高速公路邊坡支護(hù)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

摘要 文章以某高速公路的邊坡支護(hù)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，分析對邊坡支護(hù)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)，最有效方法是開展大型剪切試驗(yàn)獲取結(jié)構(gòu)面參數(shù)并分析。根據(jù)研究結(jié)果，相同飽和試驗(yàn)條件下，殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)比峰值抗剪強(qiáng)度參數(shù)低。對因受自然災(zāi)害破壞而產(chǎn)生松動、滑動的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須結(jié)合殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算分析。結(jié)合實(shí)地現(xiàn)場數(shù)據(jù)開展設(shè)計(jì)對大幅降低高速公路邊坡支護(hù)部分設(shè)計(jì)的投資成本意義重大。

關(guān)鍵詞 高速公路;邊坡支護(hù)工程;優(yōu)化設(shè)計(jì);剪切試驗(yàn);結(jié)構(gòu)面參數(shù)

中圖分類號 U416.14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0132-03

引言

邊坡支護(hù)工程建設(shè)對確保高速公路邊坡穩(wěn)定性至關(guān)重要。高速公路邊坡支護(hù)工程每類設(shè)計(jì)方案都涉及順層邊坡開挖問題。順層邊坡開挖過程中最易出現(xiàn)較大破壞，影響邊坡穩(wěn)定性因素有：

（1）開挖高速公路地區(qū)的巖石分布情況、是否存在地下水。

（2）結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度大小，該文通過某山區(qū)高速公路建設(shè)實(shí)例，對大型剪切試驗(yàn)結(jié)構(gòu)面參數(shù)分析，對高速公路邊坡支護(hù)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 總體概況

某山區(qū)高速公路建設(shè)地點(diǎn)附近周圍露出了大量巖石，以泥巖、砂巖、砂礫巖為主。各類巖石有一定的共性：傾斜角度小，角度平緩，角度大致分布于15°～25°。僅少量巖石傾斜角會超過30°[1]，在上述地區(qū)建設(shè)高速公路時，開挖后會形成順層邊坡，因此研究的重點(diǎn)為如何保證邊坡達(dá)到穩(wěn)定性的同時減少邊坡支護(hù)的成本投入，應(yīng)用合理的建模分析方法得到有效穩(wěn)定性安全系數(shù)。對比試驗(yàn)室小型剪切試驗(yàn)，巖石樣本面積、體積較小，采樣過程中會對巖石結(jié)構(gòu)造成破壞，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，為使結(jié)果準(zhǔn)確，采用現(xiàn)場原位大型剪切試驗(yàn)獲得結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。在施加支護(hù)的設(shè)施優(yōu)化方面，已有專家學(xué)者對多級邊坡這類復(fù)雜情況提出利用柔性支護(hù)的方法進(jìn)行支護(hù)保護(hù)。采用數(shù)值模擬分析方法分級加設(shè)錨桿，對邊坡產(chǎn)生了明顯的固定效果[2]。在研究改擴(kuò)建邊坡拓寬施工方案的時候，也通過對比提出了更靈活自由的方案。

2 大型剪切試驗(yàn)開展

2.1 大型剪切試驗(yàn)地點(diǎn)選取

在試驗(yàn)過程中，應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)試驗(yàn)指導(dǎo)手冊的指示進(jìn)行操作，并根據(jù)文件內(nèi)容規(guī)章執(zhí)行。因?qū)嶒?yàn)地點(diǎn)巖石種類以砂巖、砂巖夾泥巖和泥巖地層為主，因而在不受到破壞即天然的狀態(tài)下，選取三個典型試驗(yàn)地點(diǎn)來對具備砂巖夾泥巖和泥巖地層砂巖成分的地區(qū)進(jìn)行大型剪切試驗(yàn)。

2.2 應(yīng)力大小測量

試驗(yàn)過程中，要保證順層邊坡承受的負(fù)荷重量不超過其自重的1.2倍還要綜合考慮巖石自身張力，分析質(zhì)量強(qiáng)度能夠承受的最大強(qiáng)度和進(jìn)行試驗(yàn)操作的測量設(shè)備的誤差條件[3]，確保在實(shí)驗(yàn)過程中不受任何損壞。結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，先估計(jì)粘聚力c以及內(nèi)摩擦角度θ，對巖石承受剪切力大小進(jìn)行預(yù)判，可更精確地設(shè)計(jì)荷載的加載方案。

