高速公路改擴建工程高邊坡開挖過程穩(wěn)定性研究

摘"要：高速公路改擴建工程中，高邊坡的開挖過程穩(wěn)定性是一個重要的研究課題。本文通過對高邊坡開挖施工中存在的穩(wěn)定性問題進行分析，提出了一系列的解決措施，包括邊坡硬防護、優(yōu)化工藝和設備、監(jiān)測和警示等。通過這些措施的實施，可以有效降低高邊坡開挖過程對交通安全造成的風險，確保施工過程順利進行。

關鍵詞：高速公路；改擴建工程；高邊坡開挖過程；穩(wěn)定性文章編號：2095-4085（2024）07-0040-03

0"引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，高速公路改擴建工程的需求不斷增長。然而，在高速公路改擴建工程中，面臨著高邊坡開挖過程的穩(wěn)定性問題，這不僅會對施工工期和成本造成影響，還可能給交通安全帶來風險。因此，研究高邊坡開挖過程的穩(wěn)定性具有重要意義。

1"項目背景

G5京昆高速綿陽至成都段擴容工程TJ10標段線路起于三臺縣永明鎮(zhèn)，在涪城區(qū)豐谷鎮(zhèn)境內(nèi)與成萬高速共線，將現(xiàn)有成萬高速公路“四改八”，沿途經(jīng)涪

江特大橋、豐谷互通到達關帝鎮(zhèn)，通過新建關帝樞紐互通與成萬高速分離，往楊家鎮(zhèn)方向與新建路線相連接，通往成都。標段起訖里程樁號：K27+000-K41+891.412， 主線長度14.89km， 塘汛樞紐連接線4.6km， 總長19.49km。

沿線上跨成萬高速施工點位共11處，涉及3座橋梁拆除重建（綿三天橋、K36天橋、K35天橋），2座渡槽拆除重建（K33渡槽、K35渡槽），3座橋梁新建（F2、C2、D2匝道橋），3座橋梁幫寬（豐谷互通主線橋、李家灣中橋、馬家大橋）。上跨橋梁結構形式均為鋼箱梁結構（見圖1）。

2"高邊坡開挖前的地質調(diào)查與分析

2.1"工程區(qū)地質特征描述

在進行高速公路改擴建工程高邊坡開挖前，首先需對工程區(qū)的地質特征進行詳細描述。這些地質特征包括但不限于土層分布、地層巖性、斷裂帶和節(jié)理系統(tǒng)、地下水位等。通過詳細的地質調(diào)查，在工程區(qū)域

內(nèi)收集和分析各種地質數(shù)據(jù)，可以為后續(xù)的邊坡穩(wěn)定性研究提供基礎。例如，工程區(qū)的土層分布情況直接影響著邊坡開挖的穩(wěn)定性。不同類型的土層具有不同的工程性質，如顆粒級配、密度、孔隙水壓力等。巖性是另一個重要因素，它決定著巖體的強度和變形特性。斷裂帶和節(jié)理系統(tǒng)在邊坡開挖過程中可能會導致巖體破裂和滑動的風險。地下水位的高低會對土體的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響［1］。

2.2"巖土工程性質測試與分析

在地質特征描述的基礎上，還需要進行一系列巖土工程性質的測試與分析。通過對土體和巖石樣本進行室內(nèi)試驗，可以確定其物理性質、力學性質以及水文性質等。在土體方面，常見的性質測試包括顆粒分析、比重測定、液塑限度測試等。這些數(shù)據(jù)可用于土體分類、計算受力狀態(tài)等。另外，還可以進行土體壓縮和剪切試驗，以獲得其變形和強度特性。對于巖石，可以進行抗壓、抗拉和抗剪強度等試驗，以了解其力學性質。此外，還應對地下水位進行監(jiān)測和記錄，以確定地下水位的變化及可能對邊坡穩(wěn)定性的影響。另需考慮季節(jié)性和長期水位變化，并對水文數(shù)據(jù)進行分析。

