广东省冶金建筑设计研究院
摘要：平兴高速公路设计过程中，边坡失稳、滑坡失稳是设计过程中的遇到的难题，切实的解决是必须的。平兴高速公路第C1设计合同段位于平远县、梅县辖区内，起点位于赣粤界，本标段内高度大于30米的路堑高边坡多达9处。本文通过工程地质比拟法、力学计算法及经验对比法等方法对平兴高速公路边坡稳定性进行分析，采取合理可行的路堑高边坡设计方案。
关键词：路堑高边坡；工程地质比拟法；力学计算法；经验对比法
前言
济南至广州国家高速公路平远（赣粤界）至兴宁段（简称“平兴高速公路”，下同）是国家规划的“7918”高速公路网中的第四纵——济南至广州高速公路(编号G35)的组成部分，路线起于梅州市平远县(赣粤界)，经平远、梅县、兴宁，终于五华县境内，与梅河高速公路相接。由于平兴高速公路的建设，线路所经地带山体自然平衡和植被生态平衡将不同程度的受到破坏，以及一些其它人为和它为的原因而受到破坏，其必定会对高速公路的边坡稳定和使用寿命带来影响。如何保证平兴高速公路边坡的稳定将是一个值得研究的重要设计问题。在复杂地质条件下的平兴高速公路边坡，在分步开挖不设加固支挡结构的条件下，通常其稳定性较差，需施加加固支挡措施来确保其稳定。
一、岩土体工程地质岩组特征及评价
项目范围内岩土体工程主要有松散、松软堆积层岩组、层状碎屑岩组、层状碳酸岩组及块状硬质岩组。
1、松散、松软堆积层岩组
由黏性土、砂、卵石、碎石土等组成，松散透水，强度低，易压缩变形，稳定性较差。易发工程地质问题主要有土质滑坡、塌方。
2、层状碎屑岩组
岩性为粉砂岩、含砾砂岩、页岩，泥灰岩。岩质较软，强度低，易风化破碎，稳定性差，结构性差。易发工程地质问题主要有滑坡、崩塌。
3、层状碳酸岩组
岩性为灰岩，岩质较硬，强度较高，岩溶发育，其中炭质灰岩多含薄层状炭质页岩，易形成软弱夹层。易发工程地质问题主要有基础失稳。
4、块状硬质岩组
岩性为花岗混合岩、变质砂岩、花岗岩，岩质坚硬，但部分地段风化程度较强。易发工程地质问题主要有崩塌。
二、路堑高边坡的变形类型和破坏模式
工程地质类比是边坡设计的重要内容，也是工程边坡稳定评估的重要依据。根据与本线相距较近、地质单元相类似的国省道及高速公路的既有边坡类经发现，坡体开挖后主要有以下几类可能发生的破坏模型。
（1）边坡深层变形
边坡所在山体或斜坡体工程地质条件差，有不良坡体结构或岩体结构，有贯通且延伸度长的倾向临空的不利结构面或软弱夹层，地下水发育，影响范围深、边坡较高，存在产生规模较大的滑坡、坍塌、错落等坡体整体失稳变形的可能，其范围常超出边坡范围。针对此类坡体变形，结合坡形、坡率设计，必须采取支挡或加固措施，如预应力锚索框架、抗滑挡土墙等，用以固脚强腰，同时辅以必要的排水及减重等措施，确保坡体的稳定。由于此类变形规模大，危害严重，常是边坡稳定性评价的重点。同时对沿线存在的高液限土边坡,设计时也予以重点考虑。
（2）边坡浅层变形
在边坡范围内工程地质条件较差，或含水量高，或有倾向临空的不利结构面，变形破坏可以是一级或数级边坡的变形，但破坏深度一般不超过6～7m，如坍塌、滑坍、局部契形体滑动等。针对此类边坡变形病害，采用改变坡形、坡率或做一些如锚杆框架、仰斜排水孔等一般加固及排水措施，即可防止病害的发生及变形规模的进一步扩大。
（3）坡面变形
当边坡稳定性主要受坡面风化剥蚀和受水冲刷等产生坡面变形，如剥落、溜坍、冲沟等，破坏深度一般为坡体表层1～2m范围，此类变形只需采取防护措施(骨架内植草、网格骨架内植草等)，即可防止坡面的变形。
上述三类变形经常由小至大的发展，呈现渐进式破坏过程。由于边坡开挖后应力松弛，造成坡面沿节理面开裂，随时间的发展松弛区逐渐扩展，当不利结构面形成贯通的趋势，再加上雨水等因素，最终发展为边坡整体性失稳，因此本次设计应该避免此类情况的发生。
三、路堑高边坡稳定性分析方法
1、工程地质比拟法
①从自然极限稳定坡的坡形坡率坡高与人工边坡的平均坡率和坡高对比中评价稳定性；
②从自然山坡已发生的变形类型和规模推断人工边坡可能发生的变形类型和规模；
③从坡体结构分析人工边坡可能发生的变形类型及产生的部位（整体或局部）；
2、力学计算法
①规模较大的碎裂结构岩质边坡和土质边坡宜采用简化Bishop法计算；
②对可能产生直线形破坏的边坡宜采用平面滑动面解析法进行计算；
③对可能产生折线形破坏的边坡宜采用不平衡推力法计算；
3、经验对比法：以类似地质条件下稳定的人工边坡作参考，类比新边坡设计。将惠深高速公路已建路堑边坡的坡形、坡率和坡高、防护形式、稳定性和植被覆盖情况的调查结果，作为本次边坡设计的重要参考依据。