2.3 大型剪切試驗(yàn)具體步驟

進(jìn)行剪切試驗(yàn)的具體步驟大致分為5步：

（1）現(xiàn)場制備原位試件。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程，對需使用的儀器設(shè)備進(jìn)行合理放置安裝，其中包括測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加載等。剪切面的確定十分關(guān)鍵，由于垂直反向進(jìn)行剪切的角度與剪切面重合，合成力量的切入點(diǎn)位于剪切面中心，因此，合力的施加要垂直穿過剪切面。

（2）施加反向剪力時，不應(yīng)一次性突然施加，分成5～6個等級最為適宜，合理依據(jù)正向壓力的承受和延續(xù)質(zhì)量強(qiáng)度的能力進(jìn)行規(guī)劃，反向的位移穩(wěn)定一段時間后，再施加剪切方向的力，在施加剪切負(fù)載力的過程中，正向應(yīng)力應(yīng)確保恒為常數(shù)。

（3）將需檢測的荷載的大小大致分成8～10個層級施加力量，便于合理進(jìn)行初步預(yù)估。某一個級別增加的剪切位移超過前一個級別位移增加數(shù)值的1.5倍時，應(yīng)適當(dāng)降低每級層級之間的級差。分級大小的確定方法十分靈活，可依據(jù)時間長短進(jìn)行控制，考慮判據(jù)為上下級負(fù)載間是否存在軟弱力量的夾層，依據(jù)軟弱力量夾層的大小適當(dāng)延長時間來減緩加載的力度，時間間隔為大約10～15 min較為適宜，加載前后需要對位移的大小進(jìn)行記錄，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，如果鄰近的剪切遭到破壞的時候要相應(yīng)的提高讀取頻率[3]。

（4）試件剪切破壞后，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)增大剪切力度，直到負(fù)載較為穩(wěn)定時方可停止加力。當(dāng)實(shí)驗(yàn)負(fù)載所加力度不穩(wěn)定或突變時，就需要多次測量峰值。試驗(yàn)接近于結(jié)束時要逐漸減少剪切負(fù)載的數(shù)量，接近零點(diǎn)時候要維持反向方向作用力的穩(wěn)定，抓住時機(jī)測量回彈的位置。

（5）試驗(yàn)完成后，應(yīng)第一時間測量剪切面受損的破壞面積，準(zhǔn)確清晰地描述長度和分布面積的具體數(shù)值，以及對數(shù)值破壞的具體原因進(jìn)行分析。

2.4 大型剪切檢測試驗(yàn)結(jié)果分析

對大型剪切試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，不同巖層種類組合試樣的殘余強(qiáng)度為峰值的25%～78%，在不受到破壞的自然條件下，砂巖、夾泥巖這兩種巖石組合起來巖層質(zhì)量強(qiáng)度的變化幅度是所有組合之中最大的，為峰值的25%左右，在趨于飽和的試驗(yàn)條件情況下，泥巖組合試樣變化最小，大約只有峰值的78%，試驗(yàn)的具體結(jié)果可以從表1看出：

（1）不論試件是在天然條件下還是飽和的條件下，研究發(fā)現(xiàn)普遍規(guī)律，不同巖層種類組合種類的剪切力大小都滿足：砂巖>砂夾泥巖>泥巖。

（2）幾乎所有巖層組合的承受剪切強(qiáng)度的數(shù)據(jù)在相同的試驗(yàn)條件下都有以下的規(guī)律：殘余剪切強(qiáng)度小于峰值的剪切強(qiáng)度。在自然條件下，殘余剪切粘聚力是峰值粘聚力的35%，這一數(shù)據(jù)由原來的26.2 kPa降低為9.15 kPa。相反，在飽和的條件下砂巖、夾泥巖的粘聚力c有最大的變化幅度。殘余剪切粘聚力是峰值的36%，這一數(shù)據(jù)由21.2 kPa減少為5.45 kPa。趨于飽和條件下時，內(nèi)摩擦角發(fā)生了較大的變化，砂巖的摩擦力角度變化最大，殘余內(nèi)摩擦角只有峰值的27%，由27.8°減少為7.5°。自然狀態(tài)條件下的內(nèi)摩擦角的變化多樣，砂巖、夾泥巖的變化程度最大，殘余內(nèi)摩擦角只有峰值的44%，由27.6°下降為12.3°，根據(jù)分析，可以得到以下結(jié)論：當(dāng)由自然的條件變成趨于飽和的條件時，不同種類的巖石組合的抗剪切強(qiáng)度的數(shù)值都會有不同程度的下降。

