公路半挖半填路基邊坡防護(hù)穩(wěn)定性研究

摘 要：公路半挖半填路基邊坡防護(hù)穩(wěn)定性的對(duì)公路安全運(yùn)營(yíng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，因此本文以山東省某公路邊坡工程為研究案例，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、赤平投影分析得到邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并用數(shù)值模擬等方法確定邊坡錨桿格梁防護(hù)措施，保證路基邊坡的穩(wěn)定。研究結(jié)果表明：巖層層面與坡面傾向順向相交，為順向坡，但層面傾角約為9°，中風(fēng)化巖體類型為Ⅲ類，邊坡工程安全等級(jí)為二級(jí)，須增加混凝土錨桿格梁邊坡防護(hù)。施作錨桿格梁后，位移峰值減少幅度達(dá)到86.5%，進(jìn)一步提高了邊坡的承載能力和耐久性。

關(guān)鍵詞：公路路基；邊坡穩(wěn)定性；邊坡防護(hù)

中圖分類號(hào)：U 41 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著公路建設(shè)的快速發(fā)展，高等級(jí)公路里程不斷增加，半挖半填路基作為山區(qū)公路常見的建設(shè)形式，其邊坡穩(wěn)定性問題受到重視。公路半挖半填路基邊坡穩(wěn)定性分析方法主要分為力學(xué)分析法和工程地質(zhì)法2種[1]。力學(xué)分析法包括數(shù)解法和圖解或表解法，通過假定不同的滑動(dòng)面，根據(jù)力學(xué)平衡原理進(jìn)行分析，判斷邊坡的穩(wěn)定性[2]。工程地質(zhì)法則是根據(jù)不同土類及其狀態(tài)，結(jié)合大量資料的調(diào)查和分析，擬定路基邊坡穩(wěn)定值參考數(shù)據(jù)[3-4]。通過構(gòu)建邊坡的三維模型，可以更準(zhǔn)確地模擬邊坡在復(fù)雜條件下的變形和破壞過程，為邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)[5-6]。本文以山東省某公路邊坡工程為研究案例，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、赤平投影分析得到了邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并用數(shù)值模擬等方法確定了邊坡錨桿格梁防護(hù)措施，保證了路基邊坡的穩(wěn)定。

1 工程概況

山東省某公路工程半挖半填路基位于丘間寬緩的溝谷內(nèi)，該段現(xiàn)狀均為耕地，丘間多發(fā)育溝谷，地形起伏較為明顯。場(chǎng)地內(nèi)第四系堆積層有多種成因類型，分布不連續(xù)，在緩坡及溝底地段局部發(fā)育，呈不規(guī)則片狀、條帶狀間斷分布，分布厚度相對(duì)較大，在地形起伏相對(duì)較大的地段，例如陡坡、丘頂?shù)鹊囟胃采w層通常較薄，基巖出露較為明顯。溝谷段巖土界面大致呈“U”形，以殘坡積層為主，陡坡、丘頂?shù)囟螏r土界面通常不連續(xù)。通過地質(zhì)鉆探、地面地質(zhì)調(diào)查和搜集前人成果及相關(guān)地質(zhì)資料，場(chǎng)地內(nèi)上覆第四系全新統(tǒng)人工素填土和第四系殘坡積粉質(zhì)黏土。

路基設(shè)計(jì)場(chǎng)地巖石以物理風(fēng)化為主，其形式有表層風(fēng)化、裂隙式風(fēng)化及順層風(fēng)化。風(fēng)化速度和深度與巖性、地形、裂隙發(fā)育程度密切相關(guān)。砂巖與泥巖互層時(shí)差異風(fēng)化明顯，容易形成“凹巖腔”。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，按設(shè)計(jì)高程開挖，將在道路左側(cè)形成最高約4.5m的填方邊坡，在道路右側(cè)形成最高約1.54m的挖方邊坡。

2 邊坡土質(zhì)試驗(yàn)測(cè)定分析

對(duì)本段擬建線路范圍填土進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，查明該段棄土場(chǎng)內(nèi)的人工填土的均勻性與密實(shí)度。當(dāng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，本場(chǎng)地素填土多呈松散狀，容易塌孔，單次試驗(yàn)深度較大，可能導(dǎo)致觸探桿難以拔出，因此在第一次測(cè)試結(jié)束后，換回旋鉆進(jìn)至預(yù)計(jì)深度跟入套管后再進(jìn)行第二次動(dòng)力觸探試驗(yàn)，防止塌孔掩埋觸探設(shè)備。在測(cè)試過程中，錘擊數(shù)＞50擊時(shí)換回旋鉆，鉆穿后繼續(xù)試驗(yàn)。

根據(jù)《工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（DBJ50/T—043—2016），在剔除測(cè)試結(jié)果異常值后進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，結(jié)合場(chǎng)地內(nèi)平均錘擊數(shù)確定異常值，通常以超過20擊為異常值。統(tǒng)計(jì)成果見表1。

