高速公路邊坡支護工程優(yōu)化設計研究

沈文鉆

摘要：文章結合某高速公路邊坡工程實例，通過大型剪切試驗獲取結構面參數(shù)，分析了公路邊坡支護優(yōu)化設計方案。通過現(xiàn)場大型剪切試驗結果可知，飽和條件下各試樣的抗剪強度參數(shù)均有所下降，相同試驗條件下試樣的殘余抗剪強度參數(shù)均低于峰值抗剪強度參數(shù)，針對已經(jīng)產(chǎn)生滑動破壞的邊坡支護設計時宜采用殘余抗剪強度參數(shù)。使用現(xiàn)場實測參數(shù)優(yōu)化后，可節(jié)約邊坡支護成本。

關鍵詞：剪切試驗;抗剪強度;邊坡支護;優(yōu)化設計

中圖分類號：U416.1⁺4文獻標識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.014

文章編號：1673-4874（2021）01-0051-03

0引言

邊坡穩(wěn)定性問題是影響工程建設的一個重要內(nèi)容。隨著國家基礎設施建設的快速發(fā)展，山區(qū)高速公路建設工程數(shù)量也在逐漸增多，高速公路開挖邊坡的穩(wěn)定性問題也越來越受到重視。據(jù)統(tǒng)計，順層邊坡開挖后更易出現(xiàn)破壞，該類型邊坡的支護工程設計更需要引起重視。目前，已有較多的專家、學者對順層邊坡的穩(wěn)定性問題進行了分析，采取的主要手段包括物理模擬、數(shù)值模擬、公式計算等[1-4]，影響順層邊坡穩(wěn)定性的主要因素包括巖體結構特征、地下水影響等[6-7]。結構面強度是控制巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的一個重要因素，準確獲取結構面參數(shù)，對邊坡穩(wěn)定性分析及支護結構設計具有重要影響[8-10]。本文結合某高速公路工程，通過現(xiàn)場大型剪切試驗獲取結構面參數(shù)，從而優(yōu)化公路邊坡支護工程，節(jié)省工程投資。

1工程概況

根據(jù)調(diào)查，某高速公路沿線出露的地層巖性主要包括長石砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖、砂礫巖等。該高速公路沿線巖層傾角較緩，一般在15°～25°之間，局部傾角>30°。該高速公路開挖后，形成順層邊坡，如何合理選取邊坡支護設計參數(shù)，在保證邊坡安全的同時降低支護措施的造價是研究的重點內(nèi)容。一般情況下，邊坡支護主要根據(jù)當?shù)亟?jīng)驗參數(shù)取值，但經(jīng)驗參數(shù)取值往往較小，不利于節(jié)省工程投資，因此獲取結構面抗剪強度參數(shù)作為邊坡支護參數(shù)是十分重要的。由于現(xiàn)場取樣原因，室內(nèi)試驗的巖樣體積小，且在取樣過程中強度較低的結構面會受到影響，造成試驗結果偏小。為了參數(shù)準確，采用現(xiàn)場大型剪切試驗獲取結構面抗剪強度。

2結構面剪切試驗

2.1試點選取

現(xiàn)場大型剪切試驗的試驗點選取需要具有足夠的代表性，同時，也需要具備試驗的可行性。根據(jù)設計文件，該高速公路開挖后臨空的巖性組合主要為砂巖、砂巖夾泥巖以及泥巖地層。因此，選取3個典型的試驗點，對砂巖、砂巖夾泥巖、泥巖3種地層進行天然、飽和狀態(tài)下的剪切試驗。

2.2應力確定

試驗加載的最大應力為順層邊坡受剪區(qū)域上部所受的巖體自重應力的1.2倍，同時需要綜合考慮巖體強度、應力和設備的測量精度，需要保證設計最大荷載和試樣不破壞。結合當?shù)毓こ探?jīng)驗，預先估計巖體的粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ值，初步估計試驗巖體的抗剪強度，從而合理制定剪切荷載加載方案。

2.3試驗方法

現(xiàn)場大型剪切試驗主要分為以下5步：

（1）首先需要在現(xiàn)場制備原位試樣，根據(jù)相關規(guī)范安裝試驗儀器，包括加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等。法向、剪切荷載合力作用點需通過剪切面中心（剪切縫或結構面厚度1/2處）。

（2）試樣法向荷載需要分級施加，4～5級最佳。根據(jù)正應力和巖體強度確定，當法向位移趨于穩(wěn)定后方可加載剪切荷載。施加剪切荷載的過程中，正應力應為常數(shù)。

（3）根據(jù)初步預估的剪切荷載，分8～10級施加。若剪切位移增量大于前一級位移增量的1.5倍時，應降低剪切荷載級差。剪切荷載分級施加根據(jù)時間控制，當不存在軟弱夾層時，一級剪切荷載加載5min 后，可加載下一級;當存在軟弱夾層時，應適當延長時間，以10～15min為宜。加載前后均需要讀取位移值，臨近剪切破壞時，應提高荷載、位移的讀取頻率，峰值讀數(shù)應不少于10組。

（4）當試樣剪切破壞后應當繼續(xù)施加剪切荷載至荷載穩(wěn)定，若剪切荷載無法趨于穩(wěn)定或者剪切位移突變時需要測量峰值剪切荷載。在逐漸減少剪切荷載至0的過程中，應當維持法向應力保持穩(wěn)定，測量回彈位移。

