馬建國(guó)

（山西誠(chéng)達(dá)公路勘察設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

在公路工程建設(shè)過程中，特別是山區(qū)公路建設(shè)，難免產(chǎn)生深挖路塹邊坡。對(duì)于公路邊坡而言，其穩(wěn)定性主要受到兩方面因素影響，即自然因素與人為因素。其中，自然因素有地形地貌、地質(zhì)條件、氣候條件、水文地質(zhì)和地震等突發(fā)災(zāi)害；而人為因素有施工時(shí)采用的開挖方式及防護(hù)方法、養(yǎng)護(hù)與綠化。由于自然因素?zé)o法避免，所以如果人為防護(hù)不到位，將可能使邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致破壞，給行車安全帶來不利影響。為防止邊坡失穩(wěn)，在前期設(shè)計(jì)階段需結(jié)合邊坡的挖高、坡率以及巖土特性，通過理論分析與計(jì)算確定更適宜的防護(hù)方法，保證邊坡穩(wěn)定性，同時(shí)還要考慮到經(jīng)濟(jì)性與美觀性。對(duì)公路邊坡進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，深挖路塹邊坡不僅是重點(diǎn)所在，也是一個(gè)難點(diǎn)。因?yàn)檫吰麻_挖會(huì)使邊坡原本保持的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，在應(yīng)力完全釋放之后會(huì)重新分布，導(dǎo)致邊坡處在欠穩(wěn)或不穩(wěn)的狀態(tài)，此時(shí)要采取有效措施加以防護(hù)，否則必然引起滑坡等災(zāi)害的發(fā)生。

1 邊坡防護(hù)主要類型與特點(diǎn)

邊坡防護(hù)主要類型可分成以下三種。

（1）表層防護(hù)，主要包括植物防護(hù)與圬工防護(hù)。其中，植物防護(hù)是指采用植物對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)。在設(shè)計(jì)過程中要充分考慮邊坡土體類型、自然氣候條件與景觀要求，以此確定使用的防護(hù)形式；而圬工防護(hù)則是采用工程措施對(duì)邊坡進(jìn)行表層防護(hù)，如護(hù)面墻與噴射混凝土等。對(duì)于植物防護(hù)，其特點(diǎn)在于可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)形成綠色景觀，防止邊坡直接受到雨水沖刷的作用，但存在后期養(yǎng)護(hù)成本相對(duì)較高的缺點(diǎn)；圬工防護(hù)特點(diǎn)在于只是對(duì)坡面表層進(jìn)行復(fù)制性防護(hù)[1]。

（2）中淺層防護(hù)，屬加固防護(hù)范疇，如擋墻、錨桿和土釘墻等均屬于中淺層防護(hù)。其特點(diǎn)在于能長(zhǎng)時(shí)間保持邊坡安全性與穩(wěn)定性，是當(dāng)前針對(duì)處于欠穩(wěn)或不穩(wěn)狀態(tài)中邊坡的常用安全保證措施[2]。

（3）深層防護(hù)，同屬加固防護(hù)范疇，如注漿加固、預(yù)應(yīng)力錨索與抗滑樁等，其特點(diǎn)與中淺層防護(hù)基本相同，均能長(zhǎng)時(shí)間保持邊坡安全性與穩(wěn)定性，是當(dāng)前針對(duì)處于欠穩(wěn)或不穩(wěn)狀態(tài)中邊坡的常用安全保證措施。

設(shè)計(jì)中需要注意的是，以上不同防護(hù)方法有其自身的特點(diǎn)及適用條件，在選擇時(shí)必須做到因地制宜和靈活使用，以最大限度發(fā)揮出所用防護(hù)形式的功能與價(jià)值[3]。

2 邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)基本原則與方法

在設(shè)計(jì)開始前應(yīng)做好調(diào)查工作，了解原始坡面所處形態(tài)與周圍其他工程相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，然后根據(jù)地質(zhì)勘探資料及其定性分析結(jié)果初步擬定邊坡防護(hù)方案[4]。在之后的工作中，需按照規(guī)范的要求做好穩(wěn)定性驗(yàn)算，并遵循從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的基本原則確定最終的防護(hù)方案。

