高浩雄

(廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 511450)

1 工程概況

以云浮羅定至茂名信宜(粵桂界)高速公路TJ14標(biāo)段路基高邊坡為研究對(duì)象來分析邊坡塌方成因、穩(wěn)定性及施工控制技術(shù)。TJ14標(biāo)段主線線路全長10.980 km，起點(diǎn)樁號(hào)為K111+620，終點(diǎn)樁號(hào)為K122+600，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道，設(shè)計(jì)速度為100 km/h。公路主線位于信宜市，地質(zhì)條件較復(fù)雜，沿線出現(xiàn)了大量高邊坡。K118+255～K118+500的路塹高邊坡右側(cè)第1級(jí)邊坡的揭露坡面節(jié)理裂隙較為發(fā)育，局部順層坡面，需變更設(shè)計(jì)方案，以維持路塹高邊坡的整體穩(wěn)定性。本路段地處低緩丘陵，地形起伏較大，坡體地面標(biāo)高約203.6～263.8 m，自然坡角最大約25°～30°。山體植被發(fā)育，生長各種灌木、蕨類植物。坡體組成物質(zhì)表層為粉質(zhì)粘土，厚度約4.20～7.10 m，其下為砂質(zhì)粘性土，厚度約4.40～22.50 m，再下基巖為全風(fēng)化混合巖，厚度約9.40～22.50 m，其下強(qiáng)風(fēng)化混合巖，厚度約9.90 m，其下中風(fēng)化混合巖，未揭露，擬以K118+361為研究對(duì)象，展開后續(xù)分析。

2 高邊坡順層崩塌原因

2.1 內(nèi)在因素的影響

(1)地層特性

地層特性是引起路基高邊坡塌方最重要因素之一，相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，60%以上高邊坡塌方事故均與地層巖性密切相關(guān)。一般情況下，相對(duì)于新地層而言，老地層發(fā)生高邊坡塌方的可能性更大；相對(duì)于硬質(zhì)巖層而言，軟質(zhì)巖層發(fā)生高邊坡塌方的可能性更大。云茂高速公路TJ14標(biāo)段樁號(hào)K118+255～K118+500沿線的路塹高邊坡右側(cè)第一級(jí)邊坡淺層巖性主要為粘性土和全風(fēng)化混合巖，巖質(zhì)松散、極易碎，硬度小，路基以深路塹通過該地層，出現(xiàn)塌方可能性較大。

(2)地質(zhì)構(gòu)造

路塹高邊坡容易沿著軟弱結(jié)構(gòu)面(節(jié)理、裂隙、斷層等)崩塌破壞。地質(zhì)構(gòu)造的存在會(huì)使地層中的完整巖體變得破碎，不僅在一定程度上降低了巖體本身的強(qiáng)度特性，還給邊坡的崩塌提供了崩塌界面。云茂高速大斷裂形成的斷裂束數(shù)目較多、次級(jí)線性斷裂構(gòu)造也較發(fā)育，可能導(dǎo)致高邊坡巖體存在斷裂、節(jié)理等，而斷裂、節(jié)理面中填充物多為鈣質(zhì)，受力容易碎開，從而導(dǎo)致邊坡崩塌。

(3)巖石成分及風(fēng)化程度

巖石成分會(huì)直接決定巖石的基本力學(xué)特性。如粘土遇水膨脹，易崩解；云母是片狀結(jié)構(gòu)，容易順層劈裂。同時(shí)，巖石風(fēng)化會(huì)破壞其完整性，產(chǎn)生一定數(shù)量的裂隙，使巖體呈碎塊狀或松散狀。其中微風(fēng)化和弱風(fēng)化巖石對(duì)高邊坡的穩(wěn)定性影響不大，全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化巖質(zhì)高邊坡更容易崩塌。

2.2 外在因素的影響

(1)降雨

強(qiáng)降雨往往是導(dǎo)致路基高邊坡崩塌的“導(dǎo)火線”。在降雨期間，雨水可能順節(jié)理、裂隙滲進(jìn)邊坡巖土體，一方面會(huì)使邊坡巖土體的容重增加，作用在潛在滑動(dòng)面上的豎向荷載也增加；另一方面，邊坡巖土體在雨水作用下抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低，容易沿著軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)而導(dǎo)致邊坡塌方。

(2)邊坡開挖

如果路塹高邊坡在開挖期間未能及時(shí)封閉坡面，在凍融循環(huán)、干濕循環(huán)、強(qiáng)降雨等因素的影響下，可能加劇邊坡巖土體風(fēng)化程度，并形成新風(fēng)化面，從而導(dǎo)致邊坡巖土體抗剪強(qiáng)度降低而坍塌。