3 邊坡支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

以上進(jìn)行的大型剪切試驗(yàn)的現(xiàn)場測試中，對邊坡支護(hù)設(shè)施設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，分析得到，高速公路要充分考慮試驗(yàn)參數(shù)結(jié)果進(jìn)行取值。飽和條件下的峰值的強(qiáng)度適合應(yīng)用在沒有發(fā)生泥石流等自然災(zāi)害條件下，即沒有產(chǎn)生變形的邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)當(dāng)中[4]，對已產(chǎn)生滑動變形的邊坡支護(hù)，應(yīng)采用飽和條件下殘余的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

從試驗(yàn)結(jié)果中得到，綜合分析巖土體的抗剪切強(qiáng)度參數(shù)，重點(diǎn)分析內(nèi)摩擦角參數(shù)變化[5]，內(nèi)摩擦角會大于當(dāng)?shù)匾酝囼?yàn)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值，產(chǎn)生原因須進(jìn)一步研究。該高速公路進(jìn)行開發(fā)后形成的順層邊坡具備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的各種角度要求[6]。根據(jù)前后試驗(yàn)結(jié)果對比，可將試驗(yàn)的值取為實(shí)際測量參數(shù)的40%～82%。如果采用全部采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)應(yīng)用于放坡實(shí)驗(yàn)，會使邊緣坡度的坡度較小，從而使施工過程中挖土體積過大[7]，無形中增加了投資成本，不利于投資建設(shè)的持續(xù)進(jìn)行。結(jié)合剪切試驗(yàn)所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從結(jié)構(gòu)面上看，承受剪切強(qiáng)度的參數(shù)將作為邊坡支護(hù)的具體參數(shù)，對增加放坡坡度效果良好，避免了放坡坡度較小的弊端，減少邊坡陡度，提高安全穩(wěn)定性，減少了實(shí)際開挖體積量，降低了投資成本[8]。

3.1 優(yōu)化前邊坡的支護(hù)設(shè)計(jì)方案

在進(jìn)行邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案之前，順層邊的坡度率和坡面增設(shè)的保護(hù)設(shè)施都是根據(jù)當(dāng)?shù)匾酝鶎?shí)踐經(jīng)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)的[9]。根據(jù)此次現(xiàn)場調(diào)查，該高速公路邊坡總高度為16.0 m，按照工程實(shí)施的參數(shù)設(shè)定，可以采用兩端都放8.0 m的坡，中間留有2.0 m高的平臺，比例控制為1∶2.9，坡面上種植了大量綠植，種類是防護(hù)林。這一方案的弊端是開挖土的體量較大，同時，邊坡體自重較大，增加了隱形投資的同時也加大了占地面積。具體的設(shè)計(jì)方案圖如圖1所示。

3.2 優(yōu)化后的邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)現(xiàn)場進(jìn)行的大型剪切試驗(yàn)，可以得到順層邊坡巖石結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度，它的強(qiáng)度較大，普遍大于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的值。砂巖內(nèi)部的摩擦角度為28°，粘聚力是35.1 kPa，砂巖泥層的內(nèi)摩擦角為27.6°，粘聚力是26.2 kPa。泥巖的內(nèi)摩擦角是15.9°，粘聚力是22.4 kPa，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)得到的試驗(yàn)結(jié)果可以在某種程度上增加邊坡的坡度，原先的1∶2.9改為1∶1.5的同時配合增設(shè)一些保護(hù)措施，比如錨桿等，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于巖石結(jié)構(gòu)可以顯著增強(qiáng)抗剪切墻穩(wěn)定性，因此在邊坡結(jié)構(gòu)上增加作用力可以很大程度上降低抗剪切墻的承受重力，延長使用期限[10]。也可以在沿線局部坡度較高的區(qū)域上增加土墻，從而達(dá)到減少開挖土量的效果。通過初步計(jì)算挖土量可以減少10萬m3，投資也可以減少幾百萬元，設(shè)計(jì)方案圖如圖2所示。

4 總結(jié)

為優(yōu)化邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行現(xiàn)場剪切試驗(yàn)，得到不同巖層組合的抗剪強(qiáng)度的參數(shù)。結(jié)果表明，在自然和飽和條件下，對于不同類巖石組成情況下，剪切墻的抗剪切強(qiáng)度都有不同程度下降，與以往經(jīng)驗(yàn)參數(shù)數(shù)值比較得出實(shí)際情況下巖層邊坡的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案有很大優(yōu)化潛力。對于欠穩(wěn)定狀態(tài)的路線，可以采用放置錨桿等措施提高穩(wěn)定性，但是具體的布置方式需要考慮實(shí)際因素綜合確定。研究為降低投資積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，更為以后的工程建設(shè)提供參考。

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收稿日期：2022-01-11

作者簡介：喬?。?995—），男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：邊坡滑坡及路基路面。