唐璜
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摘要：本文根据工程案例，对路堑边坡支护工程设计中应用坡率法与锚杆（索）设计，实现了经济合理的目的。
关键词：路堑边坡；锚杆（索）支护设计
一、工程概况与地质条件
某道路沿现有道路走向（实质是对现有道路进行拓宽）。项目路基挖方形成的约740m边坡，根据勘察资料显示如下：<3-1>坡积粉质粘土：可塑，实测标贯击数N=4- 16击，经修正后N=415.3击，标准值4.9击；<3-2>残积粘性土：可塑一硬塑，实测标贯击数N=1227击，经修正后N=11.724.5击，标准值13.6击；<4-1>强风化钾长花岗岩：岩体极破碎，岩芯多呈碎块状，土石工程分级为IV级；<4-2>中风化钾长花岗岩：粗粒结构，块状构造，岩质新鲜，岩体较完整，岩芯多呈中短柱状，土石工程分级为IV - V。
A线路基段地下水位埋深4.5--8.3m，沿线边坡段钻孔均未见地下水位。地下水的补给来源主要为大气降水。
二、边坡支护设计思路
路堑边坡设计主要内容为：现场调查、详细工程地质勘察、结构面特征及力学参数的确定、稳定性计算分析、确定设计方案。本边坡是由于道路向两侧拓宽挖方形成的边坡，其顶面覆盖有坡积土、残积土和土状强风化岩，是边坡治理的主要地层，坡体的下部也出露岩体，因此本边坡属于土岩混合边坡。
表1 地层物理力学指标
一般的岩土边坡，如果不受场地环境的制约，最经济和便捷的治理方式是放坡，但是对于最大高度达80m的超高边坡显然是不现实的。考虑到目前可供采用的边坡加固措施主要有：①减载；②排水与截水；③锚固；④支挡；⑤压坡等。结合本边坡地质和环境特点，从技术可行性、环境影响可行性、工期可行性和经济可行性着手，最终采用减载、锚杆（索）及排水和截水的支护方案。
三、边坡设计
（一）边坡高度。边坡高度和工程造价直接相关，经过多次线路调整及对道路路面标高调整，边坡高度最终为20}80m，边坡长度约740m。
（二）边坡形式。平面上以拟建道路边线外4.1m作为边坡坡脚边线，结合场地地貌，以10m为一个放坡阶梯，采用上缓下陡折线形，形成放坡坡面。每级边坡设2.0-4.0m宽的平台，要求尽量利用现状坡面，贯彻“不破坏就是最大的保护”的理念，避免大土方量修坡。
（三）边坡坡率。根据边坡稳定性分析，下部边坡基本上位于中风化花岗岩层中，第1级边坡采用1：0.3坡率；第2-3级边坡采用1：0.5坡率；中部位于岩层和残积粘性土交界部位，采用1：0.75坡率；上部位于粘性土层，采用1：1.01：1.25坡率。典型剖面如图1所示。
图1 典型刨面图
（五）稳定性分析
由于本边坡属于土岩混合边坡，对土质边坡和类土质边坡可用传统的圆弧形破坏面进行计算，但沿土层界面滑动不一定是圆弧。岩质边坡，即使是强风化岩体，其破坏也要沿不利结构面组合，因此多为折线形，用推力传递法比较符合实际。其选用的计算参数C、 值也应根据地质情况不同而分段选取。
针对上述特点，采用两种分析方法分别进行分析计算，即对于上部的土层坡体先采用简化Bishop圆弧滑动法搜索圆弧滑动面；又由于边坡高度大且陡坡体下部仍存在部分的岩层段坡体，采用简化Bishop法搜索折线形滑动面法。
（1）计算荷载。主要考虑坡体自重、地下水作用和渗透压力作用：①坡体自重，即坡体受到的重力，为滑坡的主要荷载之一，水位以上取天然重度，水位以下取浮重度计；②动水压力，即地下水渗流过程中对坡体产生的渗透压力，地下水位以下计算渗透压力；③静水压力，即裂隙充水后水柱作用在坡体上的侧压力，因滑体上的裂缝基本已被充填，故不考虑静水压力；④地震力，即坡体在水平地震加速度下所受的作用力，由于本边坡所处地理位置抗震烈度小于6度，因此不考虑地震力作用。
（2）安全系数及计算工况。对于路堑边坡，根据《公路路基设计规范》，其稳定安全系数应满足表2的要求。
表2 路埑边坡稳定安全系数
边坡稳定性性分析分成以下3种工况：①正常工况，即边坡处于天然状态下的工况；②非正常工况I即边坡处于暴雨或连续降雨状态下的工况；③非正常工况II，即边坡处于地震等荷载作用下的工况（本边坡不予考虑）。
本边坡设计计算采用2个工况。工况I：自重荷载+道路面荷载，安全系数不小于1.20；工况II：自重+道路面荷载+地下水荷载+暴雨荷载，安全系数不小于1.10。
校核采用2个工况。工况III：自重荷载+道路面荷载，安全系数不小于1.3；工况IV：自重荷载+道路面荷载+暴雨荷载+地下水荷载，安全系数不小于1.15；
