濕陷性黃土高邊坡處治方法探討

趙 鵬

(中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089)

0 引 言

濕陷性黃土高邊坡的處治是關(guān)系到整個項目施工期、運營期的安全性的重要影響因素。如何經(jīng)濟合理的處治濕陷性黃土高邊坡一直是工程設(shè)計中的一個重難點。吳海剛研究認為，黃土高邊坡的處治重點為路塹平臺，并提出了重平臺防護、弱坡面防護，并設(shè)置寬平臺的處治原則；何浪、王振文等人通過有限元對黃土高邊坡的穩(wěn)定性進行了模擬分析，結(jié)果表明整體邊坡的坡腳位置存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，引起邊坡剪切破壞的主要原因是這些在坡腳形成的剪應(yīng)力增高帶。且在動力作用下路塹坡頂?shù)姆€(wěn)定性最差；呂菲等人通過野外人工降雨試驗及數(shù)值模擬分析，研究了降雨對黃土邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明通過設(shè)置適當?shù)姆琅潘胧?，可有效的提高黃土邊坡的穩(wěn)定性；王鮮等人通過室內(nèi)模擬實驗，對降雨的沖刷破壞機制進行了研究，結(jié)果表明降雨對黃土邊坡的沖刷破壞機制可分為：降雨沖擊、吸水軟化和面溝切割；葉萬軍等人對黃土邊坡的綜合坡率進行了研究并推導出了理論公式。陳蘇等人通過黃土邊坡離心試驗，對邊坡開挖過程中，黃土路塹邊坡的應(yīng)力變化過程進行了研究，研究表明黃土路塹的開挖卸載導致的黃土路塹邊坡失穩(wěn)是一個多因素耦合作用的結(jié)果；高德彬等人利用大量的工程實例，構(gòu)建了基于CRB推理的黃土高邊坡穩(wěn)定性預測模型。上述研究均表明，通過適當?shù)钠侣逝c寬平臺組合，并設(shè)置有效的防護、排水設(shè)施可得到經(jīng)濟、高效的濕陷性黃土高邊坡處治措施。

1 依托工程

本次研究以G85銀昆高速公路寧夏段為依托，通過實地勘察和理論分析對沿線的濕陷性黃土高邊坡的處治措施進行了研究。該工程區(qū)域可劃分為黃土梁卯溝壑、黃土臺塬、沖洪積平原及河谷階地四個地貌單元，沖洪積平原地貌位于工程區(qū)北部，河谷階地地貌位于工程區(qū)中部，工程區(qū)南部主要為黃土梁卯溝壑和黃土臺塬地貌。區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件脆弱，氣候干旱，植被稀少，黃土厚度大，在降雨等因素影響下，易引發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災害。全線共有路塹高邊坡12處，最大路塹邊坡高度81.56 m，最低路塹邊坡高度30.91 m。

2 地質(zhì)條件

經(jīng)地質(zhì)調(diào)查及鉆探結(jié)果揭露情況，工程區(qū)揭露工程巖土體類型主要為第四系地層，表現(xiàn)為黃土堆積和河谷沖洪積堆積。上更新統(tǒng)疏松黃土(馬蘭黃土)在沿線黃土梁峁頂部、黃土臺塬上部分布較廣。

區(qū)內(nèi)黃土呈淡黃色、土黃色，為粉土，粒度組分：顆粒直徑0.079～0.013 mm的含量一般大于60%以上。粗粒組礦物成分以石英、長石為主，占60%以上；細粒組為粘土礦物，成分有伊利石、高嶺石、蒙脫石等。粘土礦物和鈣質(zhì)起膠結(jié)作用，但易溶于水，故黃土易發(fā)生潛蝕現(xiàn)象。其具有大孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育，孔隙度在60%以上。區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)的黃土干容重小于1.45 g/cm3，天然含水量5%～10%，由于黃土具親水性，隨著土中含水量的增加，其內(nèi)聚力顯著降低，在水中易崩解。其濕陷程度為中等-嚴重，濕陷類型為自重濕陷。

