摘要：本文阐述了道路高边坡稳定性影响因素和破坏机理，对道路高边坡设计过程和其中的重、难点进行了剖析，并结合工程实例，综合赤平投影和力学计算法对边坡稳定性进行分析，以“固脚强腰”的防治思路，采用锚杆框架格梁对坡面进行加固处理，为道路高边坡设计提供参考和借鉴。
关键词：道路高边坡；变形机理；稳定分析；防护设计
随着国民经济的发展和我国城市化进程的加快，近年来各地城市道路的建设迎来一个高峰期，部分城市道路建设项目地处低山、丘陵区，地形变化较大，道路设计中存在大量高边坡工程。如果设计施工方法不当，将导致高边坡开挖后发生各种病害，给运营留下安全隐患。因此，在设计时应特别注意结合工程地质特点，选择与破坏类型及模式相一致的计算方法，才能准确有效的对边进行坡防护设计，以保证道路边坡稳定和安全。
1．边坡稳定性影响因素概述
道路边坡是将自然地质体进行改造为人为工程设施，其在很短的时间内改变了自然坡体的应力状态和地下水的渗流条件，易造成暴露风化加剧、植被破坏地表水下渗、坡体松弛等问题，使坡体在各种自然营力的作用下极易发生变形。
道路边坡稳定性主要取决于：1、自然山坡的稳定状况（稳定、不稳定、极限平衡）；2、地质条件（地层岩性、地质构造、坡体结构、岩体结构、水文地质条件、风化程度等）；3、人为改造的程度（开挖深度、坡形、坡率等）。另外施工方法也是影响边坡稳定的重要因素，如雨季大开挖未及时防护造成大量雨水渗入而软化坡体岩土；大爆破施工破坏岩体完整性；开挖后长期暴露未及时防护加固；一挖到底不加固等不科学的施工方法是造成边坡失稳变形的一个重要原因。
2．边坡破坏机理分析
边坡变形破坏机理是边坡灾害预测和有效防治的理论基础，只有深入理解才能更准确有效的对边坡进行防护设计。
对于土质或类土质边坡，边坡破坏机理主要是平均坡率超过岩土强度所能保持的稳定坡度。或边坡高度过大时，坡脚剪应力超过该处的抗剪强度，而发生坍塌或圆弧面滑动破坏。这类边坡发生破坏一般是由于内部不同成因的软夹层或下伏基岩顶面的风化层受水后强度降低所导致。例如广东地区常见的粘性土边坡，发生滑动破坏的主要原因是边坡开挖卸荷松弛，地表水渗入坡体，粘土矿物遇水后强度大幅降低。故对土质边坡设计时应该特别注意坡形、坡率和坡高应符合土的强度和含水条件，加强地表和地下排水，以保证边坡稳定。
对于岩质边坡，边坡破坏分析应综合岩体完整性、结构面产状与结构面结合程度等因素。岩层为外倾结构面时，如存在软弱岩层或层间错动带，开挖渗水后с、Ф值减小，强度降低，易发生顺层滑坡，外倾结构面倾角越接近45°+φ/2，对岩体稳定性越不利。岩层为内倾结构面时，坡体一般较稳定，但当岩体陡倾角结构面走向与边坡的走向近乎一致时，坡体易发生倾倒破坏。岩体为碎裂和散体结构时受岩体的强度和含水状态控制，易发生与土质边坡类似的圆弧形滑坡。岩层层面与边坡面斜交且层面倾向坡外时，易发生层面与节理面组合的楔体破坏。
3．高边坡设计简述
3.1基础资料
高边坡设计需以详实的地质资料为基础，需查明边坡所在位置的地层、岩性、产状、风化程度、强度特征；不同地层在边坡上的分布位置，有无软弱夹层或接触面，其产状与边坡开挖面的关系；地下水出露位置、高程、流量变化等。
3.2稳定性分析
