山區(qū)公路高邊坡勘察設(shè)計關(guān)鍵問題

宋紹飛

(貴州天然氣管網(wǎng)有限公司，貴州貴陽 550000)

1 公路邊坡工程勘察技術(shù)研究

邊坡滑動面的深度以及影響范圍是邊坡巖土工程勘察的重點，通過對滑動面的詳細勘察才能夠更加有效的對邊坡的穩(wěn)定性以及破壞機理進行分析。確定滑動面的方法主要包括了觀察法、理論分析法以及地震勘察法，其中地質(zhì)勘察法還可以具體劃分為工程物探法和工程鉆探法[1]。

1.1 工程物探方法技術(shù)的研究

工程物探法可以通過對不同地質(zhì)體在物理性質(zhì)方面的差別來反映地下物理場的分布規(guī)律，然后結(jié)合相關(guān)的地質(zhì)資料來判斷相關(guān)的地質(zhì)構(gòu)造問題。通過電阻率之間的差別來對邊坡進行勘察，對于覆蓋層、軟弱夾層以及基巖之間的物理性質(zhì)有著較大的差別，也就導(dǎo)致其電阻率差別明顯。工程中常用聯(lián)合剖面法、電測深法以及高密度電法來對巖土體進行勘測。地震勘探法也是邊坡工程勘察中常用的手段，主要是利用基巖層面覆蓋層內(nèi)的彈性波傳播速度之間的顯著差別，進而判斷出斷層、軟弱滑動的位置、厚度等。電磁法也是新興的一種工程物探法其中主要包括了探地雷達法和瞬變電磁法。常用的物探方法以及應(yīng)用范圍見表1[2]。

表1 常用的物探方法及應(yīng)用范圍

1.2 工程地質(zhì)鉆探技術(shù)研究

工程地質(zhì)鉆探是巖土工程勘察的一項重要手段，通過工程地質(zhì)鉆探能夠獲取地下巖層的厚度、類別、巖土體的物理力學(xué)性能、地下水位等水文資料，為工程建設(shè)以及病害的防治提供決策依據(jù)。在進行鉆探時，需要根據(jù)地層特點來選擇合理的鉆探方式，確保能夠精準的鑒別地層，充分了解地下水的分布情況，同時還需要盡可能的避免對取樣段的擾動。如果將公路邊坡的軟硬分界面作為主要研究對象，需要盡可能的選取能夠在軟覆蓋層以及堅硬巖層中都具有良好的鉆探勘察效果。鉆進方法及適用范圍見表2[3]。

表2 鉆進方法的使用范圍

2 邊坡的穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定性的分析整體上分為5大類：定性分析、定量分析、不確定分析、模型試驗以及原位監(jiān)測，具體還可以繼續(xù)向下細分。目前最常用邊坡穩(wěn)定性分析方法則是極限平衡法和數(shù)值模擬法。

2.1 極限平衡法

極限平衡法的基本原理是將邊坡假定為受力剛體，通過靜力平衡的原理來分析滑體上抗力與下滑力之間的關(guān)系，進而對邊坡的穩(wěn)定性進行評價，這種方法起源最早，且理論最為完善，引用也最為廣泛[2]。該方法具體包括了兩個問題，其一，需要先假定破壞面的位置以及形狀，之后通過力學(xué)分析以及物理的約束條件構(gòu)建出安全系數(shù)的計算公式；其二則是計算出所有潛在滑動面的安全系數(shù)，然后確定最不穩(wěn)定的滑動面和安全系數(shù)。關(guān)于邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的定義大概可以分為三個階段，第一是通過力矩，第二是通過剪應(yīng)力，第三則是通過抗剪強度參數(shù)的折減程度來進行定義的。

從力學(xué)角度來分析，邊坡的在修建的過程就相當(dāng)于是一個卸載的過程，坡體在開挖之后，原有的應(yīng)力場就會重新分布，在靠近臨空面的位置會形成松弛區(qū)，當(dāng)松弛區(qū)不能維持自穩(wěn)時，邊坡就會失穩(wěn)破壞。極限平衡理論目前也存在著一些問題，其中主要包括了：(1)該理論需要提前假定一系列邊坡破壞的滑裂面位置以及形狀，之后通過對安全系數(shù)的比較來反求出最不安全的滑裂面，進而導(dǎo)致了安全系數(shù)的準確性會完全依賴于假設(shè)滑裂面的準確性；(2)通過極限平衡法來假定滑動面，對于均質(zhì)土的效果較好，但是對于成層土或者是土層差異較大的非均質(zhì)土、存在節(jié)理裂隙的巖質(zhì)邊坡，其滑動面往往并非圓弧狀，故而難以做出較為準確的假定；(3)極限平衡法所求出的安全系數(shù)僅僅是滑動面上的平均安全系數(shù)，并非能夠反映滑體內(nèi)部或者滑動面上的真實應(yīng)力狀態(tài)；(4)極限平衡理論在條間力的位置和方向上進行了較多的人為假定，但是這些假定與實際情況之間還是有不少的差距，進而會導(dǎo)致分析結(jié)果的不準確[4]。

