公路高邊坡治理設(shè)計(jì)及穩(wěn)定問題分析

摘要 在公路工程施工中，高邊坡治理是一個(gè)關(guān)鍵問題。為進(jìn)一步提高公路高邊坡的穩(wěn)定性，文章從公路高邊坡失穩(wěn)破壞形式及成因入手，介紹了高邊坡加固原則和治理要點(diǎn)；結(jié)合工程實(shí)例，根據(jù)高邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，闡述了錨索支護(hù)+攔石墻+SNS防護(hù)網(wǎng)防護(hù)治理方案的應(yīng)用。結(jié)果表明，坡體未發(fā)生較大位移，不同工況下高邊坡的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算值均大于設(shè)計(jì)值，高邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，以期為類似高邊坡的治理提供參考，提高公路運(yùn)行的安全性。

關(guān)鍵詞 公路；高邊坡；穩(wěn)定性分析；加固原則；治理方法

中圖分類號(hào) U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）17-0158-03

0 引言

高邊坡指的是高度在20～100 m之間的土質(zhì)邊坡，或者高度在30～100 m之間的巖質(zhì)邊坡。公路工程建設(shè)過程中高邊坡較為常見，尤其是山區(qū)線性開挖的公路，在氣象地文、地形地貌、巖土性質(zhì)等因素的綜合影響下，高邊坡很容易失穩(wěn)破壞，威脅人身安全，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。通過分析高邊坡的穩(wěn)定性，采取科學(xué)有效的加固方案或治理措施，可避免失穩(wěn)破壞現(xiàn)象發(fā)生。以下結(jié)合工程實(shí)踐，重點(diǎn)探討公路高邊坡的穩(wěn)定問題及治理設(shè)計(jì)方案。

1 公路高邊坡失穩(wěn)破壞形式及成因

1.1 公路高邊坡失穩(wěn)破壞形式

1.1.1 坡面沖刷

在土質(zhì)邊坡中，巖土干燥狀態(tài)下的強(qiáng)度較高，浸水后因內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞、黏聚力減小，整體強(qiáng)度明顯降低。若遇到長(zhǎng)時(shí)間降雨的情況，雨水和地表水對(duì)坡面產(chǎn)生沖刷作用，因淺溝侵蝕、細(xì)溝侵蝕、跌水等，最終可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞。

1.1.2 剝落掉塊

在邊坡中部和坡腳附近，容易出現(xiàn)剝落掉塊的情況。以坡腳上方1～2 m處為例，一方面受到壓應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生近似水平的壓碎帶，壓碎帶內(nèi)的土體呈現(xiàn)出片狀、鱗甲狀剝落；另一方面在水力作用下，土體也可能因開裂而大面積剝落。

1.1.3 濕陷變形

黃土是一種特殊的巖土體，其土質(zhì)均勻、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙發(fā)育，具有明顯的濕陷性特征。黃土高邊坡在降水或地表水的影響下，坡面會(huì)形成凹穴或不均勻沉降，因邊坡的整體性破壞而發(fā)生變形。

1.1.4 崩塌滑塌

崩塌多見于建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)、坡度較陡的高邊坡上，表現(xiàn)為坡頂坍塌、坡腰塌落?；鷦t兼具崩塌與滑坡的特征，在破壞的邊坡土體中可見明顯的滑動(dòng)面，具有突發(fā)性、頻繁性等特點(diǎn)，主要和土質(zhì)、受力等因素有關(guān)。

1.2 公路高邊坡失穩(wěn)成因

1.2.1 巖土性質(zhì)因素

邊坡主要分為巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡兩大類，巖土性質(zhì)不同，其穩(wěn)定性高低也有差異。其一，地質(zhì)構(gòu)造是影響邊坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)因素，常見如風(fēng)化程度、節(jié)理發(fā)育等；其二，巖土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角影響物理力學(xué)特征，一旦承受擾動(dòng)的能力超過限值，就可能引起失穩(wěn)破壞。

