山區(qū)公路巖質(zhì)深路塹邊坡設(shè)計(jì)探討

□文/柏正云 代茂華

山區(qū)公路中巖質(zhì)深路塹邊坡較多，其穩(wěn)定性至關(guān)重要，是設(shè)計(jì)中的重難點(diǎn)。每一個深路塹邊坡都需要進(jìn)行工點(diǎn)設(shè)計(jì)，由于地質(zhì)的復(fù)雜性和計(jì)算方法的有限性，在設(shè)計(jì)過程中需要綜合應(yīng)用多種分析計(jì)算方法。本文以G350線倉山—中江段公路改建工程項(xiàng)目為背景，對山區(qū)公路巖質(zhì)深路塹邊坡的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 工程概況

項(xiàng)目位于四川省德陽市中江縣，路線大體為南北走向，南起中江、大英縣界勝利橋，北止于中江大道，全長66.032km，主線為一級公路。K0+000～K47+000段設(shè)計(jì)速度60 km/h，路基寬23 m；K47+000～K66+032.188段設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬30 m。

全線共40 處深路塹邊坡，本文以其中一處典型的深路塹邊坡為例進(jìn)行探討。見圖1。

圖1 深路塹邊坡設(shè)計(jì)斷面

初步擬定一級邊坡10 m，坡率1∶0.75；二級邊坡10 m，坡率 1∶0.75；三級邊坡10 m，坡率 1∶0.75；四級邊坡9.55 m，坡率1∶1；邊坡平臺寬度為2.0 m。

2 地質(zhì)條件

該段深路塹高約42.5 m，根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探和區(qū)域地質(zhì)資料，場地揭示地層：

1）素填土，主要分布于破體表面，黃褐色，濕，松散，以黏性土為主，含鐵質(zhì)、砂團(tuán)、卵礫石、碎石塊等，呈欠壓實(shí)狀態(tài)，為新近堆積填土，厚度約0.4 m；

2）黏土，褐紅色，可塑，主要由黏粒組成，夾碎巖塊、碎石屑，含鐵錳質(zhì)礦物，干強(qiáng)度中等、韌性中等，厚度為1～1.3 m；

3）強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，褐紅色，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)較軟，錘擊易碎，巖芯破碎呈碎塊狀，層位和層厚變化較大，厚度為0.7～2.7 m；

4）中風(fēng)化粉砂巖，褐紅色，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)較軟，錘擊不易碎，巖芯較完整呈短柱或長柱狀，層位較深，連續(xù)性較好，層厚變化較大，未揭穿，最大揭示厚度為19.2 m；

5）中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，褐紅色，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)較軟，錘擊不易碎，巖芯較完整呈短柱或長柱狀，以透鏡體的形式存在，厚度為6.2～8 m。

場地分布的地下水主要為上層滯水、基巖裂隙水。

1）松散土層上層滯水分布較廣，對路基有較大的影響，主要分布于表層土體中，受大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)、徑流方式排泄，具有補(bǔ)給快、表層易形成飽水帶的特點(diǎn)，對工程特性影響較大。

2）基巖裂隙水主要為大氣降雨入滲及上覆含水層補(bǔ)給，主要賦存于巖石強(qiáng)、中等風(fēng)化帶張開型節(jié)理、裂隙中；中等風(fēng)化帶的導(dǎo)水性和富水性主要受構(gòu)造裂隙控制，具有各向異性；強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)風(fēng)化裂隙較密集，裂隙貫通性較好，可以為地下水的富集提供良好空間，因此強(qiáng)風(fēng)化帶在巖體較破碎的情況下，地下水量較豐富，透水性等較好，常形成局部富水段，對路塹邊坡工程有一定影響?？傮w上，基巖裂隙水發(fā)育具有非均一性。

3 破壞模式及計(jì)算方法

在巖質(zhì)邊坡中，巖體的失穩(wěn)與破壞主要受巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的控制，它們之間的空間分布位置、組合關(guān)系和結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)性質(zhì)等，對邊坡的穩(wěn)定都起著至關(guān)重要的作用［2］。一般來說，破壞模式有三種，平面破壞、楔體破壞、傾倒破壞；可采用赤平投影法來進(jìn)行初步的定性判斷，平面破壞和傾倒破壞可以采用不平衡推理法進(jìn)行定量計(jì)算，而楔體破壞的定量計(jì)算雖然也有三維楔形體分析法，但是其計(jì)算參數(shù)較難獲取且由于結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜性和變異性較大，計(jì)算結(jié)果往往差別很大[2]。

邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法應(yīng)根據(jù)邊坡類型和可能的破壞形式，按下列原則確定[1]：

1）規(guī)模較大的碎裂結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡宜采用簡化Bishop法計(jì)算；

2）對可能產(chǎn)生直線形破壞的邊坡宜采用平面滑動面解析法進(jìn)行計(jì)算；

3）對可能產(chǎn)生折線形破壞的邊坡宜采用不平衡推力法計(jì)算；

4）對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的巖質(zhì)邊坡，可配合采用赤平投影法和實(shí)體比例投影法分析及楔形滑動面法進(jìn)行計(jì)算；

5）當(dāng)邊坡破壞機(jī)制復(fù)雜時，宜結(jié)合數(shù)值分析法進(jìn)行分析。

該邊坡表層坡度較陡，覆蓋層為黏土及強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖且厚度較薄，此二元結(jié)構(gòu)層安全性隱患較大，可采用簡化Bishop法進(jìn)行安全系數(shù)的計(jì)算；下部的中風(fēng)化層為完整的巖層，結(jié)構(gòu)面較為復(fù)雜，可能沿薄弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑動，也可能存在楔形體滑動面，定量計(jì)算不再適用，可采用赤平投影法分析，其中強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖和中風(fēng)化粉砂巖結(jié)構(gòu)面及中風(fēng)化粉砂與中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖結(jié)構(gòu)面容易形成直線或折線形滑動面，可采用不平衡推力法進(jìn)行安全系數(shù)的計(jì)算。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

采用赤平投影法對本段深路塹邊坡進(jìn)行定性分析。

區(qū)內(nèi)巖層產(chǎn)狀55°∠4°。主要發(fā)育兩組節(jié)理裂隙，節(jié)理1為91°∠88°，節(jié)理2為190°∠84°。裂隙一般發(fā)育，呈閉合-微張，無充填或少許泥質(zhì)充填，無充水，結(jié)合一般。人工開挖道路右側(cè)巖質(zhì)邊坡坡向?yàn)?26°。根據(jù)結(jié)構(gòu)面及邊坡走向，作極射赤平投影，見圖2。

圖2 極射赤平投影

巖層與邊坡走向小角度相交，為緩傾逆向坡，屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，對邊坡穩(wěn)定性無不利影響；巖層與節(jié)理1、節(jié)理2的組合交線均位于邊坡對側(cè)，說明組合交線的傾向于邊坡傾向相反，屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，對邊坡穩(wěn)定性無不利影響。節(jié)理1、節(jié)理2 同開挖邊坡面大角度相交，屬于較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，對邊坡穩(wěn)定性影響較小；節(jié)理1 與節(jié)理2 組合交線位于開挖邊坡的同側(cè)，但在邊坡投影弧內(nèi)側(cè)，說明結(jié)構(gòu)面組合交線的傾角大于邊坡傾角及開挖傾角，屬于較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，對邊坡穩(wěn)定性影響較小。

邊坡基巖主要為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，巖層屬于層狀平疊結(jié)構(gòu)，產(chǎn)狀接近水平，巖體多呈互層和層間錯動帶，常為貫穿性軟弱結(jié)構(gòu)面。根據(jù)赤平投影分析結(jié)果易產(chǎn)生平面破壞及楔形破壞。

5 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

邊坡穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)考慮天然狀態(tài)、連降暴雨作用及地震作用[2]。由于該區(qū)域地震設(shè)防烈度為6 度，故只需考慮兩種工況：工況一自重，工況二自重+暴雨。

自重是邊坡體受到的重力，地下水位以上按天然重度計(jì)算，地下水位以下取飽和重度計(jì)算；暴雨對邊坡的作用表現(xiàn)為經(jīng)入滲或徑流改變地下水位以及地下水位以上邊坡體和潛在滑動面的含水量，從而改變邊坡體自重、動水壓力和浮托力等荷載以及邊坡體和潛在滑動面抗剪強(qiáng)度參數(shù)，進(jìn)而影響邊坡體的穩(wěn)定性。

邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的參數(shù)包括坡體土層重度、黏聚力和內(nèi)摩擦角。在天然狀態(tài)時（工況一），地下水位在潛在滑動面以下，自重計(jì)算取天然重度，抗滑力計(jì)算取天然黏聚力和內(nèi)摩擦角；連降暴雨時（工況二），整個邊坡體因降雨入滲而處于飽和狀態(tài)，自重計(jì)算取飽和重度，抗滑力計(jì)算取飽和黏聚力和內(nèi)摩擦角。根據(jù)工作區(qū)巖土體物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)指標(biāo)及經(jīng)驗(yàn)值取值，見表1。

