高速公路邊坡加固的優(yōu)化設(shè)計方法研究

畢曉明

（杭州市交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，杭州 310030）

1 引言

高速公路是我國國家路網(wǎng)的重要組成部分，是一個國家交通運(yùn)輸發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志。伴隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，高速公路從發(fā)達(dá)省會城市、東部沿海地區(qū)向丘陵地區(qū)以及偏遠(yuǎn)山區(qū)延伸。在山地丘陵復(fù)雜的地質(zhì)條件地區(qū)修建高等級公路，會給高速公路邊坡設(shè)計帶來很大困難，很大程度上影響著高速公路質(zhì)量，也給后期高速公路的安全運(yùn)營帶來隱患[1，2]。尤其是在地形地貌類型復(fù)雜，天氣變化多端的西部地區(qū)，路網(wǎng)建設(shè)中遇到的邊坡問題尤為突出。因此，邊坡的加固防護(hù)問題對于項目安全順利施工以及公路后期安全營運(yùn)十分關(guān)鍵。對于高速公路邊坡的防護(hù)加固手段，以往的設(shè)計和施工都總結(jié)出了許多方法與經(jīng)驗(yàn)，但是準(zhǔn)確分析邊坡穩(wěn)定性，針對實(shí)際工程需要，提出經(jīng)濟(jì)、有效的邊坡加固方案，是現(xiàn)階段急需解決的問題。

2 高速公路邊坡分類及其特點(diǎn)

目前，國內(nèi)外對于邊坡的分類的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有很多，常見的邊坡分類所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)包括形成原因、地層巖性、邊坡的失穩(wěn)模式。按照公路邊坡的形成原因?qū)⑦吰聞澐譃樽匀贿吰潞腿斯み吰?。根?jù)邊坡組成成分不同，可以將邊坡分為巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡。按照邊坡的幾何特征，例如，高度和坡度，可以將邊坡做出一般型分類，分類見表1、表2。

表1 不同高度的邊坡分類

表2 不同坡度的邊坡分類

3 邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

3.1 內(nèi)在因素

內(nèi)在因素是邊坡失穩(wěn)的根本原因，其主要表現(xiàn)為邊坡內(nèi)部巖體抗剪強(qiáng)度降低以及促使邊坡失穩(wěn)的力增大。當(dāng)促使邊坡失穩(wěn)的力大于邊坡內(nèi)部巖體抗剪強(qiáng)度時，邊坡就會變形失穩(wěn)。反之，當(dāng)邊坡內(nèi)部巖體抗剪強(qiáng)度足夠大時，邊坡處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。影響邊坡穩(wěn)定的主要原因有以下幾個方面：邊坡所處的地形地貌、邊坡內(nèi)部巖體巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)面等。

3.1.1 地形地貌

高速公路邊坡的幾何形態(tài)，如邊坡高度、邊坡坡度，這些邊坡幾何形態(tài)對邊坡穩(wěn)定性的影響是很大的。坡度較陡、高度較高的邊坡容易發(fā)生失穩(wěn)。邊坡的臨空面受到坡面形狀的影響，凸形邊坡比凹形邊坡更可能發(fā)生滑坡。因此，不利的地形地貌也會導(dǎo)致邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，在邊坡加固中對邊坡的幾何形態(tài)等進(jìn)行優(yōu)化有利于邊坡穩(wěn)定性提高。

3.1.2 地層巖型

邊坡穩(wěn)定還受到邊坡所處的地層巖性的影響。不同時代的地層巖體的礦物組成不同，會導(dǎo)致邊坡巖體的物理性質(zhì)和力學(xué)強(qiáng)度也有著顯著的差異。由礦物的膠結(jié)作用形成的巖石，質(zhì)地堅硬，遇水穩(wěn)定性也較好，其抗剪強(qiáng)度較大，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，抵御雨水侵蝕的能力較強(qiáng)，其穩(wěn)定性較好，易形成較陡或較高的邊坡。而含有長石、綠泥、蒙脫石等礦物的巖土體及易發(fā)生風(fēng)化，完整性較差，抗剪強(qiáng)度較低，受雨水侵蝕作用影響較大，存在滑坡的風(fēng)險。

3.1.3 巖體結(jié)構(gòu)

