要啟亮

（太原市炳坤公路勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著國家中西部大開發(fā)戰(zhàn)略的不斷實(shí)施及“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)，我國高速公路建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展，高速公路逐步向中西部山區(qū)邁進(jìn)，由于其地形溝壑縱橫，使之建設(shè)大量的路基高邊坡。對(duì)于山西省而言，其地處黃土高原，在路基施工過程中產(chǎn)生大量的黃土路基高邊坡，由于黃土大孔隙發(fā)育、垂直節(jié)理發(fā)育、含鈣質(zhì)成分較多，且具有強(qiáng)烈的水敏性等特殊的工程性質(zhì)，使得黃土路基高邊坡在施工及運(yùn)營過程中極易受外荷載及地下水、地表水的影響而產(chǎn)生剝落、崩塌、不均勻沉降等病害，嚴(yán)重影響施工安全，增加運(yùn)營養(yǎng)護(hù)成本。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者們針對(duì)黃土路基高邊坡開展了一系列的技術(shù)研發(fā)，提出了大量較為實(shí)用的技術(shù)方法。孫德榮[1]結(jié)合遼西地區(qū)濕陷性黃土路基的工程案例，深入分析了黃土路基在各工況下的病害情況，并提出了濕陷性黃土路基的處理措施；蔡同俊[2]利用室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論分析等手段深入研究了黃土路基的壓實(shí)特性，并提出了其壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，為黃土路基施工技術(shù)奠定了良好的支撐；李金云[3]等人結(jié)合黃土路基的工程案例，利用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段分析了強(qiáng)夯處置后的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，為黃土路基施工控制提供了理論基礎(chǔ)；屈耀輝[4]等人結(jié)合鄭西高鐵黃土路基工程案例，提出了濕陷性黃土路基沉降控制的技術(shù)體系；許興旺[5]依托鄭西、西寶、大西高鐵黃土地基，對(duì)黃土路基地基沉降變形控制參數(shù)、技術(shù)進(jìn)行全面研究。但是，目前針對(duì)黃土路基高邊坡的穩(wěn)定性研究方面的成果較少，且其防護(hù)技術(shù)多種多樣，良莠不齊，使得黃土路基高邊坡防護(hù)工程施工中問題不斷暴露。因此，本文依托山西某高速公路路基高邊坡的工程案例，利用數(shù)值模擬手段分析其穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上提出適用于黃土路基高邊坡的生態(tài)防護(hù)技術(shù)，為類似工程提供參考意義。

1 工程背景

山西某高速公路設(shè)計(jì)為雙向四車道，其設(shè)計(jì)速度為80 km/h，該項(xiàng)目地處呂梁山脈，且位于山西-陜西黃土高原北部地帶，其沿線地形地貌復(fù)雜，受長期地表徑流的沖刷侵蝕作用，其溝壑縱橫。項(xiàng)目區(qū)海拔高度在920～1280 m之間，其相對(duì)高差一般為80～100 m之間，最大高差達(dá)150 m，從而形成了以溝谷地形為主的黃土丘陵地帶，項(xiàng)目區(qū)地形地貌情況如圖1所示。

項(xiàng)目區(qū)深層地質(zhì)情況主要以泥巖、砂巖為主，其埋深普遍大于40 m；而淺部地質(zhì)情況主要以第四系上更新統(tǒng)沖擊質(zhì)黃土（Q3al）為主，其厚度高達(dá)35～40 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查資料顯示，項(xiàng)目區(qū)黃土分布較為均勻，呈淺黃色，土質(zhì)疏松，大孔隙、蟲洞發(fā)育，垂直節(jié)理較發(fā)育，且?guī)в腥鯘裣菪浴?/p>

受項(xiàng)目區(qū)地形地貌的影響，本項(xiàng)目沿線高填方路基35處，深挖路塹12處，其中高填方路基最高填土高度達(dá)42 m，共分為5個(gè)臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階高度為8 m，坡率均為 1∶2；平臺(tái)寬度為3.5 m，其采用2.5%的外傾橫坡，平臺(tái)上布設(shè)有漿砌片石截水溝。