2.2 數(shù)值模擬法

如若遇到較為復(fù)雜的地質(zhì)地貌環(huán)境、巖土層性質(zhì)較為多樣的情況，極限平衡法處理起來就會尤為麻煩，且分析的結(jié)果不夠準確。此時數(shù)值模擬法則會體現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，該方法考慮到了邊坡巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及巖土體的各向異性，有效的解決了極限平衡法所存在的缺陷，其模擬的結(jié)果也比較符合工程的實際情況，計算的結(jié)果也更加精細準確，能夠更加合理全面的分析坡體的整體受力狀況。目前，有限元分析法、離散元法以及快速拉格朗日分析法是數(shù)值模擬在邊坡穩(wěn)定性分析中應(yīng)用最為廣泛的方法。這三種方法整體上各有優(yōu)劣，有限元法考慮到了巖土材料的各向異性、不連續(xù)性、力學(xué)參數(shù)的差異性，同時還包括復(fù)雜的邊界條件問題等方面。而拉格朗日法是對有限元分析法的一種優(yōu)化，解決了有限元小變形的假設(shè)。而離散元分析法則主要用來預(yù)測邊坡的變形趨勢以及穩(wěn)定性，能夠真實的反映邊坡在開挖過程中位移以及應(yīng)力的變化情況。

3 邊坡工程設(shè)計基本原理與方法

3.1 邊坡治理的基本資料

公路邊坡的巖土工程勘察成果主要應(yīng)用于邊坡的工程設(shè)計之中，對邊坡的穩(wěn)定性進行治理。通過勘察資料所提供的資料來采取相關(guān)的防治措施，對邊坡的穩(wěn)定性進行改善。需要的工程勘察資料主要包括了工程物探資料，根據(jù)工程物探資料劃定邊坡潛在滑動面的范圍，有效的減小了鉆孔的數(shù)量。利用工程地質(zhì)鉆探所取得成果繪制出工程地質(zhì)平面圖、縱橫剖面圖、鉆孔柱狀圖以及物性剖面解釋圖等。此外還需要水文地質(zhì)資料來了解地下水的性質(zhì)及流量，有助于排水措施的設(shè)計。除此之外在對邊坡進行設(shè)計時還需要查閱國際地震烈度區(qū)劃圖來考慮地震荷載的影響。

3.2 邊坡加固設(shè)計方案研究

公路邊坡的治理技術(shù)總體來說可以劃分為五類，分別為坡率法、排水、防護、支擋以及加固。不同的處治措施都有其各自的優(yōu)缺點以及適用條件，在面對公路邊坡病害時需要能夠合理的選取處治措施。

(1)坡率法。坡率法是一種相對簡單的治理措施，主要表現(xiàn)為坡頂削方、坡底壓重，在坡體中容易削方或者在滑動面處進行局部或者整體的清除，在坡腳處則采用重物固腳的做法。該方法的施工相對更為簡單，治理的想過也較好，但是對周圍的環(huán)境破壞較大，需要較長的時間才能恢復(fù)。且該方法僅適用于低矮平坦的邊坡。對于高陡的大型邊坡，該方法只是作為一種輔助的治理措施。

(2)排水。水是導(dǎo)致邊坡發(fā)生病害的重要原因，需要控制地表水以及地下水來防止巖土體抗剪強度的降低。通常對坡面上的水采取截流措施，同時疏干流向坡體的地下水，進而提高坡體的強度，確保邊坡的穩(wěn)定性。目前常用的邊坡排水措施主要包括了設(shè)置仰斜式排水孔來排出深層次的地下水，設(shè)置邊坡滲溝來排出邊坡淺層的地表水和泉水，設(shè)置支撐盲溝來排出土體的淺層滯水以及地下水，此外排水設(shè)施還包括排水溝、截水盲溝等。

(3)防護。對坡面進行防護是為了能夠防止坡面遭受風(fēng)化，進而引起坡體內(nèi)部的破壞，通過對坡面的防護能顧確保邊坡的穩(wěn)定，改善巖土體的強度參數(shù)，避免坡體表面以及內(nèi)部遭受雨水的破壞。目前常用的坡面防護技術(shù)主要包括了植被防護、圬工防護以及骨架防護等。

(4)支擋。對于不穩(wěn)定的公路邊坡需要采取支擋措施，一般情況就是在邊坡的下部設(shè)置擋土墻或者抗滑樁，來控制斜坡體的運動。目前常用的支擋技術(shù)主要包括了抗滑樁、擋土墻、錨索等，這種支擋措施屬于是被動防護技術(shù)。

4 結(jié)束語

綜上，山區(qū)公路的修建過程中邊坡問題是其中最為嚴重的問題。對邊坡工程勘察的不徹底，穩(wěn)定性分析不準確、設(shè)計方法選擇不合理是導(dǎo)致工程在施工或在運營后不久發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的重要原因。為此本文首先闡述了邊坡工程的勘察方法，并著重介紹了物探和鉆探法的分類及其適用范圍。并對邊坡穩(wěn)定性分析方法進行了系統(tǒng)的闡述，重點分析了極限平衡法和數(shù)值模擬法。最后從坡率法、排水、防護、支擋以及加固幾個方面提出了邊坡的設(shè)計方法。