張 馳

（北京建達(dá)道橋咨詢有限公司華中設(shè)計(jì)分公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

隨著高速公路建設(shè)里程的增加，沿線所遇的地質(zhì)條件和氣候條件更具復(fù)雜性，以路基邊坡為例，可能存在安全性差、穩(wěn)定性不足等問(wèn)題，若缺乏行之有效的處理措施，易影響車輛的安全通行。鑒于此，亟須加強(qiáng)對(duì)高速公路路基邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)的研究，梳理設(shè)計(jì)思路，掌握設(shè)計(jì)策略，提高設(shè)計(jì)水平。

1 工程概況

某高速公路工程全長(zhǎng)87.55 km，路基設(shè)計(jì)寬度33.5 m。沿線地形條件特殊，工程建設(shè)中涉及大量的高填深挖路段，如何保障路基和挖方邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)效果是值得重點(diǎn)探討的內(nèi)容。路基邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)中，需根據(jù)各段地形的實(shí)際特點(diǎn)制定針對(duì)性的防護(hù)方案。

2 公路路基邊坡穩(wěn)定性力學(xué)機(jī)理

受巖土重力、人為因素的影響，在路基兩側(cè)形成邊坡，未經(jīng)處理時(shí)此部位的穩(wěn)定性欠佳，可能引起路基變形、失穩(wěn)滑塌等問(wèn)題，不利于公路的正常運(yùn)營(yíng)和車輛的安全通行。公路路基邊坡的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 公路路基邊坡結(jié)構(gòu)示意圖

坡體內(nèi)部因土體的重力作用而產(chǎn)生切向應(yīng)力。此部分作用力超過(guò)土的抗剪強(qiáng)度時(shí)將引起剪切破壞，表現(xiàn)出公路路基滑坡問(wèn)題。初期，肉眼可見公路路基邊坡存在裂縫且有下沉的變化趨勢(shì)，觀察坡腳周邊的地面可見其有小幅度的隆起。若滑坡未得到及時(shí)的處理，裂紋持續(xù)發(fā)展，土體滑動(dòng)現(xiàn)象愈發(fā)明顯，可見其沿著某滑動(dòng)面持續(xù)下滑，最終引起嚴(yán)重的滑坡事故。在分析公路路基邊坡的滑坡問(wèn)題時(shí)，極限的滑坡狀態(tài)屬于重點(diǎn)考慮對(duì)象，此時(shí)具有剪應(yīng)力等同于抗剪力的關(guān)系，具體如下：

式中，f1——剪應(yīng)力；Cn——抗剪強(qiáng)度峰值；L1——主滑段長(zhǎng)度。

土體的抗剪強(qiáng)度因邊坡滑坡而快速降低，滑體發(fā)生滑動(dòng)，存在不平衡剪力，即：

式中，f2——不平衡剪力；C0——?dú)堄嗫辜魪?qiáng)度。

滑體滑移的加速度，如下：

式中，a——滑體滑移的加速度；g——重力加速度；W——滑體的重量。

3 高速公路路基邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)原則

（1）條件允許時(shí)，盡可能做到“就地取材，綜合施工”，提高現(xiàn)有資源的利用水平，減少工作量[1]。

（2）路基邊坡的養(yǎng)護(hù)尤為關(guān)鍵，需立足現(xiàn)場(chǎng)的地形條件、巖土體特性、氣候條件等，經(jīng)可行性分析后選擇最佳的施工技術(shù)和材料。

（3）根據(jù)因地制宜的原則制定施工方案，確保建設(shè)成型的高速公路路基邊坡有效適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的各類特殊環(huán)境，使邊坡始終保持穩(wěn)定。

（4）在保證高速公路路基邊坡施工質(zhì)量的同時(shí)，還需注重對(duì)周邊環(huán)境的防護(hù)，例如減小工程建設(shè)對(duì)植被的破壞；同時(shí)，追求高速公路路基邊坡的美觀性，使其與當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境融為一體，減少突兀感。