1.2.2 地下水因素

在影響高邊坡穩(wěn)定性的自然因素中，地下水占據(jù)重要地位，因?yàn)榈叵滤欠翊嬖?、水位高低、活?dòng)特性等，均會(huì)改變巖土體的物理力學(xué)特征。例如：地下水在流動(dòng)過程中，會(huì)改變巖土體的剪切力和法向力，一旦地下水進(jìn)入裂隙部位或薄弱結(jié)構(gòu)面，巖土體的結(jié)構(gòu)抗力會(huì)降低，進(jìn)而引起開裂、滑塌等情況[2]。

1.2.3 設(shè)計(jì)施工因素

從設(shè)計(jì)角度看，高邊坡施工前的地質(zhì)勘察不到位，對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造、巖土物理力學(xué)特征掌握不準(zhǔn)確，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)邊坡高度、坡度、支護(hù)方式設(shè)計(jì)不當(dāng)，均無法保證高邊坡的穩(wěn)定性。從施工角度看，高邊坡削坡方式不當(dāng)，在坡頂堆載重物或停放機(jī)械，采取的支護(hù)措施不及時(shí)等，也可能造成邊坡失穩(wěn)。

2 公路高邊坡加固原則和治理要點(diǎn)

2.1 加固原則

公路高邊坡加固作業(yè)遵循以下原則：一是預(yù)防為主。高邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，不僅影響公路工程的正常施工進(jìn)度，還可能造成人身傷害和經(jīng)濟(jì)損害；因此，高邊坡加固應(yīng)以預(yù)防為主，完善前期調(diào)查工作，采取科學(xué)有效的加固方案，避免失穩(wěn)破壞現(xiàn)象的發(fā)生。二是綜合分析。不同高邊坡的地質(zhì)構(gòu)造和巖土體性質(zhì)不同，且造成失穩(wěn)破壞的因素較多，這就需要技術(shù)人員進(jìn)行綜合分析，充分考慮所有的病害類型，分清失穩(wěn)破壞的主要和次要因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，制定針對(duì)性、根治性的加固方案，徹底消除安全隱患。三是技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理。高邊坡加固作業(yè)中，既要考慮技術(shù)性，滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求；又要考慮經(jīng)濟(jì)性，不能盲目提高施工成本[3]，這就需要技術(shù)人員進(jìn)行方案比選，綜合評(píng)價(jià)后選擇性價(jià)比最高的加固方案。

2.2 治理要點(diǎn)

2.2.1 進(jìn)行穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性分析是高邊坡治理的第一步，需要根據(jù)邊坡的幾何尺寸、巖土體的物理力學(xué)特征、外界荷載條件等，計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)。目前，常用的分析方法有工程類比法、圓弧滑動(dòng)法、有限元分析法等。以高邊坡滑塌為例，從微觀層面來看，巖層發(fā)生滑動(dòng)，是因?yàn)檐浫鯇游挥谶吰碌募羟忻嫔?，下滑力超過抗滑力而造成剪切面破壞。對(duì)此，采用預(yù)應(yīng)力錨索加固，能夠?qū)瑒?dòng)面產(chǎn)生約束力，在穩(wěn)定性分析中采用有限元分析法，錨索作用下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)K計(jì)算公式如下：

（1）

式中，f——滑動(dòng)面巖土摩擦系數(shù)；Ni——第i條滑動(dòng)面的法向力，其中i取值為1～n；Ci——第i條滑動(dòng)面的黏聚力（kPa）；Li——第i條滑動(dòng)面的長(zhǎng)度（m）；Ti——第i條滑動(dòng)面的切向力（N）；PN——錨索產(chǎn)生的法向分力（N）；PT——錨索產(chǎn)生的切向分力（N）。結(jié)合錨索的數(shù)量、傾角等參數(shù)，若預(yù)應(yīng)力錨索產(chǎn)生的錨固效果滿足邊坡穩(wěn)定系數(shù)，就能防止滑塌現(xiàn)象發(fā)生。