2.3"邊坡穩(wěn)定性評價方法選擇

常見的方法包括經(jīng)驗法、解析法和數(shù)值模擬法。經(jīng)驗法是基于過去的工程經(jīng)驗和實例，結合工程區(qū)的地質特征，進行邊坡穩(wěn)定性評估。這種方法具有操作簡單、速度快等優(yōu)勢，但僅適用于簡單的邊坡情況。解析法是基于力學原理和巖土力學理論，通過解析求解邊坡的穩(wěn)定性方程。這種方法要求具備一定的理論基礎，適用于各種復雜的邊坡情況。數(shù)值模擬法是采用數(shù)值計算工具，如有限元法、離散元法等，對邊坡開挖過程進行數(shù)值模擬。它能夠考慮更多復雜因素的影響，提供更準確的邊坡穩(wěn)定性評價結果?？筛鶕?jù)實際需要和可行性，結合以上因素，選擇最合適的方法進行邊坡穩(wěn)定性評價，并分析其適用性和局限性［2］。

3"高邊坡開挖過程中的地應力變化分析

3.1"地應力變化規(guī)律探討

高邊坡開挖過程中，地下土體所受的應力狀態(tài)會發(fā)生顯著的變化。為了探討地應力變化的規(guī)律，在進行高邊坡開挖前和開挖過程中，需要對地下土體的初始應力狀態(tài)進行測量和分析。地下土體初始應力狀態(tài)由地表荷載、地下水壓力以及地層本身的自重所引起。通過現(xiàn)場測量和實驗室試驗，可以獲取初始應力狀態(tài)下的地應力分布情況。在開挖過程中，隨著土體的開挖和剝離，土體所受的應力分布將發(fā)生變化。這是由于土體的失重效應以及周圍巖土體應力分布的調(diào)整所致。地應力的變化對邊坡的穩(wěn)定性具有重要影響。

3.2"開挖對應力場的影響分析

開挖過程中對土體的剝離和移除將導致土體下方形成一個空洞或不完全填充的區(qū)域，從而改變了地下土體的應力場分布?？斩磪^(qū)域中的應力狀態(tài)將會發(fā)生改變，并對周圍土體施加壓力。此外，開挖還會導致周圍地下水位發(fā)生變化，從而改變地下水對土體的側向壓力。這些變化會直接影響土體的穩(wěn)定性。因此，在高邊坡開挖過程中，需要通過數(shù)值模擬或實測等方法來研究開挖對土體應力場的影響。這可以幫助評估開挖過程中土體的受力狀態(tài)，并為邊坡穩(wěn)定性分析提供重要依據(jù)。

3.3"地應力變化對邊坡穩(wěn)定性的影響

土體的應力狀態(tài)直接影響邊坡的穩(wěn)定性。地應力的變化會導致土體內(nèi)部的剪切強度、摩擦角等工程參數(shù)發(fā)生變化，從而影響邊坡的承載能力和抗滑穩(wěn)定性。當?shù)貞Φ淖兓瘜е峦馏w強度降低，邊坡可能出現(xiàn)滑動或失穩(wěn)的風險。此時，需要進行邊坡穩(wěn)定性的重新評估，并采取相應的支護措施。此外，在開挖過程中，地應力變化還可能導致邊坡表面的沉降或變形。這些變形現(xiàn)象會對邊坡的穩(wěn)定性造成不利影響，并可能引發(fā)其他地質災害。因此，準確分析地應力變化對邊坡穩(wěn)定性的影響非常重要。通過合理的工程設計和監(jiān)測手段，可以及時發(fā)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性問題，并采取相應的安全措施，以保證工程安全進行。