對(duì)測(cè)試成果進(jìn)行分析得出：錘擊數(shù)為3.8擊～11.8擊，平均6.13擊，變異系數(shù)為0.38，變異系數(shù)高，表明該土層均勻性較差，在試驗(yàn)過程中，探頭多次擊到回填的塊石上（其錘擊數(shù)超過20擊），表明該填土層在水平方向和垂直方向的變化均較大，均勻性較差，填料級(jí)配不良，密實(shí)程度也不一致。按《市政工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（DBJ50—174—2014）中的相關(guān)規(guī)定，將其判定為松散，須采取相應(yīng)的邊坡防護(hù)措施，保證公路邊坡運(yùn)營(yíng)期的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

3 邊坡赤平投影穩(wěn)定性分析

左側(cè)邊坡地表覆蓋層厚度基本不超過2.50 m，左側(cè)挖方邊坡坡體主要由強(qiáng)-中風(fēng)化泥巖組成。邊坡坡向約為97°，據(jù)露頭調(diào)查，該段巖層產(chǎn)狀為120°∠9°，主要發(fā)育兩組節(jié)理裂隙：裂隙1產(chǎn)狀為290°∠84°；裂隙2產(chǎn)狀為20°∠81°。根據(jù)結(jié)構(gòu)面、邊坡的空間組合關(guān)系繪制赤平投影圖，如圖1所示。

由圖1可知，裂隙1與坡面傾向呈反向相交，對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利影響較小，裂隙2與坡面傾向呈大角度切向相交，對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利影響較小，巖層層面與坡面傾向順向相交，為順向坡，但層面傾角約為9°，其對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利影響小，裂隙與層面組合切割巖體形成的楔形體位于邊坡體外，其對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利影響小，因此左側(cè)邊坡穩(wěn)定性主要是由巖體強(qiáng)度和抗風(fēng)化能力控制。

邊坡形成后，坡體上泥巖抗風(fēng)化能力很弱，可能因風(fēng)化導(dǎo)致出現(xiàn)掉塊，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行防護(hù)。該側(cè)邊坡最高約為17.12m，邊坡強(qiáng)風(fēng)化巖體類型為IV類，中風(fēng)化巖體類型為Ⅲ類，邊坡工程安全等級(jí)為二級(jí)，等效內(nèi)摩擦角建議取55°，巖體破裂角取62°。

路基段左側(cè)邊坡為土質(zhì)邊坡，邊坡體主要由可塑狀粉質(zhì)黏土組成，巖土界面平緩且與邊坡方向相反，邊坡開挖后上部土體整體沿巖土界面滑動(dòng)的可能性小，其可能破壞模式為其內(nèi)部圓弧滑動(dòng)，建議該段土質(zhì)邊坡按1∶1.75放坡后，在后坡面設(shè)置混凝土格構(gòu)+錨桿支護(hù)。

根據(jù)鉆探及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪可知，路基右側(cè)邊坡地表覆蓋層厚度薄，可直接清除，右側(cè)挖方邊坡坡體主要由強(qiáng)-中風(fēng)化泥巖組成，邊坡坡向約為277°，據(jù)露頭調(diào)查，該段巖層產(chǎn)狀為120°∠9°，主要發(fā)育兩組節(jié)理裂隙：裂隙1產(chǎn)狀為290°∠84°；裂隙2產(chǎn)狀為20°∠81°。根據(jù)結(jié)構(gòu)面、邊坡的空間組合關(guān)系繪制投影圖，如圖2所示。

由圖2可知，裂隙1與坡面傾向呈小角度順向相交，但裂隙傾角陡，遠(yuǎn)大于按1∶0.75放坡的邊坡傾角，其對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利影響較小；裂隙2與坡面傾向呈大角度切向相交，對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利影響較??；巖層層面與坡面傾向反向相交，為方向坡，其對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利影響??；裂隙1與層面組合切割巖體形成的楔形體位于邊坡體內(nèi)，裂隙1與層面組合切割巖體形成的楔形體位于邊坡體內(nèi)，邊坡形成后可能發(fā)生崩落、掉塊等。裂隙1與層面組合切割巖體形成的楔形體位于邊坡體內(nèi)，邊坡形成后可能發(fā)生崩落、掉塊等。

右側(cè)邊坡形成后，坡體上的泥巖抗風(fēng)化能力很弱，還可能因風(fēng)化導(dǎo)致掉塊，因此應(yīng)及時(shí)進(jìn)行防護(hù)。該側(cè)邊坡最高約為34.32 m，為超限邊坡，邊坡強(qiáng)風(fēng)化巖體類型為IV類，中風(fēng)化巖體類型為Ⅲ類，邊坡安全等級(jí)為一級(jí)。因此右側(cè)邊坡按設(shè)計(jì)坡率放坡可行，坡面建議采取拱形骨架護(hù)坡措施，邊坡頂?shù)自O(shè)置截排水系統(tǒng)，保證邊坡穩(wěn)定。

4 邊坡防護(hù)數(shù)值模擬分析

邊坡施工防護(hù)前后的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析是評(píng)估邊坡穩(wěn)定性和防護(hù)效果的重要手段。對(duì)路基邊坡施作錨桿格梁護(hù)坡前后進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，可以量化錨桿格梁護(hù)坡措施對(duì)邊坡穩(wěn)定性的提升效果。對(duì)比護(hù)坡前后的模擬結(jié)果，可以直觀地看到邊坡穩(wěn)定系數(shù)的變化，從而評(píng)估護(hù)坡工程的實(shí)際效果，有限元數(shù)值模型如圖3所示。

