路塹深挖路塹設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)和方法

羅秋福

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000）

我國(guó)南方丘陵地帶較多，在道路設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，道路工程難免會(huì)遇到深路塹邊坡開(kāi)挖及支護(hù)工程，而由于受南方雨水較多影響，深路塹邊坡工程安全穩(wěn)定性對(duì)道路工程運(yùn)營(yíng)安全具有關(guān)鍵作用，一旦處理不當(dāng)極易引起邊坡滑坡隱患。本文根據(jù)深挖路塹邊坡在不同地質(zhì)條件下采用多種方法，合理選用邊坡坡率，確保邊坡穩(wěn)定，保證道路的運(yùn)營(yíng)安全。

1 公路邊坡分類和變形類型

公路邊坡的分類：根據(jù)填挖分為路堤邊坡（填方）和路塹邊坡（挖方），同時(shí)現(xiàn)行的《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）規(guī)定：①對(duì)土質(zhì)挖方高度超過(guò)20m、巖質(zhì)挖方超過(guò)30m邊坡稱為深路塹（路塹高邊坡）；②填方邊坡高度超過(guò)20m 的路堤稱為高路堤。

同時(shí)按照邊坡巖土構(gòu)成分為土質(zhì)邊坡、巖質(zhì)邊坡及二元結(jié)構(gòu)邊坡，按巖體地質(zhì)構(gòu)造分為均質(zhì)或類均質(zhì)土結(jié)構(gòu)邊坡、近水平層狀結(jié)構(gòu)邊坡、順傾層狀結(jié)構(gòu)邊坡、反傾層狀結(jié)構(gòu)邊坡、破碎狀結(jié)構(gòu)邊坡及塊狀結(jié)構(gòu)邊坡。按照變形深度分為坡面變形（深1m～2m）、邊坡變形（深＜10m，變形在邊坡范圍內(nèi)）及坡體變形（深≥10m，變形超越邊坡范圍）。按照變形范圍分為局部變形、整體變形。按變形性質(zhì)分為坡面沖刷、風(fēng)化剝落、表層溜塌、危巖、落石、滑坡及傾倒。

2 路塹邊坡的穩(wěn)定性影響因素

路塹邊坡的穩(wěn)定性影響因素：巖土體性質(zhì)、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、氣候水文、地震、工程活動(dòng)等。

2.1 巖土體性質(zhì)

①土質(zhì)或類土質(zhì)由于力學(xué)性質(zhì)低，易發(fā)生坡體病害；②巖體完整程度差（風(fēng)化嚴(yán)重或裂隙、節(jié)理、斷層發(fā)育）的巖體邊坡，易發(fā)生坡體病害；③巖體完整程度好（石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖、石英巖等整體的硬質(zhì)巖）的巖體，強(qiáng)度高且坡體病害少。

2.2 地形地貌

坡體的地形地貌是坡體自身的巖土體綜合性質(zhì)對(duì)外界的直觀反映，對(duì)坡體的工程性質(zhì)具有良好的借鑒作用。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

指構(gòu)成坡體的不同巖層及構(gòu)造結(jié)構(gòu)面（包括接觸分界面）的產(chǎn)狀、性質(zhì)、含水狀況，在邊坡上的分布位置及其與開(kāi)挖面之間的關(guān)系。它控制了邊坡可能發(fā)生變形的類型、位置和規(guī)模（詳見(jiàn)表1）。

表1 不同坡體結(jié)構(gòu)類型特征表

2.4 氣候水文

水的影響：主要地表水、地下水動(dòng)態(tài)變化，一是形成動(dòng)水壓力或靜水壓力等對(duì)坡體穩(wěn)定性有著直接影響；二是巖土體飽水狀態(tài)下，抗剪強(qiáng)度降低，降低邊坡穩(wěn)定性?！爸纹孪戎嗡笔沁吰轮卫淼氖走x，一般來(lái)說(shuō)，由于北方降雨量較小，坡體有較長(zhǎng)的時(shí)間保持穩(wěn)定，但邊坡對(duì)降水相對(duì)敏感。由于長(zhǎng)期的能量蓄積，往往會(huì)出現(xiàn)比南方多雨地區(qū)規(guī)模更大的坡體變形。

風(fēng)化：南方地區(qū)的坡體的風(fēng)化程度明顯較北方厚。如廣東地區(qū)風(fēng)化花崗巖深度大多為40m～50m，甚至超過(guò)100m，山體形態(tài)比較渾圓，多產(chǎn)生邊坡沖刷、坡體滑塌。青海、甘肅等地區(qū)的花崗巖，則往往突兀峰林，多崩塌形成危巖。