2.2.2 邊坡防水排水

上述分析可知，降水、地表水和地下水是造成高邊坡失穩(wěn)破壞的重要原因，采取防水排水措施是治理工作的有效手段。例如：邊坡土體排水不暢，長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中，導(dǎo)致巖土體軟化，其承載力和抗剪強(qiáng)度降低，容易發(fā)生滑坡。對(duì)于這一情況，可在坡頂設(shè)置排水溝，在坡地設(shè)置集水井，在坡體內(nèi)部設(shè)置滲水排水通道，將水力作用帶來的不利影響降至最低，即可提高邊坡穩(wěn)定性。

2.2.3 坡面支擋防護(hù)

對(duì)坡面進(jìn)行支擋防護(hù)，是最常用的加固技術(shù)措施，如設(shè)置擋土墻、使用抗滑樁、錨桿/錨索支護(hù)、生態(tài)防護(hù)等。例如：抗滑樁是使用柱形構(gòu)件穿過滑坡體，并深入到穩(wěn)定巖層或土層內(nèi)部，從而對(duì)滑動(dòng)力進(jìn)行阻擋，適用于滑動(dòng)面傾角較小的情況，具有加固效果好、施工簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)；錨桿支護(hù)是使用金屬件制成桿柱，打入地表巖體或預(yù)先鉆好的孔中，產(chǎn)生黏結(jié)、補(bǔ)強(qiáng)、懸吊效果，具有支護(hù)效果好、使用靈活、占用施工凈空小等優(yōu)點(diǎn)[4]；生態(tài)防護(hù)則是將圬工材料、錨桿和植物結(jié)合起來，充分發(fā)揮出協(xié)同作用，具有經(jīng)濟(jì)、美觀、生態(tài)效益良好等優(yōu)點(diǎn)。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

某公路工程線路全長(zhǎng)26.5 km，道路呈東西走向，采用雙向四車道，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度為26 m，設(shè)計(jì)行車速度為70 km/h。該公路沿線地形起伏較大，包括山地、丘陵、淺灘等。其中，K17+200～K17+350段左側(cè)邊坡最大高度為34.3 m，原始坡角為28°，坡面植被較少，由于長(zhǎng)期受到雨水沖刷和風(fēng)化作用，導(dǎo)致坡體裂隙發(fā)育，有局部崩塌和剝落傾向，必須進(jìn)行加固處理。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該邊坡巖土體自上而下分別是填土、碎石土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖，巖體類別為2～4類，屬于巖漿巖高邊坡。坡面裂隙發(fā)育，局部存在斷層、節(jié)理裂隙等情況，是造成邊坡失穩(wěn)的直接原因。該邊坡進(jìn)一步分為5個(gè)分區(qū)，編號(hào)為1#～5#，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1所示：

3.2 高邊坡崩塌穩(wěn)定性分析

針對(duì)該高邊坡的崩塌穩(wěn)定性，主要采用以下兩種方法進(jìn)行分析：

一是定性分析法，基于極射赤平投影方法，對(duì)裂隙結(jié)構(gòu)面和邊坡臨空面的空間關(guān)系進(jìn)行分析。當(dāng)組合交線與坡面傾向相切，組合交線傾角小于坡角，說明此處的邊坡不穩(wěn)定，容易發(fā)生滑動(dòng)破壞，例如3#分區(qū)的邊坡。

二是極限平衡法，適用于受斷層控制結(jié)構(gòu)面組合交線不穩(wěn)定的坡段，如1#、5#分區(qū)的邊坡，通過計(jì)算結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)判斷邊坡的穩(wěn)定性。主要參數(shù)見表2所示：

分析結(jié)果顯示，該高邊坡裸露坡面受到構(gòu)造節(jié)理、應(yīng)力釋放、風(fēng)化作用，導(dǎo)致巖體裂隙發(fā)育，局部存在較小的斷層。多個(gè)組合結(jié)構(gòu)面之間產(chǎn)生切割力，容易發(fā)生滑移崩塌；加之重力、降水的作用，巖體出現(xiàn)張拉裂隙易造成剝落現(xiàn)象。