在未施作錨桿格梁前，左側(cè)邊坡在開挖后坡面整體會(huì)有較大的位移，超過30mm的位移由坡地一直延伸至坡頂，最大位移為32.1mm，出現(xiàn)在坡頂最底處，且呈現(xiàn)延伸趨勢(shì)，這種情況下極易出現(xiàn)坡面整體垮塌情況，影響公路的正常運(yùn)行。邊坡增加錨桿格梁前計(jì)算云圖如圖4所示。

通過模擬采取防護(hù)措施后的邊坡，可以發(fā)現(xiàn)邊坡的穩(wěn)定性顯著提升。在施加防護(hù)措施后，邊坡的位移量通常會(huì)顯著減少，特別是沿著潛在滑動(dòng)面的位移。應(yīng)力分布也會(huì)發(fā)生變化，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解，邊坡的整體受力狀態(tài)得到改善。在未施作錨桿格梁前，邊坡的水平位移可能在某些區(qū)域（例如靠近坡腳或坡中）達(dá)到峰值。在施作錨桿格梁后，這些區(qū)域的水平位移峰值會(huì)顯著減少，在靠近二級(jí)坡位置處，支護(hù)前的位移峰值可能達(dá)到18.1mm，而支護(hù)后減至2.4mm，減少幅度達(dá)到86.5%。路基邊坡的位移變化主要體現(xiàn)為水平位移和豎向位移顯著減少。這種變化不僅提高了邊坡的整體穩(wěn)定性，還有助于降低邊坡在自然環(huán)境（例如降雨、地震等）作用下的潛在風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，通過調(diào)整邊坡內(nèi)部的應(yīng)力分布和位移規(guī)律，錨桿格梁支護(hù)進(jìn)一步提高了邊坡的承載能力和耐久性。數(shù)值模擬結(jié)果表明，合理的防護(hù)措施能夠顯著提高邊坡的穩(wěn)定性，減少位移和應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。邊坡增加錨桿格梁后計(jì)算云圖如圖5所示。

5 施工技術(shù)控制措施

在邊坡支護(hù)措施施工前，需要進(jìn)行地質(zhì)勘察，識(shí)別潛在的結(jié)構(gòu)面、軟弱帶和不良地質(zhì)條件，確定滑坡的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為后續(xù)的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，合理確定邊坡的幾何形狀、坡度和坡向，避免形成不利于穩(wěn)定的邊坡形態(tài)。采取分級(jí)放坡、平臺(tái)設(shè)置等措施，降低邊坡的整體高度和坡度，提高邊坡的穩(wěn)定性。對(duì)已經(jīng)形成的楔形體來說，可以采用注漿加固、錨固加固等方法，增強(qiáng)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體性，防止其發(fā)生滑動(dòng)，并且設(shè)置有效的排水系統(tǒng)，包括地表排水和地下排水，降低邊坡體內(nèi)的地下水位，減少水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。防止雨水等外部水源滲入邊坡體內(nèi)，加劇滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。需要建立邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，定期對(duì)邊坡變形、應(yīng)力等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在的安全隱患。

設(shè)置預(yù)警機(jī)制：當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)警值時(shí)，及時(shí)發(fā)出警報(bào)，采取應(yīng)急措施，防止滑坡發(fā)生。當(dāng)邊坡附近進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)盡量減少對(duì)邊坡的擾動(dòng)和破壞，避免開挖、爆破等活動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。加強(qiáng)施工管理：保障施工過程中的安全，保證質(zhì)量。在邊坡上種植適宜的植被，恢復(fù)其生態(tài)功能，提高邊坡的抗沖刷能力和穩(wěn)定性。通過植被的根系固土作用，減少水土流失，提高邊坡的整體穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

密實(shí)度測(cè)試成果分析得出：錘擊數(shù)為3.8擊～11.8擊，平均6.13擊，變異系數(shù)為0.38，變異系數(shù)高，表明該土層均勻性較差，該填土層在水平方向和垂直方向的變化均較大，均勻性較差，填料級(jí)配不良。

通過赤平投影分析，巖層層面與坡面傾向順向相交，為順向坡，但層面傾角約為9°，中風(fēng)化巖體類型為Ⅲ類，邊坡工程安全等級(jí)為二級(jí)，等效內(nèi)摩擦角為55°，巖體破裂角為62°，需要增強(qiáng)混凝土錨桿格梁邊坡防護(hù)。

施作錨桿格梁后，這些區(qū)域的水平位移峰值會(huì)顯著減少，在靠近二級(jí)坡位置處，支護(hù)前的位移峰值可能達(dá)到18.1mm，而支護(hù)后減至2.4mm，減少幅度達(dá)到86.5%。通過調(diào)整邊坡內(nèi)部的應(yīng)力分布和位移規(guī)律，錨桿格梁支護(hù)進(jìn)一步提高了邊坡的承載能力和耐久性。

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