2.1 邊坡放緩與分級(jí)刷坡

邊坡放緩在邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)過程中是一種簡(jiǎn)單和常用的方法。導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)、發(fā)生破壞的主要原因?yàn)槠赂咛蠛推露忍?，所以采用削坡的方法，將不穩(wěn)定的部分削除，并放緩坡度，能起到提高邊坡穩(wěn)定性的作用[5]。

雖然刷坡設(shè)計(jì)有很高靈活性，但要遵循放緩之后邊坡綜合坡率與自然坡度相接近的基本原則，這是因?yàn)槠露缺茸匀黄侣蚀蟮倪吰拢蟛糠侄继幵诓环€(wěn)定的狀態(tài)。如果單級(jí)刷坡高度太大，則可進(jìn)行分級(jí)刷坡的方式，減小每一級(jí)的坡高。但要注意每一級(jí)的平臺(tái)寬度需達(dá)到2～3m，同時(shí)結(jié)合穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果，在局部增設(shè)加寬平臺(tái)，其位置通常為土石分界面，也可直接按照20m的間隔距離設(shè)置。

邊坡放緩具有施工方便、成本低、安全性好的優(yōu)點(diǎn)，但也存在開挖面積相對(duì)較大，容易給自然環(huán)境造成較大破壞等缺點(diǎn)。

2.2 初步擬定防護(hù)方案與穩(wěn)定性分析

如果按照以上原則處理之后的邊坡依然過高或過陡，則需將坡率收陡，采用加固措施進(jìn)行防護(hù)，同時(shí)要對(duì)邊坡開展穩(wěn)定性分析及綜合評(píng)價(jià)，包括定性分析與定量分析。其中，定性分析常用方法包括工程地質(zhì)類比法與赤平投影法，將巖土體結(jié)構(gòu)及其分布特征作為依據(jù)；而定量分析常用方法包括數(shù)值模擬法與極限平衡法。現(xiàn)在應(yīng)用最多的是以極限平衡理論為基礎(chǔ)的理正分析軟件。對(duì)具體邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算的過程中，應(yīng)多次擬定防護(hù)方案，并對(duì)不同的方案進(jìn)行多次驗(yàn)算、對(duì)比和分析，直到定量計(jì)算結(jié)果和定性分析結(jié)論基本一致，從而保證理論分析和邊坡的實(shí)際情況達(dá)到吻合[6]。

2.3 工程防護(hù)措施

完成穩(wěn)定性分析后，根據(jù)其結(jié)果針對(duì)整體穩(wěn)定性尚好，且通過刷坡即可使安全性達(dá)到要求，但坡面容易產(chǎn)生風(fēng)化剝落及局部崩塌掉塊現(xiàn)象的邊坡，考慮采用表層防護(hù)措施；而針對(duì)穩(wěn)定性相對(duì)較差或不穩(wěn)定的邊坡，則要視其實(shí)際情況進(jìn)行中淺層加固或深層加固。

大部分邊坡工程都是按照以上原則及思路，通過對(duì)邊坡巖土體特征、邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性、施工可行性及防護(hù)措施合理性等的綜合考慮，確定最終的防護(hù)方案，并且要求在方案實(shí)施時(shí)加強(qiáng)穩(wěn)定性觀測(cè)，同時(shí)還要在必要的情況下開展動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)[7]。

3 實(shí)例分析

3.1 邊坡概況

本文以某高速公路標(biāo)段中的高邊坡為例，對(duì)其防護(hù)設(shè)計(jì)及技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行分析。該標(biāo)段因受到路線的線形與縱坡因素的影響，必須進(jìn)行深挖方。據(jù)調(diào)查，該段坡長(zhǎng)可以達(dá)到150m左右，最大挖高可達(dá)55.33m。邊坡所在地區(qū)的年均降水量為750mm，通過鉆孔沒有發(fā)現(xiàn)地下水與巖層裂隙水，可見其水文地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，不會(huì)對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性造成太大影響。另外，邊坡上巖體相對(duì)完整，而且基本沒有對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利的順層節(jié)理。坡腳處地面標(biāo)高1 333m，坡頂處地面標(biāo)高1 400m，高差可達(dá)67m。

3.2 邊坡巖土體類型與特點(diǎn)