3 高邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 高邊坡計(jì)算方法

針對(duì)路塹高邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)中主要介紹了兩種方法：(1)對(duì)于普通的碎裂結(jié)構(gòu)巖體邊坡或土質(zhì)邊坡宜采用簡化畢肖普法；(2)規(guī)模較大或邊坡破壞機(jī)制復(fù)雜的路塹高邊坡宜采用簡化畢肖普和數(shù)值計(jì)算法綜合評(píng)估高邊坡的穩(wěn)定性。

(1)簡化畢肖普法

簡化畢肖普法模型簡單，計(jì)算精度高，屬于剛體極限平衡法的范疇，該方法是將滑坡體劃分成n個(gè)寬度相同的垂直條塊，假設(shè)各條塊間只存在水平條間力和豎向條間力且均等于0，并以滑動(dòng)圓弧的圓心為力矩中心點(diǎn)，計(jì)算得到抗滑力矩與下滑力矩的比值(邊坡安全系數(shù))，計(jì)算公式如下。

式中：W為第i條條塊的重力，kPa；bi為第i條條塊的寬度，m；ci為滑面粘聚力，kPa；φi滑面內(nèi)摩擦角，°；αi圓弧底面傾角，°；ui為孔隙水壓力，kPa。

(2)數(shù)值計(jì)算法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值計(jì)算法在巖土計(jì)算領(lǐng)域地應(yīng)用日益普遍，一般包括有限元法、有限差分法、離散元法等，其中有限元法的應(yīng)用最廣泛。有限元法用于分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)，能將其安全系數(shù)與滑動(dòng)面位移、應(yīng)力、塑性區(qū)等聯(lián)系起來，能更好地分析路基高邊坡失穩(wěn)變形機(jī)制。

3.2 高邊坡計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

采用理正巖土6.5軟件對(duì)K118+361斷面的路塹高邊坡變更設(shè)計(jì)前的穩(wěn)定性展開分析，考慮了兩種計(jì)算工況：正常工況：邊坡處于天然狀態(tài)。非正常工況：邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨?duì)顟B(tài)，降雨強(qiáng)度取25 mm/h。

(1)邊坡巖土體參數(shù)

根據(jù)該段勘察設(shè)計(jì)資料及巖土報(bào)告，高邊坡巖土體的基本物理力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 邊坡巖土體計(jì)算指標(biāo)

(2)邊坡變更前安全系數(shù)

高邊坡變更設(shè)計(jì)之前采用客土噴播植草，理正巖土計(jì)算出的安全系數(shù)為1.24，最大水平位移發(fā)生在第一級(jí)邊坡的坡腳附近，達(dá)到了35.2 mm。但是，隨著降雨的增加，邊坡安全系數(shù)不斷減小，但減小速率逐漸變慢。即當(dāng)降雨時(shí)間小于150 min，高邊坡安全系數(shù)迅速從1.24降低至1.05，降低幅度為15.3%。當(dāng)降雨時(shí)間超過250 min，高邊坡安全系數(shù)基本保持在1.02左右不變。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于：隨著降雨時(shí)間的增加，滲入邊坡內(nèi)部的雨水量越多，使得坡體的負(fù)孔隙水壓力減小較快，邊坡巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)減小，從而導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)降低。

綜上，高邊坡降雨后安全系數(shù)均小于《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)的規(guī)定值1.2，同時(shí)邊坡潛在滑動(dòng)面出現(xiàn)在邊坡較淺，坡體存在坡體沿軟弱結(jié)構(gòu)面向下滑移的可能性，故認(rèn)為該高邊坡施工及運(yùn)營期間存在一定的安全隱患，需變更設(shè)計(jì)方案。

高邊坡第一級(jí)變更設(shè)計(jì)之前采用客土噴播植草，第一次變更后采用錨桿框架梁+客土噴播植草。由于高邊坡開挖期間仍出現(xiàn)局部崩塌現(xiàn)象，故第二次變更是將邊坡垮塌部分用M7.5漿砌片石修補(bǔ)后，仍維持原變更方案。高邊坡變更方案對(duì)其穩(wěn)定性的提高主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，錨桿框架梁中的錨桿將內(nèi)力傳遞至邊坡內(nèi)部的穩(wěn)定巖土體，改變邊坡的應(yīng)力分布狀態(tài)；另一方面，漿砌片石修補(bǔ)垮塌部分會(huì)提高邊坡表層巖土體完整性，減小雨水入滲對(duì)邊坡強(qiáng)度的影響。