（5）試驗完成后，測量試驗剪切破壞面面積，描述破壞面情況包括擦痕方向、長度和分布情況等。

2.4現(xiàn)場大型剪切試驗結果分析

根據(jù)試驗結果，不同巖層組合試樣殘余強度為峰值強度的25%～78%。其中天然條件下，砂巖夾泥巖巖性組合的強度變化幅度最大，約為峰值強度的25%;飽和條件下，泥巖巖性組合的強度變化幅度最小，約為峰值強度的78%?，F(xiàn)場大型剪切試驗結果見表1。從表1中可知：

（1）不論是天然試樣還是飽和試樣，不同巖層的抗剪強度參數(shù)（包括峰值和殘余粘聚力、內(nèi)摩擦角、摩擦因素）滿足以下規(guī)律：砂巖>砂夾泥巖>泥巖。

（2）在相同的試驗條件下，所有巖層的抗剪強度參數(shù)均符合以下規(guī)律：殘余強度〈峰值強度。天然條件下，砂巖夾泥巖巖性組合的粘聚力c值變化幅度最大，殘余粘聚力約為峰值粘聚力的35%，由26.2kPa降為9.15kPa;飽和條件下，砂巖夾泥巖的粘聚力c值變化幅度最大，殘余粘聚力約為峰值粘聚力的36%，由21.2kPa降為5.45kPa。飽和條件下內(nèi)摩擦角φ值變化最大的是砂巖，殘余內(nèi)摩擦角約為峰值內(nèi)摩擦角的27%，由27.8°降為7.5°;天然狀態(tài)下內(nèi)摩擦角φ值變化最大的是砂巖夾泥巖，殘余內(nèi)摩擦角約為峰值內(nèi)摩擦角的44%，由27.6°降為12.3°。當由天然條件變?yōu)轱柡蜅l件時，各類型巖層組合的抗剪強度參數(shù)均有所下降。

3邊坡支護優(yōu)化設計

根據(jù)現(xiàn)場大型剪切試驗結果可知，在高速公路邊坡開挖支護的過程中應當充分考慮參數(shù)取值。針對未發(fā)生滑動變形的邊坡支護時可選取飽和條件下的峰值強度;當邊坡已經(jīng)產(chǎn)生滑動變形時，則采用飽和條件下的殘余強度參數(shù)。

從試驗結果還得知，巖土體的抗剪強度參數(shù)綜合內(nèi)摩擦角大于當?shù)氐慕?jīng)驗取值，而該高速公路開挖后形成的順層邊坡具備優(yōu)化設計的條件。根據(jù)對比，經(jīng)驗取值約為實測參數(shù)的40%～82%。若采用經(jīng)驗參數(shù)取值進行放坡，會導致邊坡放坡坡度較小，從而導致工程開挖方量過大，進而增加邊坡工程投資成本。因此，結合現(xiàn)場大型剪切試驗，獲取結構面的抗剪強度試驗參數(shù)作為邊坡支護的參數(shù)，可在一定程度上增大放坡坡度，減少邊坡開挖量，從而降低工程投資。

3.1優(yōu)化前邊坡支護設計

邊坡優(yōu)化設計前，順層邊坡的放坡坡率、坡面防護措施主要根據(jù)當?shù)氐慕?jīng)驗參數(shù)進行設計。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，高速公路邊坡總高為16.0m，按照當?shù)毓こ探?jīng)驗參數(shù)，主要采用兩級放坡，坡高為8.0m，中間預留寬為2.0m的平臺，放坡坡比為1：2.9，坡面采用土工網(wǎng)植生護坡。該方案土方開挖面較大，同時在支護結構上的作用力較大，支護結構尺寸巨大，工程投資大、占地面積大。結構面的參數(shù)取值對邊坡支護設計具有較大的影響（見圖1）。

3.2優(yōu)化后邊坡支護設計

根據(jù)現(xiàn)場大型剪切試驗結果可知，順層邊坡巖體結構面抗剪強度參數(shù)大于經(jīng)驗參數(shù)取值，砂巖內(nèi)摩擦角為28.0°，粘聚力為35.1kPa;砂巖夾泥巖內(nèi)摩擦角為27.6°，粘聚力為26.2kPa;泥巖內(nèi)摩擦角為15.9°，粘聚力為22.4kPa。因此，結合現(xiàn)場情況，可在一定程度上增大邊坡的放坡坡度，將坡率由當?shù)氐慕?jīng)驗參數(shù)值1：2.9優(yōu)化至1：1.5，同時配合錨桿措施。由于巖體結構的抗剪強度參數(shù)在一定程度上有所增大，經(jīng)過計算，在支護結構上的作用力也大幅降低。在公路沿線局部邊坡較高的區(qū)域設置擋土墻，減少開挖土方量，減少征地面積。經(jīng)初步計算，采取現(xiàn)場大型剪切試驗獲取的強度參數(shù)進行邊坡優(yōu)化支護后，土石方挖方量減少約10萬m³，工程投資降低數(shù)百萬元（見圖2）。

4結語

本文為了優(yōu)化邊坡支護結構設計，采用現(xiàn)場大型剪切試驗獲取不同巖層的抗剪強度參數(shù)，在飽和狀態(tài)下各巖層的抗剪強度參數(shù)均有所下降，但同當?shù)亟?jīng)驗參數(shù)相比，巖層的實際抗剪強度參數(shù)較大，邊坡支護結構具備優(yōu)化條件。通過對比優(yōu)化前后的支護措施，根據(jù)實際抗剪強度參數(shù)進行邊坡支護設計可降低工程投資，也可為當?shù)毓こ探ㄔO積累經(jīng)驗。

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