通過前期地質(zhì)勘探，該邊坡開挖施工涉及的巖土層包括：黃土層、碎石層、全風(fēng)化花崗巖層與強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果與以往其他類似工程相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，黃土層為II級(jí)土體，碎石層與全風(fēng)化花崗巖層均為Ⅲ級(jí)土體，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層為IV級(jí)巖體，而中風(fēng)化花崗巖層則為V級(jí)巖體。邊坡段地層巖性包括黃土、碎石與印支期花崗巖，其主要參數(shù)見表1。

表1 邊坡巖土主要參數(shù)

3.3 防護(hù)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性驗(yàn)算

3.3.1 刷坡與坡率

對(duì)比該邊坡附近其他既有邊坡工程，并根據(jù)勘察揭露的邊坡地層情況和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，初步設(shè)置如下：對(duì)于分級(jí)高度，第一至第四級(jí)邊坡為石質(zhì)邊坡，將其分級(jí)高度確定為8m，而第五至第八級(jí)邊坡則為土質(zhì)邊坡，將其分級(jí)高度確定為6m；對(duì)于坡率，將第一級(jí)邊坡確定為1∶0.5，將第二級(jí)邊坡確定為1∶0.75，將第三至第八級(jí)邊坡確定為1∶1；對(duì)于平臺(tái)寬度，因第一級(jí)和第二級(jí)邊坡均處在巖石中，所以將平臺(tái)寬度確定為2m，而其他各級(jí)邊坡均處在全風(fēng)化花崗巖與土層中，所以需設(shè)置寬度為3m的平臺(tái)。按照初步擬定的方案提出的各級(jí)邊坡坡率，其綜合值為1∶1.244，緩于自然穩(wěn)定坡面坡率（1∶1）。

3.3.2 初步擬定防護(hù)方案

按照之前提到的防護(hù)設(shè)計(jì)基本原則，為避免邊坡失穩(wěn)，并保證一定景觀效果，將邊坡防護(hù)方案初步擬定如下：對(duì)第一級(jí)和第二級(jí)邊坡采用護(hù)面墻進(jìn)行防護(hù)；對(duì)第三級(jí)和第四級(jí)邊坡采用錨桿框架梁與植生袋相結(jié)合的方式進(jìn)行防護(hù)；對(duì)第五至第八級(jí)邊坡均采用植草的方式進(jìn)行防護(hù)。

3.3.3 穩(wěn)定性分析與計(jì)算

首先進(jìn)行定性分析，根據(jù)前期地質(zhì)勘探結(jié)果，邊坡上部以第四系黃土與碎石層為主，其中，黃土層層厚在5m左右，碎石層厚度較小，自然坡相對(duì)較緩，綜合坡率在0.9～1.8范圍內(nèi)，現(xiàn)狀穩(wěn)定性良好；邊坡中部以全風(fēng)化花崗巖為主，層厚較大，并伴有厚度較小的碎石層；邊坡下部以塊狀花崗巖為主，發(fā)育有閉合狀節(jié)理裂隙，處在穩(wěn)定狀態(tài)。除此之外，在巖體當(dāng)中還有兩組剪節(jié)理，在節(jié)理切割作用下會(huì)使巖體內(nèi)部形成多種組合體。通過赤平投影可知，節(jié)理面和坡面于相同的一側(cè)斜交，而節(jié)理面投影弧卻處于坡面投影弧之內(nèi)，可見這是一種穩(wěn)定性良好的結(jié)構(gòu)組合。經(jīng)以上定性分析可知，該邊坡表層存在厚度較大的覆土層，由于邊坡中部有薄弱層，所以在邊坡開挖過程中，因邊坡自然平衡狀態(tài)被打破，所以會(huì)形成高度在20～50m的臨空面，導(dǎo)致邊坡開挖完成后于薄弱層產(chǎn)生剪切破壞，同時(shí)在局部出現(xiàn)欠穩(wěn)或不穩(wěn)的坡體，必須進(jìn)行可靠的加固防護(hù)[8]。

