向坡，前緣無臨空面，無滑移空間，結構面切割形成的楔體較穩(wěn)定；斷裂構造F6與產(chǎn)狀為185°∠63°的裂隙的組合交線OC，與擬開挖邊坡傾向相同，兩交線投影位于邊坡投影內(nèi)側，前緣無臨空面，無滑移空間，結構面切割形成的楔體具沿交線產(chǎn)生滑動的可能性較小。

綜上所述，巖層與擬開挖邊坡傾向相同，結構面與設計邊坡呈小角度斜交，且傾角小于邊坡坡角，前緣具臨空面，有滑移空間，為單組不利結構面。從結構面的組合情況看，巖層與產(chǎn)狀為212°∠80°的裂隙組合交線OA，與擬開挖邊坡傾向相同，兩交線投影位于邊坡投影外側，前緣具臨空面，有滑移空間，結構面切割形成的楔體沿交線產(chǎn)生滑動的可能性大。

2.4 設計方案

2.4.1 邊坡開挖防護設計

1)一級邊坡，坡高8 m，坡率1∶0.75，采用錨桿格梁加固，錨桿長12 m，坡面采用客土噴播植草防護；

2)二級邊坡，坡高8 m，坡率1∶0.75，采用錨索格梁加固，錨索長24 m，錨固段長10 m，坡面采用客土噴播植草防護；

3)三級邊坡，坡高8 m，坡率1∶0.75，采用客土噴播植草防護，噴混植生厚度為5 cm；

4)四級邊坡，坡高8 m，坡率1∶0.75，采用錨索格梁加固，錨索長24 m，錨固段長10 m，坡面采用客土噴播植草防護；

5)五級邊坡，坡高8 m，坡率1∶1.00，采用人字形骨架植草防護；

6)六級邊坡，坡高5.5 m，坡率1∶1.00，采用三維網(wǎng)植草防護；

7)平臺寬度設置：第一、二、四、五級邊坡平臺寬度為2.0 m，第三級平臺寬4.0 m。

2.4.2 錨噴支護設計

1)預應力錨索。

a.采用普通拉力型預應力錨索，鉆孔直徑為150 mm，注漿采用M30的水泥砂漿。

b.錨索總長為24 m，錨固段長度為10 m，錨索設計拉力值為400 kN，超張拉力為440 kN。采用φ15.24 mm，強度為1 860 MPa的高強度、低松弛預應力鋼絞線制作，每孔錨索為4束。

2)砂漿錨桿。

a.錨桿體鉆孔直徑為100 mm，主筋采用Φ28的HRB335鋼筋，全長粘結型，注漿采用M30的水泥砂漿。

b.單根錨桿長度為12 m，設計抗拔力為100 kN。

3)框格梁。

a.錨桿框格梁的截面尺寸采用30 cm×30 cm，錨索框格梁截面尺寸為50 cm×50 cm，每片框格梁的橫梁長度6.0 m，間隔6 m設置一道伸縮縫。

b.框格梁均采用C25的水泥混凝土澆筑。

c.邊坡混凝土框格梁埋入深度見設計圖紙。

2.4.3 排水設計

1)每級邊坡均設置平臺截水溝，采用M7.5漿砌片石砌筑。

2)一級邊坡坡腳設置邊溝。

3)在第一級坡設兩排排水斜孔，長15 m，梅花狀布置，間距8 m，并根據(jù)現(xiàn)場開挖情況，確定是否在其他級邊坡增設排水斜孔。

3 結語

1)本段坡體主要由粉質(zhì)粘土、粉砂巖及其風化層組成，為粉質(zhì)粘土與粉砂巖的土石二元邊坡，土體物理力學參數(shù)較低，坡體較高，并考慮施工擾動等不利因素，因此設計中采用1∶0.75～1∶1.00的邊坡坡率，加寬第三級平臺卸載，并對坡體第一級邊坡采用錨桿加固，第二、四級邊坡采用錨索加固支護，以提高坡體安全系數(shù)的設計思路；

2)坡體開挖時，組成邊坡的巖土在應力釋放的情況下，其抗剪強度會降低，因此本設計是建立在從上至下分層開挖，及時實施分層防護的施工基礎上；

3)設計時采用“固腳、強腰、綠化”的主導設計理念；

4)未采取加固措施的路塹邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)加固處置后，邊坡的安全系數(shù)大于1.32，滿足了設計規(guī)范的要求。

[1] JTG D30—2004，公路路基設計規(guī)范[S].

[2] 交通部第二公路勘察設計院.公路設計手冊——路基[M].北京:人民交通出版社,2004.

[3] 肖國峰，馮光樂，陳從新，等.湯屯高速公路順層巖質(zhì)邊坡變形機制分析及治理對策研究[J].巖石力學與工程學報,2007,26(2)：67- 69.

[4] 胡新麗，唐輝明，陳建平.高速公路順層路塹邊坡優(yōu)化設計方法[J].地球科學:中國地質(zhì)大學學報，2001，24(4)：115-117.

Study on highway bedding slope design scheme

Gao Renhe Pang Qiyan

(CCCCFirstHighwayConsultantsCo.，Ltd,Xi’an710075,China)

The thesis discusses general bedding slope design methods, carries out example analysis of the high bedding slope, analyzes its instability control factors from aspects of deformation mechanism, bedding slope stability and design countermeasures, and finally puts forward appropriate slope design scheme, so as to promote its recognition.

bedding slope, deformation mechanism, stability, design countermeasures

1009-6825(2015)07-0139-03

2014-12-29

高仁和(1982- )，男，工程師； 龐起燕(1971- )，女，高級工程師

U416.14

A