公路路基設(shè)計中邊坡防護技術(shù)的應(yīng)用

馬建國

（山西誠達公路勘察設(shè)計有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

在公路工程建設(shè)過程中，特別是山區(qū)公路建設(shè)，難免產(chǎn)生深挖路塹邊坡。對于公路邊坡而言，其穩(wěn)定性主要受到兩方面因素影響，即自然因素與人為因素。其中，自然因素有地形地貌、地質(zhì)條件、氣候條件、水文地質(zhì)和地震等突發(fā)災(zāi)害；而人為因素有施工時采用的開挖方式及防護方法、養(yǎng)護與綠化。由于自然因素?zé)o法避免，所以如果人為防護不到位，將可能使邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致破壞，給行車安全帶來不利影響。為防止邊坡失穩(wěn)，在前期設(shè)計階段需結(jié)合邊坡的挖高、坡率以及巖土特性，通過理論分析與計算確定更適宜的防護方法，保證邊坡穩(wěn)定性，同時還要考慮到經(jīng)濟性與美觀性。對公路邊坡進行防護設(shè)計時，深挖路塹邊坡不僅是重點所在，也是一個難點。因為邊坡開挖會使邊坡原本保持的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，在應(yīng)力完全釋放之后會重新分布，導(dǎo)致邊坡處在欠穩(wěn)或不穩(wěn)的狀態(tài)，此時要采取有效措施加以防護，否則必然引起滑坡等災(zāi)害的發(fā)生。

1 邊坡防護主要類型與特點

邊坡防護主要類型可分成以下三種。

（1）表層防護，主要包括植物防護與圬工防護。其中，植物防護是指采用植物對邊坡進行防護。在設(shè)計過程中要充分考慮邊坡土體類型、自然氣候條件與景觀要求，以此確定使用的防護形式；而圬工防護則是采用工程措施對邊坡進行表層防護，如護面墻與噴射混凝土等。對于植物防護，其特點在于可以在相對較短的時間內(nèi)形成綠色景觀，防止邊坡直接受到雨水沖刷的作用，但存在后期養(yǎng)護成本相對較高的缺點；圬工防護特點在于只是對坡面表層進行復(fù)制性防護[1]。

（2）中淺層防護，屬加固防護范疇，如擋墻、錨桿和土釘墻等均屬于中淺層防護。其特點在于能長時間保持邊坡安全性與穩(wěn)定性，是當(dāng)前針對處于欠穩(wěn)或不穩(wěn)狀態(tài)中邊坡的常用安全保證措施[2]。

（3）深層防護，同屬加固防護范疇，如注漿加固、預(yù)應(yīng)力錨索與抗滑樁等，其特點與中淺層防護基本相同，均能長時間保持邊坡安全性與穩(wěn)定性，是當(dāng)前針對處于欠穩(wěn)或不穩(wěn)狀態(tài)中邊坡的常用安全保證措施。

設(shè)計中需要注意的是，以上不同防護方法有其自身的特點及適用條件，在選擇時必須做到因地制宜和靈活使用，以最大限度發(fā)揮出所用防護形式的功能與價值[3]。

2 邊坡防護設(shè)計基本原則與方法

在設(shè)計開始前應(yīng)做好調(diào)查工作，了解原始坡面所處形態(tài)與周圍其他工程相關(guān)經(jīng)驗，然后根據(jù)地質(zhì)勘探資料及其定性分析結(jié)果初步擬定邊坡防護方案[4]。在之后的工作中，需按照規(guī)范的要求做好穩(wěn)定性驗算，并遵循從簡單到復(fù)雜的基本原則確定最終的防護方案。

2.1 邊坡放緩與分級刷坡

邊坡放緩在邊坡防護設(shè)計過程中是一種簡單和常用的方法。導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)、發(fā)生破壞的主要原因為坡高太大和坡度太陡，所以采用削坡的方法，將不穩(wěn)定的部分削除，并放緩坡度，能起到提高邊坡穩(wěn)定性的作用[5]。

雖然刷坡設(shè)計有很高靈活性，但要遵循放緩之后邊坡綜合坡率與自然坡度相接近的基本原則，這是因為坡度比自然坡率大的邊坡，大部分都處在不穩(wěn)定的狀態(tài)。如果單級刷坡高度太大，則可進行分級刷坡的方式，減小每一級的坡高。但要注意每一級的平臺寬度需達到2～3m，同時結(jié)合穩(wěn)定性驗算結(jié)果，在局部增設(shè)加寬平臺，其位置通常為土石分界面，也可直接按照20m的間隔距離設(shè)置。