然后進(jìn)行定量分析，根據(jù)前期地質(zhì)勘探成果，邊坡表面覆蓋層厚度可以達(dá)到5m，而中部以全風(fēng)化花崗巖為主，同時(shí)可見厚度較小的碎石層，據(jù)此結(jié)合邊坡破壞機(jī)理可知，該邊坡最可能發(fā)生的破壞形式為直線剪切破壞。基于此，決定借助直線滑動(dòng)法對(duì)上部巖土層實(shí)施穩(wěn)定性計(jì)算。在計(jì)算開始前先假定潛在滑裂面從全風(fēng)化花崗巖層和基巖層之間的分界處經(jīng)過，同時(shí)將自然穩(wěn)定坡面坡率作為破裂角，然后由理正巖土邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)開始計(jì)算。經(jīng)計(jì)算得出，在天然狀態(tài)工況條件下，邊坡上部土層中存在的潛在最不利滑動(dòng)面安全系數(shù)為1.132，而在飽水狀態(tài)工況條件下，邊坡上部土層中存在的潛在最不利滑動(dòng)面安全系數(shù)為0.926。其中，處于天然狀態(tài)工況條件下的安全系數(shù)在1.2以內(nèi)，并且處在飽水狀態(tài)工況條件下的安全系數(shù)在1.1以內(nèi)，均無法滿足相關(guān)規(guī)范的要求[9]。

3.3.4 防護(hù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果，按照“固腳強(qiáng)腰”原則對(duì)開挖坡面實(shí)施防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。其具體內(nèi)容為：為避免邊坡表面產(chǎn)生破碎與掉塊，對(duì)第一級(jí)和第二級(jí)穩(wěn)定性尚好的邊坡，采用窗孔式護(hù)面墻進(jìn)行防護(hù)，這樣能在保證防護(hù)效果的同時(shí)，減少圬工量；對(duì)第三級(jí)巖質(zhì)邊坡，考慮到風(fēng)化程度不均，決定按照中淺層的等級(jí)采用錨桿框架梁與植草防護(hù)相結(jié)合的方法進(jìn)行防護(hù)；對(duì)于第四級(jí)邊坡，因其處在土石分界處，采用錨桿框架梁與植草防護(hù)相結(jié)合的方法進(jìn)行防護(hù)；對(duì)其他各級(jí)邊坡，因飽水狀態(tài)工況條件下的安全穩(wěn)定系數(shù)相對(duì)較低，加之邊坡所在地區(qū)平均降水量較大，所以通過設(shè)置拱形骨架與植草方式。

以上方案實(shí)施后，對(duì)邊坡重新進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，方案實(shí)施后天然狀態(tài)工況條件下的安全穩(wěn)定系數(shù)從1.132上升到1.260，飽水狀態(tài)工況條件下的安全穩(wěn)定系數(shù)從0.926上升至1.150，因處于天然狀態(tài)工況條件下的安全穩(wěn)定系數(shù)大于1.2，且處于飽水狀態(tài)工況條件下的安全穩(wěn)定系數(shù)大于1.1，所以可滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

從施工可行性角度講，各級(jí)邊坡所用防護(hù)措施，如刷坡和錨桿或錨索框架梁均為現(xiàn)階段十分常見且容易實(shí)現(xiàn)的方法，而且在當(dāng)?shù)匾灿泻芏鄳?yīng)用，此外由于將框架中的植生袋更改為直接進(jìn)行植草，并將植草護(hù)坡形式更改為先設(shè)置拱形骨架再進(jìn)行植草防護(hù)，所以能在保證邊坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，提高綠化效果。由此可見，以上防護(hù)方案合理可行。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，邊坡防護(hù)是公路工程設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，具體防護(hù)方案的確定實(shí)際上是一個(gè)不斷優(yōu)化的過程。在設(shè)計(jì)過程中要結(jié)合項(xiàng)目的特點(diǎn)及地形地質(zhì)，采用工程類比法等一系列可行的方法初步擬定邊坡的坡率與分級(jí)高度，然后進(jìn)行定性與定量分析，結(jié)合基礎(chǔ)性理論與成熟度高的計(jì)算方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而確定潛在滑動(dòng)面及剩余下滑力。最后據(jù)此確定適宜的防護(hù)形式，并對(duì)其進(jìn)行必要的分析與驗(yàn)算，直到與規(guī)范要求完全相符。目前，該邊坡正在施工，經(jīng)開挖揭露邊坡地質(zhì)情況和前期地質(zhì)勘探成果基本一致，雖然防護(hù)工程還沒有正式實(shí)施，但由于經(jīng)過了以上設(shè)計(jì)和優(yōu)化，有望取得良好防護(hù)效果。