表1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算巖土體參數(shù)

本次邊坡穩(wěn)定性計(jì)算采用理正邊坡穩(wěn)定分析軟件，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行條塊劃分和潛在滑動面搜索。在天然狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)＞1.2；連續(xù)暴雨時邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)＞1.1，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)這一判定原則，對邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。

5.1 覆蓋層

采用簡化BISHOP 法對覆蓋層進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。工況一的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為0.75＜1.2，工況二的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為0.65＜1.1；均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

5.2 可能產(chǎn)生滑動的結(jié)構(gòu)面

采用不平衡推力法對可能產(chǎn)生滑動的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

1）滑動面1：強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖與中風(fēng)化粉砂巖結(jié)構(gòu)面。工況一的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為0.88＜1.2；工況二的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.001＜1.1；均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2）滑動面2：中風(fēng)化粉砂與中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖結(jié)構(gòu)面。工況一的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為10＞1.2；工況二的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為8.9＞1.1；均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6 設(shè)計(jì)處治措施

根據(jù)以上邊坡穩(wěn)定性分析及計(jì)算結(jié)果并結(jié)合當(dāng)?shù)仡愃乒こ痰恼{(diào)查，該深路塹邊坡初步擬定的坡形、坡率及平臺寬度基本合理。邊坡覆蓋層有滑塌的風(fēng)險(xiǎn)，強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖與中風(fēng)化粉砂巖結(jié)構(gòu)面易形成滑裂面且存在楔形破壞的可能，尚無法進(jìn)行定量的計(jì)算，故總體上處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需進(jìn)行加固處理。楔形體滑動面很難界定，錨桿加固能有效的預(yù)防楔形體的滑動，通過對當(dāng)?shù)氐囊呀ü讽?xiàng)目的調(diào)查，40 m以上邊坡大都采用了錨桿框架梁進(jìn)行加固，故本工程對深路塹邊坡的一、二、三、四級邊坡均采用錨桿框架梁加固。

框架梁采用C30 鋼筋混凝土現(xiàn)澆，為矩形框架，截面寬度30 cm，嵌入邊坡設(shè)計(jì)坡面內(nèi)20 cm。一級坡設(shè)置3 排8 m 全長黏結(jié)型錨桿固腳，二、三級坡設(shè)置3排10 m全長黏結(jié)型錨桿強(qiáng)腰，四級邊坡采用框架梁鎖口。錨桿水平間距3 m，入射角度為20°，鉆孔直徑90 mm，采用?32 mmHRB400 鋼筋，設(shè)計(jì)拉力 144 kN。另由于地下水位于一、二級坡處，故考慮在坡腳處設(shè)置一排仰斜式排水孔，降低地下水位，防止水在坡腳處飽和，產(chǎn)生坡腳小弧滑動面[3]。見圖3。

圖3 錨桿框架梁加固

對錨桿框架梁加固后的深路塹邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

6.1 覆蓋層

1）工況一的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.25＞1.2，工況二的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.14＞1.1；均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6.2 滑動面1

工況一的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.22＞1.2，工況二的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.12＞1.1；均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

7 結(jié)論

1）山區(qū)公路巖質(zhì)路塹邊坡破壞模式分為平面破壞、傾倒破壞及楔形破壞，其中楔形破壞難以定量計(jì)算，只能定性分析，采取加固措施，減小破壞風(fēng)險(xiǎn)。故山區(qū)公路巖質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性以定量分析為基礎(chǔ)，采用赤平投影法，以定量計(jì)算為主要手段，根據(jù)滑動面的形狀：圓弧滑動面采用簡化BISHOP法、直線或折線形滑動面采用不平衡推力法。

2）巖質(zhì)深路塹穩(wěn)定性需要綜合考慮多方面的因素：對土質(zhì)和強(qiáng)風(fēng)化巖層的覆蓋層進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，此二元結(jié)構(gòu)層安全隱患較大；對邊坡中存在的順坡向的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，此結(jié)構(gòu)面易形成滑裂面；通過赤平投影法分析是否存在楔形體滑動面，以便確定是否需要加強(qiáng)防護(hù)。

3）考慮到巖質(zhì)路塹邊坡結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜性，建議采用工程類比法，結(jié)合當(dāng)?shù)匾呀üこ探?jīng)驗(yàn)，采取合理的加固措施。