每根全長粘結(jié)錨桿可視作一個(gè)約束點(diǎn)，各約束點(diǎn)均可提供正壓力和上提力，前者可以阻止滑坡體與穩(wěn)定巖土體分離，后者可以阻止滑坡體的下滑。當(dāng)這些約束點(diǎn)的數(shù)目、位置和強(qiáng)度布置合理時(shí)，才能夠充分發(fā)揮錨索的錨固作用，使邊坡保持穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，很多學(xué)者也認(rèn)為錨桿的長度和角度會(huì)直接影響錨桿框架梁的加固效果。為了得到最優(yōu)的錨桿長度和錨固角度，利用理正巖土進(jìn)行多次試算，得到了正常工況和非正常工況下邊坡的安全系數(shù)，如圖1所示。其中錨桿角度分別取12°、15°、18°、20°、22°，錨桿長度分別取3 m、6 m、9 m、12 m、15 m。

圖1 不同錨桿參數(shù)下邊坡安全系數(shù)

計(jì)算結(jié)果表明：正常工況和非正常工況下，高邊坡安全系數(shù)均隨著錨固角度的增加呈先增加后降低的趨勢。當(dāng)錨桿傾角為18°時(shí)，高邊坡安全系數(shù)達(dá)到最大值。同時(shí)，隨著錨桿長度的增加，錨桿的錨固效果改善，邊坡安全系數(shù)持續(xù)增加，但增長速率逐漸變緩。即當(dāng)錨桿程度不超過9 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)與錨桿長度基本呈線性正相關(guān)，提高速率較快；當(dāng)錨桿長度大于9 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定性增長幅度不大。錨桿加固長度15 m相對(duì)于9 m，施工難度提高，施工成本增加，但邊坡的安全系數(shù)僅僅提高了3.1%。因此，該高邊坡在使用錨桿框架梁進(jìn)行防護(hù)時(shí)，錨桿最優(yōu)錨固角為18°，最優(yōu)長度為9 m，此時(shí)邊坡安全系數(shù)為1.36，滿足路基設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

(4)高邊坡施工質(zhì)量控制措施

高邊坡在開展施工之前要按照“集中領(lǐng)導(dǎo)、職責(zé)明確、提高效率、有利協(xié)調(diào)”的原則，建立完善的施工作業(yè)組織機(jī)構(gòu)，然后再制定完整質(zhì)量控制措施等，主要包括以下幾個(gè)方面。

邊坡開挖：由于高邊坡表層巖土體較破碎，不宜采用光面爆破和預(yù)裂爆破。根據(jù)高邊坡所處的地形、地質(zhì)情況，可通過淺孔爆破和中深孔爆破相結(jié)合的方法來開挖邊坡。邊坡爆破完成后，如果還殘存較大巖石塊，可利用機(jī)械進(jìn)行二次破碎，并修整坡面。

錨桿框架梁施工：先施工3孔錨桿開展抗拉拔試驗(yàn)，以確保錨桿設(shè)計(jì)錨固力滿足要求。錨桿框架梁加固邊坡應(yīng)先施工錨桿，再澆筑框架。其中錨桿的施工最為關(guān)鍵，其施工質(zhì)量的好壞直接影響到邊坡的處治效果，錨桿的施工流程主要包括：鉆孔→高壓風(fēng)清孔→安裝錨桿→灌注水泥砂漿。

客土噴播：噴播植草要選擇適當(dāng)?shù)氖┕r(shí)間(春秋季最佳)。通常是利用噴射機(jī)物將綠化基材、種植土壤、草種等按比例噴射到坡面，噴播完成后覆蓋無紡布來減少邊坡表面水分蒸發(fā)，促進(jìn)種子發(fā)芽生長，草種成活率不得低于90%，否則要進(jìn)行補(bǔ)植。

5 結(jié) 語

分析了公路高邊坡塌方的原因、穩(wěn)定性計(jì)算方法及變更前后邊坡安全系數(shù)，主要得到以下幾個(gè)結(jié)論。

(1)高邊坡順層崩塌的原因主要有地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖石成分及風(fēng)化程度、邊坡幾何參數(shù)、強(qiáng)降雨、施工開挖等因素；

(2)規(guī)模較大或邊坡破壞機(jī)制復(fù)雜的路塹高邊坡宜采用簡化畢肖普和數(shù)值計(jì)算法相結(jié)合來評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性，并注意強(qiáng)降雨對(duì)邊坡安全系數(shù)的降低作用；

(3)高邊坡安全系數(shù)會(huì)隨著錨固角度的增加先增加后降低，且隨著錨桿長度增加持續(xù)增加，但增長速率逐漸變小；

(4)高邊坡施工期間應(yīng)從邊坡開挖、錨桿框架梁施工、客土噴播等方面建立嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施。