巖質(zhì)邊坡內(nèi)部比土質(zhì)邊坡要具備更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性。巖質(zhì)邊坡內(nèi)部巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是其邊坡穩(wěn)定性的決定因素，邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)面之間的聯(lián)通程度以及結(jié)構(gòu)面是否發(fā)育都會影響邊坡的穩(wěn)定性，巖質(zhì)邊坡內(nèi)部軟弱結(jié)構(gòu)面的發(fā)育是導(dǎo)致邊坡滑塌的重要因素之一。同時，邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的傾向也會很大程度上影響邊坡穩(wěn)定性，當(dāng)邊坡坡面走向與邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的傾向一致時，邊坡容易沿結(jié)構(gòu)面順層滑動；當(dāng)邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的傾向相反時，邊坡發(fā)生失穩(wěn)的可能性較小。另外，巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面的存在也為邊坡內(nèi)部地下水的活動提供了便利，這顯然對邊坡穩(wěn)定性不利。

3.1.4 地質(zhì)構(gòu)造

邊坡的地質(zhì)構(gòu)造主要是指邊坡褶皺的強(qiáng)烈程度、內(nèi)部巖層產(chǎn)狀、斷層走向和節(jié)理裂隙。邊坡穩(wěn)定很大程度上受到內(nèi)部巖體地質(zhì)構(gòu)造的影響，邊坡內(nèi)部巖體的褶皺往往會引起邊坡滑塌。反向傾斜結(jié)構(gòu)的邊坡具有較好的穩(wěn)定性，但垂直層面走向發(fā)育的邊坡穩(wěn)定性較差。另外，節(jié)理裂隙的發(fā)育會大大降低巖質(zhì)邊坡的完整性，從而降低邊坡穩(wěn)定性。

3.2 外在因素

邊坡穩(wěn)定性還受到外在因素的影響，包括自然環(huán)境影響、人類活動的影響以及地震爆破等因素影響[3]。

3.2.1 自然環(huán)境的影響

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，大多數(shù)邊坡的失穩(wěn)破壞都與水的活動有關(guān)。水主要通過以下兩個方面對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響：一方面是水的存在會與巖體產(chǎn)生物理化學(xué)作用，當(dāng)水中含有CO2等氣體時，會與巖體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，同時，水對巖體還會產(chǎn)生軟化作用。另一方面，水的存在還會對邊坡產(chǎn)生一定的力學(xué)效應(yīng)，包括產(chǎn)生的靜水壓力，動水壓力以及沖刷作用。

3.2.2 人類工程活動的影響

隨著人類工程活動領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，人類的工程活動會對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著的影響。采用不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計方案、施工方法會導(dǎo)致邊坡原有的內(nèi)部平衡被破壞，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。因此，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化邊坡設(shè)計，規(guī)范施工流程，將人類活動對邊坡穩(wěn)定性的影響降到最低。

3.2.3 地震爆破等因素影響

地震以及爆破等對邊坡穩(wěn)定性的影響極大。這是由于地震或爆破帶來振動使得邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，導(dǎo)致原有結(jié)構(gòu)面持續(xù)發(fā)育，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。另外，地震還會誘發(fā)土質(zhì)邊坡的液化，導(dǎo)致邊坡發(fā)生液化滑移。地震以及爆破等引起的邊坡失穩(wěn)往往是特殊地層結(jié)構(gòu)、地下水以及振動等多方面作用的結(jié)果，在邊坡優(yōu)化設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)引起足夠重視。

4 高速公路邊坡加固技術(shù)

4.1 高速公路邊坡工程加固

工程加固技術(shù)可分為工程加固措施與工程防護(hù)措施。

1）砌石防護(hù)。當(dāng)邊坡坡度較陡、邊坡坡體表面土質(zhì)松散、邊坡易發(fā)生失穩(wěn)時，可采用砌石防護(hù)的措施。

2）錨固技術(shù)。錨桿支護(hù)技術(shù)在公路邊坡、隧道、采礦等地下硐室施工中得到了廣泛應(yīng)用。錨桿支護(hù)是利用金屬或其他材料制成的桿件，打入破碎巖體表面預(yù)先鉆好的孔中，利用錨頭、桿體等結(jié)構(gòu)并結(jié)合混凝土砂漿，將破碎巖體與內(nèi)部穩(wěn)定巖體結(jié)合在一起的一種加固技術(shù)[4]。錨固技術(shù)通過桿體強(qiáng)度，大大改善了巖體的抗拉能力差的問題，對于節(jié)理裂隙發(fā)育的邊坡具有很好的加固效果。

3）抗滑樁防護(hù)。抗滑樁是指穿過邊坡滑體深入滑床的結(jié)構(gòu)物，抗滑樁通過抵抗滑坡體的滑動，防止邊坡沿滑動面滑動失穩(wěn)，在淺層和中厚層的滑坡的加固中應(yīng)用較為廣泛。但對具有滑坡風(fēng)險的邊坡施作抗滑樁時，應(yīng)當(dāng)避免施工振動而引起的滑坡。