边坡计算时，考虑所有不利荷载，不限制滑动面出口位置，推算边坡潜在滑动面位置，并计算其安全系数。若安全系数小于工况所要求的安全系数，则通过设置锚杆或预应力锚索，并依据计算增减锚（索）。若仍达不到设计安全系数要求，则需对坡体形式进行重新设计，并重复上述工作，直至达到设计工况安全系数的要求。
（六）计算过程
以典型剖面图 1 为例，首先推测最危险滑动面，采用简化 Bishop 圆弧滑动法计算安全系数。计算荷载为自重荷载+道路面荷载+地下水荷载，控制参数为圆弧滑动面，不考虑地震，不考虑渗透力作用，不考虑边坡外侧静水压力，水位位于坡面下 0.5m。计算最不利滑动面滑动安全系数=0.562，安全系数小于 1.20，则需增设锚杆（索），计算过程如表 3。
表3 典型刨面图1计算结果
通过设置 23 道锚杆（索），工况Ⅰ、Ⅲ均能满足安全要求，但工况Ⅱ、Ⅵ由于考虑暴雨荷载，计算控制参数中水位至坡面，则整个边坡需输入饱和重度状态下的岩土参数均不满足安全要求。最后通过增加锚杆（索）的长度和调整锚杆（索）的间距，使工况Ⅱ、Ⅵ满足安全要求，但计算出的锚杆（索）长且密，第2~4 级锚索长度达到 40m，间距2m×2m，整个边坡的支护费用极高。
边坡工程设计关键参数取值大小关系到支护设计的稳定可靠度，且与工程造价密切相关。边坡计算中的关键参数见表 1，即：岩土力学参数 G（土体自重）、 （内摩擦角）、c（粘聚力）、frb（岩土与锚固体的粘结强度特征值）及计算过程中引入的安全系数 K，文献中指出根据各行业手册及规范查得，参数变化增幅为 42.9%，但对应的计算剩余下滑力从 42.9%增加到 1000%，可见参数的改变会增加巨大的工程投资，造成很多不必要的浪费。
结合本项目，勘察期间边坡各钻孔未有发现地下水，但在计算设计工况Ⅱ、校核工况Ⅵ由于要考虑暴雨荷载（暴雨荷载是可存在的），考虑到边坡处于暴雨或连续降雨状态下，由于雨水来不及通过边坡设置的截水沟和排水沟排泄，雨水会向下渗到坡面下土层中，但是这个下渗不会渗透到整个边坡，也就是不会无限向下渗透。因此计算模型假定暴雨状态下，沿边坡面向下 5m 范围内被雨水渗透，那么在输入岩土参数时，这5m范围内的土体参数是饱和状态下的土体参数，其余边坡岩土层的土体参数仍然是天然状态下的参数。通过调整计算参数最终结算结果见表 3。
典型剖面 1 由上至下八级边坡，共设置 23 道锚杆（索），分别为：第 8 级设 3 道 Φ25@3m×3m，L=15m 钢筋锚杆+三维网植草；第 7 级~第 4 级各设 4道 4ΦS15.24@4m×4m，L=25m 锚索+客土喷播植草或三维网植草；第 3 级设 4 道Φ25@4m×4m，L=15m 钢筋锚杆+客土喷播植草；第 2 级~第 1 级位于中风化花岗岩层中，第 2 级采用坡面客土喷播植草，第 1 级坡面不做处理。
（七）坡体其他防护措施设计
（1）边坡平台处理：边坡平台在防止边坡侵蚀、坡面排水、为养护工人提供便道方面起着重要作用。本边坡每个 10m 为一阶梯，留出 2~4m 平台，平台设置排水沟。
（2）坡体绿化：主要是保护边坡坡面免受雨水冲刷，防止和延缓软弱岩土表面的风化、破碎、剥蚀变化过程，以便保护边坡的整体稳定性。结合本地的地质和气候，本边坡上部土层采用植草，下部岩石采用喷射素混凝土的防护措施，最下部为干挂中、微风化花岗岩。
（3）边坡排水系统：采用边坡纵横排水系统，根据当地的气候特征，结合当地气象资料，首先预测整个边坡的汇水量，然后在平面坡顶、坡脚及各级边坡平台设置排水沟和截水沟，纵向上每隔 20m 设置跌水，便于汇集坡顶及各级坡面水到跌水井。
四、结束语
（1）边坡支护设计时，应结合当地的自然地形、地质和当地的经验、技术条件综合考虑，确定一个最优的设计方案。该设计方案具有安全可靠、技术领先、造价经济、施工便捷，同时边坡设计应注重绿化、排水等措施。
（2）边坡计算要充分考虑各种工况，对安全系数K 根据不同工况做出合理取值，同时对于岩土参数宜应根据不同工况结合工程地质条件以及当地气候条件做出合理的假定，只有这样才能在设计上更好的做到安全可靠、经济合理。
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论文作者:唐璜
论文发表刊物:《基层建设》2015年19期供稿
论文发表时间:2015/12/24
标签：工况论文; 荷载论文; 安全系数论文; 参数论文; 岩土论文; 自重论文; 道路论文; 《基层建设》2015年19期供稿论文;