由于高边坡地质复杂性，高边坡设计中稳定性分析，计算的边界条件（范围）和破坏面岩土参数需要准确判定和选取。对于岩质边坡，边坡发生的多种破坏形式是由岩体中结构面的产状控制的，岩体中通常存在三、四组结构面，判断不同结构面构成的块体在特定的条件下是否具备临空面，并存在滑动的可能性，其分析步骤不仅繁琐而且概念十分抽象，目前比较有效手段是采用赤平投影法。应用赤平投影法来初步判断失稳模式，再通过力学计算法，确定边坡稳定安全系数。
目前对高边坡稳定性有多种力学计算法，计算时需特别注意选择与破坏类型及模式相一致的计算方法，计算时选用C、Φ等参数值时应注意根据地质情况不同分段选取。如均质土边坡有沿圆弧面滑动，有沿不同土层界面和基岩顶面的直线或折线形滑动。岩质边坡的破坏主要受软弱夹层和构造结构面组合控制，破坏面多为直线或折线；有的坡体为整体失稳，有的边坡可能只是顶部几级失稳，计算时只有结合破坏类型选用相一致的计算模型，才能得到符合实际的计算结果。对各种计算方法适用条件及优缺点等详见《边坡与滑坡工程治理（第二版）》，在此不再论述。
3.3防护加固
高边坡设计目前主要处治思路是“固脚强腰”。“固脚”即加强坡脚1、2或3级边坡的支撑力，“强腰”则是防止高边坡的局部失稳。边坡常用的加固措施有挡土墙、抗滑桩、锚索、锚杆框架格梁等，挡土墙对土质和类土质边坡稳定坡脚有良好作用，但景观效果较差；抗滑桩在土层、破碎岩层和顺层边坡中也较常使用，一般抗滑桩结合潜在滑动面设置在一级或二级平台位置，较少设置在三级平台以上，因为变形较大，上部三角体不满足半无限体锚固条件；锚索、锚杆框架格梁加固边坡的使用已十分广泛，在国内外都有大量成功的实践经验，但应注意锚索加固对土层由于地层不能提供较大的锚固力不能用大吨位锚索，对软岩边坡坡率不能过缓，易造成锚索框架受力后向上爬。
另外，高边坡设计时应重视完善的地表和地下排水系统，减少水对边坡稳定的影响，并充分考虑绿化美化、生态等方面功能开发，选取经济合理的方案，做到工程建设与环境保护相结合。
4、工程实例
4.1工程概况
本项目位置于湖北宜昌，为宜昌城北重要进出通道，道路呈南北走向，总长12.211km。道路等级为城市快速路，双向六车道，设计速度80km/h。拟建路线地处鄂西山前丘陵区，线路区属地貌单元为低山和山间盆地地貌，地形起伏较大，设计中不可避免采用了大量的高陡路堑。
在里程K7+480～K8+380段右侧，路线穿行山沟和山体边缘，局部穿越岗地，地形地貌较复杂，地面高程为109m～213m，地形坡度约40°～60°，植被较发育，工点最大挖方高度约为64.24m。
4.2工程地质条件
根据外业勘察及地质钻探资料，区域地质构造上属单斜构造，工点范围未见断层、褶皱发育，地质构造相对简单。场区内地层上部覆盖层主要由素填土、耕表土等组成，下伏基岩为白垩系五龙组下统（K1w）粉砂岩。覆盖层多较薄，局部可见基岩出露。工点边坡开挖地层具体情况分别如下：表层耕表土层厚平均约0.3m，由粘性土和大量植物根系组成，厚度较均匀；第二层强风化粉砂岩层厚0～3.2m，平均厚度1.28m，主要矿物成份为石英和长石，次为粘土矿物，泥质胶结，属松散胶结，风化裂隙很发育，岩体极破碎，属极软岩，遇水易软化、崩解，暴露后易进一步风化，强度易衰减；第三层中风化粉砂岩粉砂状结构，层状构造，以粉砂岩和泥质粉砂岩为主，胶结程度差，风化裂隙稍发育，岩体结构较完整，遇水易软化，具崩解性，暴露后易进一步风化，强度易衰减。
4.3工点高边坡稳定性分析