4 高速公路路基邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)問(wèn)題及方案

4.1 高速公路路基邊坡破壞現(xiàn)狀及原因

4.1.1 邊坡坍方

坍方是高速公路路基邊坡發(fā)生率較高的病害，且屬于水毀的多發(fā)性現(xiàn)象。按照成因和破壞規(guī)模的不同，有剝落、碎落、崩塌、滑坍等多種路基邊坡坍方形式。其中，剝落常見于易風(fēng)化的巖土坡面，與邊坡開挖后未及時(shí)得到防護(hù)有關(guān)，缺乏防護(hù)的坡面裸露至外界從而發(fā)生風(fēng)化，巖土體愈發(fā)松散，呈散粒狀后順坡滑落。崩塌主要集中在陡坡頂部裂隙發(fā)育的部位，巖塊由于下方基礎(chǔ)失去支撐而失穩(wěn)崩落，或沿著層面、節(jié)理、局部斷層帶發(fā)生傾倒。滑塌產(chǎn)生的巖土塊大量堆積在坡腳，并且存在溝蝕沖積物堆積現(xiàn)象時(shí)，將引起堆塌破壞，形態(tài)上看可見堆塌體以半錐體形為主。

4.1.2 高速公路深層失穩(wěn)破壞

從破壞形態(tài)的角度來(lái)看，破壞面有平面、曲面、楔形等形式，通常指的是發(fā)生于坡面2 m以下的深處演化，隨著演化的持續(xù)進(jìn)行而出現(xiàn)剪切滑移破壞現(xiàn)象。由于滑下的土方量較大（嚴(yán)重時(shí)高達(dá)數(shù)十萬(wàn)方），深層失穩(wěn)破壞普遍造成極為嚴(yán)重的危害，出于質(zhì)量考慮和安全考慮，需盡可能規(guī)避此類深層破壞。

4.1.3 邊坡破壞原因

（1）路基邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)未全面考慮各項(xiàng)與邊坡有關(guān)的影響因素，信息的全面性和準(zhǔn)確性降低，設(shè)計(jì)工作難以順利開展，或是設(shè)計(jì)方案缺乏可行性。

（2）路基邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)缺乏限制性條件，存在潛在的安全隱患[2]。

（3）高速公路路基邊坡的材料、機(jī)械設(shè)備選擇不合理，以及各類工程物資與人員的配合不當(dāng)，未充分發(fā)揮出工程資源的利用價(jià)值。

4.2 公路路基邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)方案

4.2.1 路塹邊坡?lián)跬翂Ψ雷o(hù)設(shè)計(jì)

以該高速公路的K40+262～K49+126段為例，分析路基左側(cè)巖質(zhì)路塹邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)前述提及的幾項(xiàng)邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)原則，提出“將板肋式錨桿擋土墻作為支擋防護(hù)”的方案，結(jié)構(gòu)組成包含擋土墻、鋼混肋柱、鋼筋拉桿、墻面板，在拉桿與擋土墻自重的聯(lián)合作用下，保證擋土效果，確保支擋防護(hù)方式在該段巖質(zhì)陡坡高挖方路段具有可行性。

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件出發(fā)，結(jié)合計(jì)算模擬結(jié)果確定擋墻、錨桿等的布置位置和具體數(shù)量。在邊坡開挖后，將錨桿布置在立面，以1∶0.3的寬高比放坡，于坡壁布置7～9排錨桿，錨桿深入風(fēng)化巖層穩(wěn)定層的深度不少于5 m。按4 m的間距依次布置板肋式錨桿擋土墻肋柱，橫截面1 000 mm×600 mm，統(tǒng)一單向布置。肋柱、頂梁施工材料分別采用C30、C20鋼筋混凝土，肋柱頂梁截面的寬高比取1.2∶1，柱腳嵌入深度不少于1.5 m。肋柱施工采取現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土的方法，澆筑后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以防結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)。