圖1 某高速公路沿線地形地貌情況

2 黃土路基高邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 數(shù)值模型的建立

為深入分析黃土路基高邊坡的穩(wěn)定性，本文利用大型數(shù)值分析軟件，選取典型路基斷面，建立二維數(shù)值模型，對(duì)黃土路基高邊坡施工完成后的塑性區(qū)分布及豎向位移情況進(jìn)行全面分析。鑒于該路基為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，本文選取右半幅路基作為研究對(duì)象，其土體材料采用彈塑性本構(gòu)模型材料Plane42單元，其遵從Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則；各材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 隧道模型材料物理力學(xué)參數(shù)

在模型邊界條件方面，黃土路基高邊坡左右施加水平約束條件，底面施加水平和豎向約束條件，上部取實(shí)際地表情況，不施加約束條件。本項(xiàng)目數(shù)值模擬過程中采用“alive”、“kill”命令來實(shí)現(xiàn)模擬單元的生死功能，在數(shù)值模擬開始時(shí)，先施加初始重力場(chǎng)。

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

為全面獲取施工完成后黃土路基高邊坡的穩(wěn)定情況，本文利用上述模型計(jì)算分析了其塑性區(qū)分布情況及豎向位移情況，所得計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 黃土路基高邊坡塑性區(qū)分布圖

圖3 黃土路基高邊坡豎向位移圖

從圖2中可以看出，黃土路基高邊坡沿坡頂-坡腳方向呈現(xiàn)出明顯的弧形塑性區(qū)，尤其在坡腳處，其塑性值最大，可見黃土路基高邊塑性區(qū)發(fā)展主要受剪應(yīng)力分布的控制，該特征與黃土路基高邊坡的應(yīng)力場(chǎng)特征非常吻合。此原因主要在于受自重應(yīng)力及外部荷載作用的影響，黃土路基高邊坡臨空面向下滑移，使其沿坡頂-坡腳弧線方向產(chǎn)生潛在滑動(dòng)面。

從圖3中可以看出，黃土路基高邊坡在豎向位移方面基本呈現(xiàn)從上到下逐漸減小的分布規(guī)律，其豎向位移最大值為2.76 mm，發(fā)生在黃土路基高邊坡頂部，發(fā)生范圍基本全部涵蓋了半幅路基。黃土路基高邊坡地基頂面豎向位移值為0.46 mm，遠(yuǎn)小于路基高邊坡頂面豎向位移值。此原因主要在于該路基段地基為泥巖、砂巖，其工程性質(zhì)相對(duì)較好，受外荷載后應(yīng)變值較小，而黃土路基填筑后，由于黃土中粉砂含量較大、大孔隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，在外荷載及地下水的影響下產(chǎn)生較大變形，對(duì)路基高邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

3 黃土路基高邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)

3.1 生態(tài)防護(hù)技術(shù)方案

目前，傳統(tǒng)的黃土路基高邊坡防護(hù)措施主要采用圬工結(jié)構(gòu)，雖具有施工速度快，早期強(qiáng)度高等特點(diǎn)，但由于黃土地區(qū)降雨主要集中在7—8月份的雨季，期間雨水極易深入黃土路基邊坡土體內(nèi)，導(dǎo)致路基填土產(chǎn)生濕陷變形，引發(fā)路基高邊坡剝落、崩塌等病害；而且，圬工結(jié)構(gòu)表面無法開展綠化工作，導(dǎo)致高速公路路側(cè)人工修筑痕跡過于明顯，影響沿線景觀。近年來，隨著土工合成材料技術(shù)的不斷發(fā)展，土工格室植被防護(hù)技術(shù)作為一種新型的復(fù)合式結(jié)構(gòu)植被防護(hù)技術(shù)得到技術(shù)人員的青睞，尤其在黃土路基高邊坡工程中，既能夠通過植物根系的發(fā)育來加固黃土路基高邊坡土體，起到坡面防護(hù)的功能，又能夠美化路側(cè)景觀，提升高速公路整體服務(wù)能力[6]。