3.3 治理方案設(shè)計(jì)

結(jié)合該工程實(shí)際情況和穩(wěn)定性分析結(jié)果，擬采用錨索支護(hù)+攔石墻+SNS防護(hù)網(wǎng)防護(hù)的綜合治理方案。其中，較為穩(wěn)定的巖石坡面實(shí)施SNS主動(dòng)防護(hù)，其余坡面采用錨索支護(hù)，坡腳處設(shè)置攔石墻，并在坡頂設(shè)置截水溝，以完善整個(gè)邊坡的排水系統(tǒng)。

3.3.1 錨索支護(hù)

錨索支護(hù)的施工順序是：技術(shù)準(zhǔn)備—鉆孔—錨索制安—灌漿—框架梁施工—錨索張拉—錨索封錨。關(guān)鍵環(huán)節(jié)的施工技術(shù)方法如下：

（1）鉆孔。測(cè)量放樣，嚴(yán)格按照施工圖紙確定錨孔位置，將具體位置標(biāo)注在邊坡上，誤差控制在±50 mm以內(nèi)，保證鉆孔精度。鉆機(jī)就位時(shí)，保證鉆機(jī)的垂直度，偏差控制在±1°以內(nèi)，防止發(fā)生孔位偏斜的情況，并對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行固定。采用干鉆法，鉆進(jìn)過程中應(yīng)密切觀察，如果出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)停止鉆進(jìn)，采用灌漿法加固，待凝結(jié)后方可恢復(fù)鉆進(jìn)作業(yè)。控制好鉆孔深度，確保實(shí)際深度比設(shè)計(jì)值大20 cm；鉆到位后繼續(xù)保持2～3 min，防止過多的殘?jiān)街诳妆谏稀３煽缀髴?yīng)清理鉆孔內(nèi)殘?jiān)?，為錨具安裝打下基礎(chǔ)，該工程使用高壓空氣清理，清理完成后檢驗(yàn)成孔，確保滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）錨索安裝。錨索安裝時(shí)應(yīng)筆直進(jìn)入孔內(nèi)，不能發(fā)生晃動(dòng)，以提高錨索的穩(wěn)固性。錨索與鉆孔的傾角應(yīng)保持一致，兩者的偏差控制在±1°以內(nèi)，避免對(duì)錨索受力造成不利影響[5]。錨索安裝完成后及時(shí)固定，需要糾偏時(shí)應(yīng)緩慢扭轉(zhuǎn)，不能敲擊，防止振動(dòng)對(duì)孔壁造成損傷。

（3）灌漿。漿液使用1∶1水泥砂漿，水灰比為0.45，漿液強(qiáng)度>40 MPa。采用兩步注漿法，第一步將注漿管固定在中軸，距離錨索60～90 mm；第二步將注漿管固定在管套外，再次注漿。注漿過程中，控制好注漿壓力，維持在0.4 MPa左右。注漿完成后穩(wěn)壓2 min，促使?jié){液沖破第一次的灌漿體并向錨固體內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散。

（4）錨索張拉。張拉方向與軸線方向應(yīng)保持一致，以形成良好的張拉作用力，發(fā)揮邊坡的加固效果。當(dāng)注漿壓力達(dá)到25 MPa時(shí)，即可進(jìn)行張拉作業(yè)，提高張拉效率、縮短張拉時(shí)間。采用逐級(jí)加載法，每完成一次加載后觀測(cè)錨頭的位移情況，直至加載量達(dá)到100%。