4）注漿加固。注漿漿液在壓力的作用下，通過巖體內(nèi)部注漿孔周圍的節(jié)理裂隙向四周滲透，對邊坡內(nèi)部破碎巖體起到凝結(jié)作用，增強(qiáng)破碎巖體的整體性。除此之外，注漿形成的柱體對邊坡巖土體起到錨固作用，提高了邊坡的抗滑能力。

5）格構(gòu)加固技術(shù)。格構(gòu)加固技術(shù)是指將格構(gòu)梁與錨桿或錨索結(jié)合形成的新型邊坡加固技術(shù)。對于坡度較陡，結(jié)理裂隙發(fā)育，破面松散，有落石頭、小型崩塌風(fēng)險巖質(zhì)邊坡，可采用格構(gòu)加固技術(shù)進(jìn)行加固。格構(gòu)梁通過錨點(diǎn)處的錨桿或錨索將邊坡下滑力、邊坡巖體松動力分散傳遞到錨固體內(nèi)部，能夠充分發(fā)揮錨固體的整體作用。

4.2 高速公路邊坡生態(tài)加固

目前，高速公路建設(shè)中的邊坡植物加固越來越受到重視，利用植被或植被與巖土技術(shù)相結(jié)合形成的邊坡生態(tài)加固技術(shù)在工程實(shí)踐中得到越來越多的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的工程加固相比，邊坡生態(tài)加固技術(shù)不僅可以減少水資源浪費(fèi)、防止水土流失，還可以凈化空氣、保護(hù)環(huán)境、提高行車安全以及運(yùn)營安全，具有良好的綜合效益。隨著環(huán)境保護(hù)理念的深入人心，高速邊坡加固也從傳統(tǒng)工程加固方式向新型加固方式轉(zhuǎn)變。植物生態(tài)加固新技術(shù)，與傳統(tǒng)的工程加固措施相結(jié)合形成了邊坡工程生態(tài)加固新體系。根據(jù)邊坡所處的自然環(huán)境不同，在邊坡生態(tài)加固技術(shù)中采用的施工方法和施工工藝也有所不同。

1）人工種草護(hù)坡。人工種草護(hù)坡是通過植物根系與土體的相互作用起到加固土體，減少水土流失的一種生態(tài)防護(hù)措施。這種防護(hù)措施適用于對于穩(wěn)定、高度較矮、坡面重沖刷較小的邊坡，一般不用于巖石邊坡防護(hù)。

2）平鋪草皮護(hù)坡。平鋪草皮護(hù)坡機(jī)理與人工種草護(hù)坡相同，平鋪鋪草皮護(hù)坡適用于邊坡坡度較陡，沖刷較為嚴(yán)重邊坡的防護(hù)。平鋪草皮護(hù)坡還有具有人工種草護(hù)坡不具備的優(yōu)勢，鋪草皮坡面護(hù)坡可以對施工結(jié)束后的邊坡進(jìn)行實(shí)時的坡面防護(hù)，防止出現(xiàn)坡面的風(fēng)化。

邊坡生態(tài)加固應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蝾愋秃屯寥捞卣鬟x擇鄉(xiāng)土樹種，強(qiáng)調(diào)因地制宜的原則，防止生物入侵現(xiàn)象的出現(xiàn)。

5 結(jié)語

如果在實(shí)際工程中單純采用工程加固的方法，在后期的高速公路運(yùn)營過程中則會產(chǎn)生很多問題。僅進(jìn)行工程加固對可能會導(dǎo)致已完工的邊坡外觀顏色暗沉，缺乏生機(jī)，工程加固措施還與環(huán)境景觀極不協(xié)調(diào)，不能滿足現(xiàn)代高速公路對環(huán)保綠化以及景觀的需求，也不利于行車安全、行車舒適。此外，單純采用工程加固對邊坡進(jìn)行處理的造價相對較高，雖然它加固效果較好，但也具有一定的局限性。

對于邊坡生態(tài)加固，由于植物護(hù)坡整體栽培期較長，在植物生長初期，覆蓋率低，根系稀疏分布。然而，與傳統(tǒng)工程加固措施相比，植被與工程措施相結(jié)合的邊坡防護(hù)措施具有傳統(tǒng)工程加固措施無法比擬的優(yōu)勢。邊坡生態(tài)加固能迅速恢復(fù)工程建設(shè)破壞的生態(tài)環(huán)境，且邊坡生態(tài)加固成本低，也避免了傳統(tǒng)工程加固措施隨時間推移出現(xiàn)老化、強(qiáng)度降低問題。