由于本項(xiàng)目區(qū)淺部地質(zhì)情況主要以Q3黃土為主，其土質(zhì)疏松，大孔隙、蟲洞發(fā)育，垂直節(jié)理較發(fā)育，且?guī)в腥鯘裣菪?，在雨季極易受降雨沖刷作用而產(chǎn)生垮塌，影響路基高邊坡的穩(wěn)定性。為此，本項(xiàng)目結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用土工格室植被防護(hù)措施對(duì)其進(jìn)行全面防護(hù)，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)型式如圖4所示。土工格室植被防護(hù)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

a）土工格室采用強(qiáng)化的HDPE材料，其壁厚為1.0 mm，高度為15 cm，經(jīng)高強(qiáng)力焊接后形成三維網(wǎng)狀格室，其焊接處抗拉強(qiáng)度應(yīng)不小于10 kN/m。

b）在坡面防護(hù)結(jié)構(gòu)方面，其上部采用土工格室平鋪式，其坡度為1∶1.5；而下部均采用土工格室堆疊式，其坡度為1∶0.5。

c）土工格室的固定錨釘均采用帶鉤的φ12鋼筋，其長度為50 cm，錨固深度應(yīng)不小于35 cm，呈梅花型布設(shè)，其間距為1.5 m。

d）坡面臺(tái)階處應(yīng)采用3層復(fù)合式結(jié)構(gòu)，第一層為20 cm厚的3∶7片石混凝土；第二層為20 cm厚的20號(hào)片石混凝土；第三層為2 cm厚的7.5號(hào)水泥砂漿層。

e）坡面宜種植紫穗槐，其根系發(fā)達(dá)，可較好地固定邊坡表面土體，且具有耐寒、耐旱、耐鹽堿、抗風(fēng)沙等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地適用項(xiàng)目區(qū)的水文地質(zhì)條件。

圖4 土工格室植被防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 生態(tài)防護(hù)效果評(píng)價(jià)

本項(xiàng)目參照上述土工格室植被防護(hù)方案的技術(shù)要求，依次開展了黃土路基高邊坡的坡面修整、土工格室鋪設(shè)與錨固、土工格室回填土、坡面植被種植等工作，其現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況如圖5所示。

為全面評(píng)價(jià)本項(xiàng)目利用土工格室植被防護(hù)黃土路基高邊坡的效果，在施工完成后，項(xiàng)目組對(duì)該段路基高邊坡進(jìn)行了長達(dá)2年的不間斷觀測(cè)，其結(jié)果顯示：該段路基高邊坡在施工及運(yùn)營過程中整體穩(wěn)定性較好，未出現(xiàn)坡面剝落、局部溜塌、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，且坡面植被成活率高達(dá)95%，路側(cè)景觀得到大幅提升，取得了較好的防護(hù)效果。

圖5 土工格室植被防護(hù)現(xiàn)場(chǎng)情況

4 結(jié)論

a）利用數(shù)值模擬手段對(duì)黃土路基高邊坡分析后可知，其沿坡頂-坡腳方向呈現(xiàn)出明顯的弧形塑性區(qū)，塑性最大值發(fā)生在坡腳處，可見黃土路基高邊塑性區(qū)發(fā)展主要受剪應(yīng)力分布的控制；而在豎向位移方面，基本呈現(xiàn)從上到下逐漸減小的分布規(guī)律，其豎向位移最大值發(fā)生在黃土路基高邊坡頂部。

b）利用土工格室植被防護(hù)技術(shù)后，黃土路基高邊坡在施工及運(yùn)營過程中整體穩(wěn)定性較好，未出現(xiàn)坡面剝落、局部溜塌、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，且路側(cè)景觀得到大幅提升，取得了較好的防護(hù)效果。