邊坡放緩具有施工方便、成本低、安全性好的優(yōu)點，但也存在開挖面積相對較大，容易給自然環(huán)境造成較大破壞等缺點。

2.2 初步擬定防護方案與穩(wěn)定性分析

如果按照以上原則處理之后的邊坡依然過高或過陡，則需將坡率收陡，采用加固措施進行防護，同時要對邊坡開展穩(wěn)定性分析及綜合評價，包括定性分析與定量分析。其中，定性分析常用方法包括工程地質(zhì)類比法與赤平投影法，將巖土體結(jié)構(gòu)及其分布特征作為依據(jù)；而定量分析常用方法包括數(shù)值模擬法與極限平衡法?，F(xiàn)在應(yīng)用最多的是以極限平衡理論為基礎(chǔ)的理正分析軟件。對具體邊坡進行穩(wěn)定性驗算的過程中，應(yīng)多次擬定防護方案，并對不同的方案進行多次驗算、對比和分析，直到定量計算結(jié)果和定性分析結(jié)論基本一致，從而保證理論分析和邊坡的實際情況達到吻合[6]。

2.3 工程防護措施

完成穩(wěn)定性分析后，根據(jù)其結(jié)果針對整體穩(wěn)定性尚好，且通過刷坡即可使安全性達到要求，但坡面容易產(chǎn)生風(fēng)化剝落及局部崩塌掉塊現(xiàn)象的邊坡，考慮采用表層防護措施；而針對穩(wěn)定性相對較差或不穩(wěn)定的邊坡，則要視其實際情況進行中淺層加固或深層加固。

大部分邊坡工程都是按照以上原則及思路，通過對邊坡巖土體特征、邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性、施工可行性及防護措施合理性等的綜合考慮，確定最終的防護方案，并且要求在方案實施時加強穩(wěn)定性觀測，同時還要在必要的情況下開展動態(tài)設(shè)計[7]。

3 實例分析

3.1 邊坡概況

本文以某高速公路標(biāo)段中的高邊坡為例，對其防護設(shè)計及技術(shù)應(yīng)用進行分析。該標(biāo)段因受到路線的線形與縱坡因素的影響，必須進行深挖方。據(jù)調(diào)查，該段坡長可以達到150m左右，最大挖高可達55.33m。邊坡所在地區(qū)的年均降水量為750mm，通過鉆孔沒有發(fā)現(xiàn)地下水與巖層裂隙水，可見其水文地質(zhì)條件相對簡單，不會對邊坡整體穩(wěn)定性造成太大影響。另外，邊坡上巖體相對完整，而且基本沒有對邊坡穩(wěn)定性不利的順層節(jié)理。坡腳處地面標(biāo)高1 333m，坡頂處地面標(biāo)高1 400m，高差可達67m。

3.2 邊坡巖土體類型與特點

通過前期地質(zhì)勘探，該邊坡開挖施工涉及的巖土層包括：黃土層、碎石層、全風(fēng)化花崗巖層與強風(fēng)化花崗巖層。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果與以往其他類似工程相關(guān)經(jīng)驗，黃土層為II級土體，碎石層與全風(fēng)化花崗巖層均為Ⅲ級土體，強風(fēng)化花崗巖層為IV級巖體，而中風(fēng)化花崗巖層則為V級巖體。邊坡段地層巖性包括黃土、碎石與印支期花崗巖，其主要參數(shù)見表1。

表1 邊坡巖土主要參數(shù)

3.3 防護設(shè)計與穩(wěn)定性驗算

3.3.1 刷坡與坡率

對比該邊坡附近其他既有邊坡工程，并根據(jù)勘察揭露的邊坡地層情況和相關(guān)設(shè)計規(guī)范，初步設(shè)置如下：對于分級高度，第一至第四級邊坡為石質(zhì)邊坡，將其分級高度確定為8m，而第五至第八級邊坡則為土質(zhì)邊坡，將其分級高度確定為6m；對于坡率，將第一級邊坡確定為1∶0.5，將第二級邊坡確定為1∶0.75，將第三至第八級邊坡確定為1∶1；對于平臺寬度，因第一級和第二級邊坡均處在巖石中，所以將平臺寬度確定為2m，而其他各級邊坡均處在全風(fēng)化花崗巖與土層中，所以需設(shè)置寬度為3m的平臺。按照初步擬定的方案提出的各級邊坡坡率，其綜合值為1∶1.244，緩于自然穩(wěn)定坡面坡率（1∶1）。

3.3.2 初步擬定防護方案

按照之前提到的防護設(shè)計基本原則，為避免邊坡失穩(wěn)，并保證一定景觀效果，將邊坡防護方案初步擬定如下：對第一級和第二級邊坡采用護面墻進行防護；對第三級和第四級邊坡采用錨桿框架梁與植生袋相結(jié)合的方式進行防護；對第五至第八級邊坡均采用植草的方式進行防護。