总之，边坡稳定性分析时，选择符合坡体结构和破坏模式的计算方法对设计的坡体进行稳定性计算，调整坡形或设置支挡工程以达到合理的设计。
四、路堑高边坡设计
对地形地貌较缓的山坡，采用放坡减载设计；对地形地貌陡峻的路段采用弱削方、强支挡的原则，避免“剥山皮”式的刷坡，针对不同坡体岩土结构采用不同坡形坡率设计。路堑高边坡统一采用台阶式设计，边坡平台一般宽2.0m，对于高度较大、地质条件较差的边坡，如有卸载条件，常在坡体中部设计一个或多个5.0m左右的宽平台，以减少坡脚集中应力。碎落台一般宽2.0m，为了使边坡美观圆顺，边坡开口线采用圆弧过渡，与自然山坡衔接处理，采用绿化植草锁边，避免边坡生硬形态，增强美观效果。
路堑边坡坡度设计根据岩性、地质构造、岩石的风化破碎程度、边坡高度、地下水等因素合理确定。边坡坡率采用值见下表。
注：土层、全风化岩层及泥质软岩，当地下水发育时，坡率应降低一级或选用低限值；一般岩层，当节理较发育，岩层较破碎时，选用低限值。
五、路堑边坡加固防护设计
本线路堑高边坡设计遵循 “减载、固脚、强腰、排水”的原则，贯彻“建绿色通道，走环保之路”、“恢复自然、水土保持、综合治理、因地制宜、技术先进、经济美观”的理念。在卸载受限制，放坡对自然植被影响严重的路段，采取“强支挡、弱削方”的原则来加固边坡；部分工点具备放坡施工条件，采用放坡减载设计，以缩短工期和降低工程造价。
1、防护工程措施的选用
目前，岩土边坡常用的支挡加固工程可分为传统的支挡体系（如：各种形式的挡土墙等）、桩式体系（如：普通抗滑桩、预应力锚索桩）和锚式体系（如：砂浆锚杆、注浆钢锚管、预应力锚索等）。这些常用措施，经长期的工程实践检验都是行之有效的，设计理论是成熟的，技术上的可靠的。
不同体系的支挡加固技术措施，既具有各自的优势，也存在一定的局限性和不足。
（1）挡土墙（支挡体系）：最大的优势是片石（或砼）来源广泛，施工方便，具有良好的经济性。其最大的局限性是承载能力较小，对高陡边坡适应能力差，挡墙建筑高度受限制，收陡效果不明显，且圬工量较大，影响人为工程与自然环境的协调。
（2）普通抗滑桩、预应力锚索桩（桩式体系）：这类桩式体系最大优势是抗滑能力强，充分利用锚固段岩土的自身强度，对高边坡收坡效果较好。但其最大不足是对地形地貌和地质条件有较高要求，施工历时较长，工艺相对较复杂，工程造价高。
（3）预应力锚索（锚式体系）：通过预应力锚索结构自身特点，锚索体锚入（锚固段）边坡一定深度，并按设计需要对锚索体施加一定张拉力，由此锚索体主动对边坡岩土产生预应力，及时平衡边坡潜在裂面产生的下滑力，并有效扼制边坡松弛区的发展，从而达到稳定边坡的目的。其工程造价较桩式体系具有明显优势，也是现在公路边坡进行治理的主要工程措施之一。
（4）钢筋砂浆锚杆：钢筋砂浆锚杆具有施工简便、快速、工程造价低廉的优点，适用于边坡浅层变形（坍塌、小型楔体破坏等）的预防性加固。钢筋砂浆锚杆配套框架，增强了坡面的整体性和稳定性外，并为岩质坡面绿化提供了良好条件。
（5）注浆钢锚管：该项技术措施如同钢筋砂浆锚杆一样，与坡面成一定角度由潜孔钻机成孔，置入钢花管并注水泥砂浆构成锚管体达到稳定边坡的目的。其优点是可以通过注浆压力调整和二次注浆而增加锚孔周边岩土的吸浆量——达到固化锚孔周边破碎岩土和提高锚管体的锚固力的双重复合作用，提高边坡的稳定性。
2、高边坡的加固设计
根据高边坡工程稳定性评价，对评价结果为稳定性较差和不稳定的边坡进行加固。根据有关规范要求，加固后的边坡稳定安全系数不小于1.2～1.3。
第一级边坡主要采用锚杆加框架进行加固。具有如下优点：一是固脚，增强边坡的整体性，防止边坡产生过高应力集中破坏，有利于边坡的稳定；二是坡面分格后可植草绿化，有利于坡面的美观。设计中根据地层的地质情况等因素考虑，坡率多为1：0.75～1.0，锚杆钢筋直径为φ28，框架格梁间距3m*3m，格梁尺寸采用0.3m*0.3m截面。
对第二级及以上的边坡，预应力锚索主要用于加固边坡失稳力较大及潜在破裂面较深的情况，普通锚杆主要用于加固边坡失稳力小及潜在破裂面较浅的情况。
结论：路堑边坡的设计是否合理是决定路堑边坡稳定的关键，它包括确定坡形、坡率、边坡高度和加固与防护结构的类型等。故在一定的工程地质条件下，路堑边坡的稳定性取决于设计的坡形坡高及加固措施是否与地质条件相适应。
论文作者:李远洪
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/16
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