4"高邊坡開挖過程中的邊坡變形與破壞機制分析

4.1"邊坡的沉降特征與變形行為分析

在高邊坡開挖過程中，邊坡的沉降特征和變形行為是關注的重點。邊坡開挖后，土體會受到剪切力和應力的改變，從而引起沉降和變形。因此，對邊坡沉降特征和變形行為進行分析十分重要。邊坡的沉降特征通常表現(xiàn)為邊坡表面的垂直下沉或傾斜。通過監(jiān)測邊坡表面的位移，可以了解邊坡沉降的發(fā)展情況以及變形速率。同時，還需考慮邊坡的不均勻沉降現(xiàn)象，例如沿邊坡高度和不同位置的沉降差異。除了沉降，邊坡的變形行為也需要分析。主要包括邊坡的側限擴張、土體的收縮和膨脹、裂縫的出現(xiàn)等。這些變形行為會對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。通過實地觀察和監(jiān)測，可以獲得邊坡變形的詳細行為特征和規(guī)律。

4.2"邊坡的裂縫發(fā)展與破壞機理分析

在高邊坡開挖過程中，裂縫的發(fā)展與破壞是邊坡穩(wěn)定性的主要關注點。邊坡變形和應力的改變會導致裂縫的產(chǎn)生和擴展，進而影響邊坡的強度和穩(wěn)定性。裂縫的發(fā)展機理與邊坡的力學性質密切相關。主要包括土體的強度、剪切帶的形成與演化、水的滲透和排泄等。由于開挖導致的土體內(nèi)部應力釋放和變化，使土體可能出現(xiàn)剪切破壞，從而產(chǎn)生裂縫。裂縫的發(fā)展過程分為萌芽期和擴展期兩個主要階段。在萌芽期，裂縫形成但尚未擴展；而在擴展期，裂縫逐漸擴大并影響邊坡的穩(wěn)定性。通過實地觀察、測量和數(shù)值模擬等手段，可以分析邊坡裂縫的形成機制、擴展規(guī)律以及其對邊坡穩(wěn)定性的影響。這對于評估邊坡的穩(wěn)定性和制定相應的支護措施具有重要意義。

4.3"變形和破壞與巖土工程參數(shù)關系分析

邊坡的變形和破壞過程與巖土工程參數(shù)之間存在著密切的關系。巖土工程參數(shù)包括土體的物理性質（如密度、 含水量）和力學參數(shù)（如抗剪強度、 摩擦角）等。通過實驗室試驗和現(xiàn)場監(jiān)測，可以獲取土體的巖土工程參數(shù)，并與邊坡的變形和破壞過程進行關聯(lián)分析。例如，通過剪切試驗研究土體的剪切強度與變形特性之間的關系；通過密度試驗研究土體的壓縮性與沉降變形之間的關系。這些分析可以揭示邊坡變形和破壞過程的機制和規(guī)律，并為邊坡設計和支護提供依據(jù)。

5"高邊坡開挖過程穩(wěn)定性控制措施

5.1"支護結構選擇與設計原則

在高邊坡開挖過程中，為保證施工安全和坡體穩(wěn)定，需要采取一系列的措施進行支護結構的選擇與設計?？筛鶕?jù)邊坡的地質條件和工程要求，選擇適當?shù)闹ёo結構類型。常見的支護結構包括噴射混凝土、錨桿錨索、爆破塊石體等。不同的地質條件和工程要求適合采用不同的支護結構，因此需充分了解邊坡的巖土特性和受力情況，以確定最合適的支護方式。支護設計要充分考慮整體穩(wěn)定性和變形控制，從而確保支護結構的承載能力和剛度滿足要求。例如，在較高的邊坡上，可采用邊坡分段或階梯式支護，以減小邊坡的斜坡長度，提高穩(wěn)定性。此外，應根據(jù)地下水位和降雨情況，設計合理的排水系統(tǒng)，減少水分對邊坡穩(wěn)定的影響。另外，還需考慮施工工藝和時間進度等因素，合理安排支護結構的施工順序和方法。例如，可采用先開挖后支護的工藝，通過及時設置臨時支撐或噴射混凝土等方式來維持邊坡的穩(wěn)定性。同時，還要加強監(jiān)測和預警，確保在變形或位移超過預定范圍時能及時采取應急措施，以保證工程安全［3］。