K7+480～K8+380段右侧工点边坡坡向115°，坡比1：0.50（约63°），倾向与坡向夹角为13°，属外倾结构面。边坡岩体类型为Ⅲ类，等效内摩擦角为55°。边坡主要岩体为中风化粉砂岩，岩体产状为128°∠6°，倾角较缓。采用结构面赤平投影定性分析，该边坡为顺向坡，节理裂隙L1产状205°∠80°，该节理倾向相对于坡面基本为正交，对边坡的稳定性不起控制作用；节理裂隙L2产状298°∠83°，该裂隙面产状较陡，由于结构面切割，岩体易发生碎落、坠落，不利于边坡的稳定性。
通过赤平投影分析可知，工点高边坡岩体不会产生沿层面的整体滑移破坏，边坡整体基本稳定，在经过合理的支护后，发生大规模的沿岩层面滑移可能性较小。但由于边坡岩体内裂隙局部较发育，且裂隙面产状较陡，这些结构面及其组合为边坡岩体崩塌提供了边界条件，经过爆破、暴露后，裂隙发育更密集，延伸变长，特别是薄层状的粉砂岩暴露后易逐步风化，遇水软化后沿切坡前缘或坡面产生掉块，滚石并导致坡体逐步后退。为了保证边坡下方道路的安全运营，需及时对边坡进行相关处治。
通过分析判断本工点边坡主要破坏类型为直线滑动破坏，力学计算采用基于斜条分边坡稳定极限平衡法中的Sarma法，通过理正岩土软件，按直线滑动面计算安全系数，各土层力学参数选取如下表所示：
计算得出正常工况安全系数为2.68，满足规范要求。
4.4工点高边坡设计方案
工点设计采用“减载、固脚、强腰、排水、绿化”的工程主导理念，综合稳定性分析、开挖施工扰动、两侧规划用地属性等多方面因素考虑，采用台阶式边坡设计，单级坡高10m，每级设置2m宽平台。
对第一至三级边坡采用锚杆框架格梁加固，锚杆框架梁节点间距3m，矩形布置，锚杆格梁截面尺寸为0.3×0.3m，采用C30砼浇筑。锚杆钢筋及锁定钢筋均采用HRB400的φ28钢筋制作，第一级边坡锚杆长取9m，第二、三级边坡锚杆长取12m，锚杆注浆体采用M30水泥砂浆，采用同标号水泥砂浆封堵孔口（需留气孔），注浆压力0.4～0.8MPa。
其它各级边坡按1：1～1：1.25坡度进行减载清方后，采用客土喷播植草进行护坡。同时由于地下水埋深较浅，在坡面梅花型设置仰斜式带孔PVC软式透水管，排水管直径100mm，管外包透水土工布。
边坡施工完成后至今，经多个雨季考验，边坡安全稳定，满足工程需求，达到预期的效果。
5、结 语
综上所述，高边坡设计是一种预测性、风险性、动态性的设计，需要从地质构造分析坡体开挖后可能发生的变形类型、部位和规模，需要以翔实的地勘资料为基础，并结合工程地质分析类比，选取与破坏类型及模式相一致的力学计算方法，加强变形监测，结合诸多因素进行动态的设计，并在实施过程中应重视对勘察结论的复核和确认。
参考文献：
[1]郑颖人、陈祖煜、王恭先、凌天清著《边坡与滑坡工程治理（第二版）》，人民交通出版社.2010.08。
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[4]王恭先、马惠民、王红兵著《大型复杂滑坡和高边坡变形破坏防治理论与实践》，人民交通出版社.2016.06。
[5]李安洪、魏永幸、姚裕春等著《山区铁路（公路）路基工程典型案例》，西南交通大学出版社.2016.12。
论文作者:刘思振
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/14
标签：产状论文; 结构论文; 裂隙论文; 稳定性论文; 稳定论文; 砂岩论文; 岩层论文; 《防护工程》2018年第36期论文;