3.3.3 穩(wěn)定性分析與計算

首先進行定性分析，根據(jù)前期地質(zhì)勘探結(jié)果，邊坡上部以第四系黃土與碎石層為主，其中，黃土層層厚在5m左右，碎石層厚度較小，自然坡相對較緩，綜合坡率在0.9～1.8范圍內(nèi)，現(xiàn)狀穩(wěn)定性良好；邊坡中部以全風(fēng)化花崗巖為主，層厚較大，并伴有厚度較小的碎石層；邊坡下部以塊狀花崗巖為主，發(fā)育有閉合狀節(jié)理裂隙，處在穩(wěn)定狀態(tài)。除此之外，在巖體當(dāng)中還有兩組剪節(jié)理，在節(jié)理切割作用下會使巖體內(nèi)部形成多種組合體。通過赤平投影可知，節(jié)理面和坡面于相同的一側(cè)斜交，而節(jié)理面投影弧卻處于坡面投影弧之內(nèi)，可見這是一種穩(wěn)定性良好的結(jié)構(gòu)組合。經(jīng)以上定性分析可知，該邊坡表層存在厚度較大的覆土層，由于邊坡中部有薄弱層，所以在邊坡開挖過程中，因邊坡自然平衡狀態(tài)被打破，所以會形成高度在20～50m的臨空面，導(dǎo)致邊坡開挖完成后于薄弱層產(chǎn)生剪切破壞，同時在局部出現(xiàn)欠穩(wěn)或不穩(wěn)的坡體，必須進行可靠的加固防護[8]。

然后進行定量分析，根據(jù)前期地質(zhì)勘探成果，邊坡表面覆蓋層厚度可以達到5m，而中部以全風(fēng)化花崗巖為主，同時可見厚度較小的碎石層，據(jù)此結(jié)合邊坡破壞機理可知，該邊坡最可能發(fā)生的破壞形式為直線剪切破壞?；诖?，決定借助直線滑動法對上部巖土層實施穩(wěn)定性計算。在計算開始前先假定潛在滑裂面從全風(fēng)化花崗巖層和基巖層之間的分界處經(jīng)過，同時將自然穩(wěn)定坡面坡率作為破裂角，然后由理正巖土邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)開始計算。經(jīng)計算得出，在天然狀態(tài)工況條件下，邊坡上部土層中存在的潛在最不利滑動面安全系數(shù)為1.132，而在飽水狀態(tài)工況條件下，邊坡上部土層中存在的潛在最不利滑動面安全系數(shù)為0.926。其中，處于天然狀態(tài)工況條件下的安全系數(shù)在1.2以內(nèi)，并且處在飽水狀態(tài)工況條件下的安全系數(shù)在1.1以內(nèi)，均無法滿足相關(guān)規(guī)范的要求[9]。

3.3.4 防護設(shè)計與優(yōu)化

結(jié)合以上計算結(jié)果，按照“固腳強腰”原則對開挖坡面實施防護優(yōu)化設(shè)計。其具體內(nèi)容為：為避免邊坡表面產(chǎn)生破碎與掉塊，對第一級和第二級穩(wěn)定性尚好的邊坡，采用窗孔式護面墻進行防護，這樣能在保證防護效果的同時，減少圬工量；對第三級巖質(zhì)邊坡，考慮到風(fēng)化程度不均，決定按照中淺層的等級采用錨桿框架梁與植草防護相結(jié)合的方法進行防護；對于第四級邊坡，因其處在土石分界處，采用錨桿框架梁與植草防護相結(jié)合的方法進行防護；對其他各級邊坡，因飽水狀態(tài)工況條件下的安全穩(wěn)定系數(shù)相對較低，加之邊坡所在地區(qū)平均降水量較大，所以通過設(shè)置拱形骨架與植草方式。

以上方案實施后，對邊坡重新進行計算。結(jié)果表明，方案實施后天然狀態(tài)工況條件下的安全穩(wěn)定系數(shù)從1.132上升到1.260，飽水狀態(tài)工況條件下的安全穩(wěn)定系數(shù)從0.926上升至1.150，因處于天然狀態(tài)工況條件下的安全穩(wěn)定系數(shù)大于1.2，且處于飽水狀態(tài)工況條件下的安全穩(wěn)定系數(shù)大于1.1，所以可滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

從施工可行性角度講，各級邊坡所用防護措施，如刷坡和錨桿或錨索框架梁均為現(xiàn)階段十分常見且容易實現(xiàn)的方法，而且在當(dāng)?shù)匾灿泻芏鄳?yīng)用，此外由于將框架中的植生袋更改為直接進行植草，并將植草護坡形式更改為先設(shè)置拱形骨架再進行植草防護，所以能在保證邊坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，提高綠化效果。由此可見，以上防護方案合理可行。

4 結(jié)語

綜上所述，邊坡防護是公路工程設(shè)計中的一項重要內(nèi)容，具體防護方案的確定實際上是一個不斷優(yōu)化的過程。在設(shè)計過程中要結(jié)合項目的特點及地形地質(zhì)，采用工程類比法等一系列可行的方法初步擬定邊坡的坡率與分級高度，然后進行定性與定量分析，結(jié)合基礎(chǔ)性理論與成熟度高的計算方法對邊坡穩(wěn)定性進行綜合評價，從而確定潛在滑動面及剩余下滑力。最后據(jù)此確定適宜的防護形式，并對其進行必要的分析與驗算，直到與規(guī)范要求完全相符。目前，該邊坡正在施工，經(jīng)開挖揭露邊坡地質(zhì)情況和前期地質(zhì)勘探成果基本一致，雖然防護工程還沒有正式實施，但由于經(jīng)過了以上設(shè)計和優(yōu)化，有望取得良好防護效果。