3.3.2 攔石墻

為防止高邊坡發(fā)生剝落、石塊滾落，應(yīng)在坡腳處設(shè)置落石平臺(tái)，平臺(tái)外側(cè)設(shè)置混凝土攔石墻。其中，落石平臺(tái)的寬度設(shè)計(jì)，既要結(jié)合落石的運(yùn)動(dòng)速度和距離，又要考慮坡面防護(hù)系統(tǒng)，最終確定為8.5 m。在平臺(tái)上層回填素填土，并且種植喬木，對(duì)落石起到緩沖作用，同時(shí)美化景觀?；炷翑r石墻斷面為梯形，頂部、底部寬度分別為850 mm和1 350 mm，高度為2 400 mm，進(jìn)入土層深度600 mm，墻身由C30混凝土澆筑而成。

3.3.3 SNS防護(hù)網(wǎng)防護(hù)

一旦邊坡出現(xiàn)落石現(xiàn)象，為限制落石的運(yùn)動(dòng)范圍，在巖體性質(zhì)較好、穩(wěn)定性較強(qiáng)的坡段鋪設(shè)SNS防護(hù)網(wǎng)。該防護(hù)網(wǎng)的柔性大、防護(hù)強(qiáng)度高，可適應(yīng)任何坡面地形，而且安裝作業(yè)程序標(biāo)準(zhǔn)化，具有工期短、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合該工程實(shí)際，選擇GPS2型防護(hù)網(wǎng)，鋼絲繩直徑為16 mm，長(zhǎng)度為3 m，間距為2 m，注漿強(qiáng)度不低于M20。在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)，應(yīng)鋪設(shè)一張鋼絲繩網(wǎng)，與支撐繩聯(lián)結(jié)并拉緊，對(duì)坡面產(chǎn)生預(yù)緊壓力，提高坡面巖體的穩(wěn)定性。此外，SNS防護(hù)網(wǎng)的使用，不會(huì)影響坡面綠化和植被生長(zhǎng)，具有良好的生態(tài)效益[6]。

3.4 治理成果

高邊坡加固治理后，在穩(wěn)定的巖體上設(shè)置變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，施工期間每5 d監(jiān)測(cè)一次，惡劣天氣應(yīng)適當(dāng)提高監(jiān)測(cè)頻率；加固作業(yè)完成后，繼續(xù)監(jiān)測(cè)12個(gè)月。其中，地表沉降采用全站儀、水準(zhǔn)儀、裂縫計(jì)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，支擋結(jié)構(gòu)采用沉降儀、測(cè)斜儀、鋼筋應(yīng)力計(jì)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該工程最終順利完成了加固治理任務(wù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示位移量均在允許范圍內(nèi)。

另選取代表斷面K17+260，分別計(jì)算正常條件下、暴雨條件下的高邊坡穩(wěn)定系數(shù)，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較。定量計(jì)算結(jié)果顯示，正常條件下高邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.31，大于設(shè)計(jì)值1.25；暴雨條件下高邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.27，大于設(shè)計(jì)值1.20，可見邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過該次研究得出以下結(jié)論：（1）公路高邊坡的失穩(wěn)破壞形式，主要有坡面沖刷、剝落掉塊、濕陷變形、崩塌滑塌，失穩(wěn)原因主要和巖土體性質(zhì)、地下水、設(shè)計(jì)施工等因素有關(guān)，可能是單一因素引起，也可能是多個(gè)因素共同作用所致。（2）高邊坡加固治理，應(yīng)遵循預(yù)防為主、綜合分析、技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的原則，在穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，主要采取邊坡防水排水、坡面支擋防護(hù)等措施，消除高邊坡失穩(wěn)破壞的影響因素。（3）針對(duì)巖質(zhì)高邊坡，采用錨索支護(hù)+攔石墻+SNS防護(hù)網(wǎng)防護(hù)的綜合治理方案效果良好，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明位移量均在允許范圍內(nèi)；正常條件下、暴雨條件下的高邊坡穩(wěn)定系數(shù)均大于設(shè)計(jì)值，說明高邊坡的穩(wěn)定性得到顯著提高，該治理方案可在類似工程中加以推廣應(yīng)用。

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