2.5 地震

地震的豎向和水平向地震，這種額外附加力會(huì)在短時(shí)間內(nèi)急劇降低坡體的穩(wěn)定性，造成坡體巖土體結(jié)構(gòu)的損傷，形成超孔隙水壓力，這是造成坡體發(fā)生病害的直接原因。

2.6 人類活動(dòng)

坡體的開(kāi)挖、加載，造成坡體形態(tài)的改變，應(yīng)力的調(diào)整和滲流場(chǎng)的變化，一旦這種改造超過(guò)了坡體的自身調(diào)整能力，就會(huì)造成坡體病害。公路施工屬于人類工程活動(dòng)之一，路塹高邊坡變形有以下幾個(gè)方面原因：

a.對(duì)地質(zhì)工作重視不夠，沒(méi)有貫徹“地質(zhì)選線”的原則，對(duì)已經(jīng)存在的古老滑坡和潛在滑坡（如巖堆地段、順層地段）沒(méi)有認(rèn)識(shí)或認(rèn)識(shí)不足，將路線布設(shè)在這些地段，甚至大填大挖，造成老滑坡復(fù)活或新生滑坡。

b.邊坡的地質(zhì)重要性和路線方案的決定性不夠重視，“重橋隧、輕路基”的指導(dǎo)思想還存在，對(duì)高邊坡重視不夠，過(guò)分強(qiáng)調(diào)節(jié)約工程投資，本來(lái)可以做隧道、外移橋或半路半橋的，為節(jié)省投資而大挖方，結(jié)果造成高邊坡變形，有時(shí)其治理費(fèi)用比橋隧還多。

c.設(shè)計(jì)深度不足，或坡形坡率設(shè)計(jì)不符合當(dāng)?shù)貛r土條件，或沒(méi)有排水與加固工程，或加固工程不足以保證穩(wěn)定。

d.不科學(xué)的施工組織和施工方法也是邊坡失穩(wěn)變形的重要原因：雨季大開(kāi)挖大量雨水滲入坡體，軟化坡體巖土；大爆破施工破壞巖體完整性；開(kāi)挖后長(zhǎng)期暴露而不防護(hù)和加固，甚至一挖到底不加固。

2.7 路塹高邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

高邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)遵循“定性分析為基礎(chǔ)、定量計(jì)算為手段”的原則。定性分析是進(jìn)行定量分析的前提（定性判斷破壞形式和穩(wěn)定性狀態(tài)），有效的定量分析是進(jìn)行高邊坡治理措施的依據(jù)。兩者相輔相成，互相驗(yàn)證，是邊坡穩(wěn)定性分析的兩大支柱。

2.7.1 工程類比法（定性判斷）

項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)有自然邊坡的坡形坡率、坡高與路塹邊坡的對(duì)比分析：

從項(xiàng)目區(qū)類似自然山坡或已有人工邊坡發(fā)生變形的類型和規(guī)模，來(lái)判斷路塹邊坡可能發(fā)生的變形類型和規(guī)模；

從項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)有自然邊坡的坡體結(jié)構(gòu)，分析路塹邊坡可能發(fā)生的變形類型及產(chǎn)生的部位；

從作用因素的大小和快慢分析路塹邊坡的穩(wěn)定性，如開(kāi)挖引起的坡體卸荷和松弛、滲流場(chǎng)、潛在滑面（帶）強(qiáng)度降低等；

從已發(fā)生的變形分析其發(fā)生機(jī)制并反演出破壞時(shí)的巖土強(qiáng)度參數(shù)。

2.7.2 定量計(jì)算

二元結(jié)構(gòu)邊坡，其最重要的潛在滑面一般為土巖界面，滑面由土巖界面形態(tài)決定，采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。

復(fù)雜的高大巖體邊坡力學(xué)條件復(fù)雜，可采用赤平投影分析和有限元分析法為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬等綜合方法分析。

規(guī)范中對(duì)路塹邊坡的相關(guān)規(guī)定：

正常工況：邊坡處于天然狀態(tài)下的工況；

非正常工況I：邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨?duì)顟B(tài)下的工況；

非正常工況II：邊坡處于地震等荷載作用下的工況。

3 路塹高邊坡常見(jiàn)的加固措施

3.1 加固措施的主要原則

地質(zhì)資料為基礎(chǔ)的原則，高邊坡設(shè)計(jì)應(yīng)以翔實(shí)的地質(zhì)勘查資料為基礎(chǔ)。

坡率與工程加固措施相結(jié)合，一般邊坡以穩(wěn)定坡率為主，高邊坡應(yīng)綜合考慮環(huán)保與工程規(guī)模，考慮采用陡坡率+工程措施，減小邊坡高度，降低用地和開(kāi)挖規(guī)模。