5.2"臨近既有高速進行高邊坡拓寬開挖施工的交通安全問題解決方案

在臨近既有高速路進行高邊坡拓寬開挖施工時，容易出現(xiàn)落石等問題，會對交通安全造成風險。為了解決這個問題，可以在邊坡的關鍵部位設置硬質防護，如混凝土梁、鋼筋網(wǎng)或巖石錨桿等。這樣可以增加邊坡的穩(wěn)定性，減少邊坡的崩塌和落石的可能性。在施工過程中，可使用先進的工藝和設備來提高施工效率，并減少對邊坡穩(wěn)定性的不利影響。例如，使用無爆破的施工方法，能減少震動和沖擊力對邊坡的影響；使用高效的挖掘設備，可減少對土體的擾動和松動。此外，在進行邊坡開挖之前，可以進行前期的地質勘察和評估，以確定邊坡的穩(wěn)定性，并制定相應的施工方案和控制措施。在施工過程中，需要對邊坡進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)邊坡變形和位移的異常情況，并采取相應的措施，如撤離施工人員和臨時限制交通等，以確保交通安全。同時，與既有高速的管理部門進行密切合作，制定好施工期間的交通管理方案，從而確保施工區(qū)域的交通暢通和安全。

5.3"既有高速路基幫寬的新老路基不均勻沉降問題解決方案

在既有高速路基幫寬的過程中，新老路基之間會存在不均勻沉降的問題。為了減少這個問題的發(fā)生，在新老路基接觸區(qū)域的軟土地基可以采用碎石樁或水泥攪拌樁等處理方法，以提高軟土地基的承載力和抗沉降能力。這些樁體能夠增加土體的側向支撐和固結，減少沉降的發(fā)生。對于幫寬邊坡，可以在邊坡上設置臺階，并在臺階位置進行強夯，以增加邊坡的穩(wěn)定性，并減少邊坡下滑和土體沉降的風險。臺階的設置能夠改變土體的應力狀態(tài)，并分散荷載，減少不均勻沉降的可能性。同時，在幫寬路基的填筑過程中，需要采取適當?shù)目刂拼胧?。例如，可在?m填筑一層路基后，進行沖擊碾壓，以增加填筑層的密實度和穩(wěn)定性。此外，考慮到不均勻沉降的情況，可以進行分層填筑，每層填筑之間需進行充分的振動或加固處理。這樣可以均勻地分布荷載和應力，減少新老路基之間的差異，降低不均勻沉降的風險。

5.4"水位控制對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

水位的變化會直接影響邊坡土體的飽和度和有效應力，從而對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在開挖邊坡時，如果存在高水位，水的滲透和滲流會對土體的結構和強度產(chǎn)生破壞，并增加土體的重力和液體壓縮力，使得邊坡的穩(wěn)定性降低。因此，在開挖邊坡前，需要進行合理的水位控制，降低地下水位來減少對邊坡的不利影響。另一方面，在填筑過程中，水位的控制也是關鍵。如果水位過高，會增加填筑土體的濕度和飽和度，導致土體的液化和減少強度，從而引起邊坡的沉降和失穩(wěn)。因此，在填筑路基時，需要控制好水位，保持土體的均勻飽和，以避免邊坡出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。然而，過分降低水位也可能對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響。當水位過低時，土體的飽和度下降，土壤粒子之間的顆粒間隙增大，土體強度下降，容易引發(fā)邊坡上部的滑坡和坍塌。因此，在水位控制過程中應綜合考慮土體水分特性和邊坡的穩(wěn)定性需求［4-5］。

6"結語

總之，高邊坡開挖過程的穩(wěn)定性是高速公路改擴建工程中的重要問題。通過邊坡硬防護、優(yōu)化工藝和設備、監(jiān)測和警示等措施的實施，可以有效降低高邊坡開挖過程對交通安全造成的風險，進而保障施工過程的安全順利進行。

參考文獻：

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［5］閆強.高速公路改擴建工程高邊坡開挖過程穩(wěn)定性研究［D］.西安：長安大學，2015.