3 路塹邊坡設(shè)計

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，通過理正巖土軟件對不同坡率組合的邊坡形式的安全系數(shù)進行計算。并結(jié)合周邊項目的實施經(jīng)驗及相關(guān)試驗研究，確定最佳的坡率組合。

3.1 巖體物理力學指標

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》、《公路路基設(shè)計規(guī)范》、《公路土工試驗規(guī)程》、《巖土工程勘察規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范的要求，對相關(guān)路塹邊坡進行鉆芯取樣并進行土工試驗。試驗結(jié)果見表1。

表1 巖體物理力學性質(zhì)指標表

3.2 坡率組合設(shè)計

參考了大量工程實例后，本次研究采用三種坡率組合方案，即第一種為陡坡率、寬平臺的方案；第二種為集中設(shè)置寬平臺的方案；第三種為緩坡率的方案。具體坡率組合情況見表2。

表2 坡率組合一覽表

根據(jù)上述坡率組合情況，分別在三種工況下，對5處坡高40～50 m的路塹邊坡進行安全系數(shù)計算及數(shù)值分析，在三種坡率組合安全系數(shù)大致相等的條件下，得到滿足規(guī)范要求的坡率組合情況見表3。

表3 坡率組合對比表

根據(jù)表3的計算結(jié)果，對其余7處高邊坡進行計算驗證，其結(jié)果均表明采用第二種坡率組合方案的綜合坡率最優(yōu)，每級邊坡的坡腳處為應(yīng)力集中點。結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗及吳海剛、何浪等人的研究成果，采用第二種坡率組合的邊坡形式，其防護設(shè)施、排水設(shè)施的工程量及實施效果均優(yōu)于其余兩種坡率組合。

3.3 寬平臺設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)第二種坡率組合形式對全線12處高邊坡的穩(wěn)定性進行計算，得到了各處濕陷性黃土路塹高邊坡的寬平臺位置及寬度，其結(jié)果見表4。

表4 寬平臺設(shè)置一覽表

為便于設(shè)計與施工，經(jīng)過計算與分析，將全線的寬平臺設(shè)置原則統(tǒng)一為：路塹邊坡高度低于32 m時，不設(shè)置寬平臺；路塹邊坡高度在32～56 m時，第三級平臺加寬9 m；路塹邊坡大于56 m時，路塹邊坡每三級設(shè)置一處10 m寬平臺。

4 邊坡處治措施優(yōu)化

針對濕陷性黃土路塹高邊坡坡腳的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在深挖路塹第一級邊坡的坡腳處均設(shè)置一道外露2 m的矮路塹墻以加固坡腳；同時為防止雨水對坡面的沖刷破壞，每級邊坡均采用拱形骨架護坡防護，并在拱圈內(nèi)種植細莖冰草、葦狀羊茅、沙棘等草灌木； 一般路塹邊坡平臺均采用混凝土硬化并設(shè)置平臺排水溝，寬平臺處于平臺中間位置穴植灌木，其余地方均采用混凝土硬化并設(shè)置平臺排水溝；自然降水通過坡頂截水溝、拱形骨架、平臺排水溝匯集至急流槽，經(jīng)線外排水溝引出濕陷性黃土路塹范圍。

5 結(jié) 論

(1)針對本工程的濕陷性黃土路塹高邊坡，集中設(shè)置寬平臺的邊坡坡型組合的綜合邊坡坡率優(yōu)于其余兩種邊坡坡型組合。

(2)濕陷性黃土路塹高邊坡的坡腳處為應(yīng)力集中點，應(yīng)重視對坡腳的加固防護。

(3)針對濕陷性黃土的特點，應(yīng)做好路塹坡面及平臺的防排水措施，通過設(shè)置排水溝、截水溝、骨架等措施將自然降水引出路塹范圍，并做到“遠接遠送”。

(4)可針對不同的路塹邊坡高度，將繁雜的寬平臺設(shè)置位置及設(shè)置寬度問題，歸納為一個統(tǒng)一的設(shè)計處治原則。