路塹高邊坡設(shè)計(jì)遵循“減載、固腳、強(qiáng)腰、排水”的原則，逐工點(diǎn)設(shè)計(jì)，根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析，提出分級(jí)高度、邊坡坡率、加固方案等。

路塹高邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，巖土體產(chǎn)狀多變，要及時(shí)根據(jù)施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的真實(shí)地質(zhì)情況，對(duì)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行必要的補(bǔ)充和完善，故施工過(guò)程中動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)非常重要。

邊坡設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)施工提出嚴(yán)格要求，避免不合理的施工導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

盡量加強(qiáng)邊坡坡面綠化防護(hù)，提高環(huán)境保護(hù)。

3.2 加固措施

3.2.1 支擋工程

主要有擋土墻、抗滑樁、錨索抗滑樁、錨桿錨索框架。擋土墻類型主要有：重力式擋土墻、石籠式擋土墻、懸臂式扶壁式擋土墻。

3.2.2 邊坡錨固工程主要結(jié)構(gòu)有錨索抗滑樁、錨索框架、地梁、錨墩幾種主要形式。

根據(jù)錨固工程的受力特點(diǎn)，分為普通型（無(wú)預(yù)應(yīng)力型）與預(yù)應(yīng)力型。預(yù)應(yīng)力型為主動(dòng)受力工程，普通型為被動(dòng)受力工程，有本質(zhì)的區(qū)別：①普通型是利用主筋材料及注漿體的抗剪來(lái)提高邊坡的穩(wěn)定性；②預(yù)應(yīng)力型主要是利用預(yù)應(yīng)力在滑面的分力，即垂直滑面的正壓力增大滑體的摩擦，來(lái)平衡滑坡的下滑力，錨索本身提供的抗剪力是不予考慮的。

3.2.3 路塹邊坡錨固工程中，預(yù)應(yīng)力型又可分為拉力型、壓力性、荷載分散性等

邊坡錨固工程中，預(yù)應(yīng)力錨索主要應(yīng)用于兩個(gè)方面：

a.平衡滑坡推力：利用滑床下穩(wěn)定地層提供的錨固力，平衡滑坡推力。

b.邊坡預(yù)加固：利用潛在滑面穩(wěn)定地層的錨固力，平衡坡體的潛在下推力，防止坡體開(kāi)挖后的卸荷松弛。

4 邊坡錨固設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

4.1 巖土體與漿體黏結(jié)強(qiáng)度的取值

錨索水泥砂漿體與其周圍巖土的粘聚力是參考值，錨索工程施工前必須在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，以確定實(shí)際的抗拔力以驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)選擇是否合理，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果加以修正，最終確定黏結(jié)強(qiáng)度和有效錨固長(zhǎng)度。

4.2 設(shè)計(jì)錨固力和張拉力的確定

邊坡預(yù)加固主要目的是防止坡體開(kāi)挖后出現(xiàn)卸荷。

土質(zhì)（類土質(zhì)）邊坡，超張拉力一般為設(shè)計(jì)拉力的1.2 倍以上，從而確保鎖定拉力不小于設(shè)計(jì)拉力。

巖質(zhì)邊坡，超張拉力一般為設(shè)計(jì)拉力的1.1 倍以上，從而確保鎖定拉力不小于設(shè)計(jì)拉力。

錨固長(zhǎng)度、錨固段是否必須深入基巖，一般情況下深入10m～12m。

5 存在問(wèn)題和研究方向

a.由于邊坡工程問(wèn)題的復(fù)雜性，工程設(shè)計(jì)預(yù)加固措施可行度仍然較低；

b.邊坡的典型工程地質(zhì)模式缺乏系統(tǒng)歸納，其變形失穩(wěn)機(jī)理有待深入研究；

c.邊坡穩(wěn)定分析的計(jì)算模式較為簡(jiǎn)單且假定較多，計(jì)算參數(shù)取值依據(jù)不足；

d.邊坡設(shè)計(jì)計(jì)算理論不完善，定量化計(jì)算水平和準(zhǔn)確性較低；

e.邊坡開(kāi)挖松弛的力學(xué)原理、變形破壞模式和數(shù)值模擬研究不夠深入；

f.邊坡錨固工程的使用條件及其耐久性尚需深入研究。

6 結(jié)語(yǔ)

邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)要遵循以定性分析為基礎(chǔ)，以定量計(jì)算為重要輔助手段來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的原則。根據(jù)工程地質(zhì)條件、可能的破壞模式以及已經(jīng)出現(xiàn)的變形破壞跡象，對(duì)邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)做出判斷和計(jì)算，是邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。