擋土墻板的單塊板尺寸為3.8 m×1.0 m×0.4 m，施工材料與肋柱一致。施工時(shí)，預(yù)留板間距0.1 m，以免混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈脹縮[3]?；茁裆?～1.5 m，用C20混凝土底座找平。擋土墻面板與肋柱搭接量控制在0.5 m，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在路塹頂部設(shè)計(jì)截水溝，在擋墻面板和坡面設(shè)泄水孔，使地表水高效流動(dòng)至急流槽內(nèi)并向指定區(qū)域排放，避免因地表徑流及雨水沖刷而導(dǎo)致?lián)鯄κХ€(wěn)。

4.2.2 抗滑樁防護(hù)設(shè)計(jì)

抗滑樁對(duì)路基的防護(hù)效果良好，其思路在于對(duì)滑床部位施工抗滑樁，發(fā)揮出受力樁段的土力作用，維持抗滑坡體的穩(wěn)定性，防止其發(fā)生下滑。實(shí)踐表明，在高速公路路基防護(hù)中設(shè)置抗滑樁具有良好的應(yīng)用效果?；嫔习氩糠謱儆谑芰Χ?，樁體埋入滑面下方的部分屬于錨固段，其中受力段的承載性能良好，加之錨固段地層反力的作用，可有效提高樁身的加固效果，確保樁身所在的路基邊坡可維持穩(wěn)定。若能夠有效控制樁身強(qiáng)度和錨固段地層強(qiáng)度，將有效抑制滑坡引起的下滑力，確保路基邊坡具有足夠的穩(wěn)定性。

4.2.3 預(yù)應(yīng)力錨索護(hù)坡設(shè)計(jì)

邊坡部分區(qū)域呈松散狀，巖體的受力缺乏均勻性，路基邊坡的穩(wěn)定性較差，所具備的承載性能有限，易影響公路的正常使用。為提高路基邊坡防護(hù)效果，采取在路基邊坡防護(hù)中應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨索的方法。設(shè)計(jì)中，著重考慮非順層坡路段和順層坡路段兩部分，進(jìn)行針對(duì)性的防護(hù)設(shè)計(jì)。其中，在非順層坡路段的錨索設(shè)計(jì)中，根據(jù)坡面的形態(tài)合理設(shè)計(jì)錨索的布置方式，使錨束和坡面呈垂直的關(guān)系；對(duì)于順層坡，則需調(diào)節(jié)錨索和坡面的夾角，并嚴(yán)格控制巖層傾角，以便充分發(fā)揮出錨索在邊坡防護(hù)中的作用。在該高速公路工程中，路基邊坡防護(hù)所用立柱的斷面尺寸為800 mm×600 mm，同時(shí)施作厚度為35 mm的混凝土保護(hù)層，保證防護(hù)效果。不同立柱布置間距所帶來(lái)的加固效果存在差異，因此設(shè)計(jì)時(shí)還需對(duì)比分析多種立柱間距的應(yīng)用效果，從中確定最佳的立柱間距。

4.2.4 SNS柔性防護(hù)網(wǎng)設(shè)計(jì)

部分路塹防護(hù)設(shè)計(jì)采用SNS主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)，路塹坡度為四級(jí)1∶0.75，五級(jí)1∶1，深度50余米。地質(zhì)勘察結(jié)果顯示，工程現(xiàn)場(chǎng)的巖石風(fēng)化明顯，存在危石、局部滑塌等問(wèn)題，為規(guī)避安全隱患，采用柔性防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行邊坡的防護(hù)。防護(hù)網(wǎng)材料采用的是GPS2型SNS柔性主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，具體包含鋼絲網(wǎng)繩、鋼絲格柵、錨桿、支撐繩等。正式施工前，先將坡面、坡頂?shù)雀鞣雷o(hù)區(qū)域的松石、危石清理干凈，再于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放線，確定錨桿鉆孔的實(shí)際位置，鉆孔后清孔，檢測(cè)成孔質(zhì)量，其中孔深宜超過(guò)錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約10 cm。巖體的位置較為特殊或鑿巖設(shè)備難以有效適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)施工條件時(shí)，設(shè)置人字形錨桿，其由兩根鋼繩組成，將各自錨入孔徑至少為Φ35的錨孔中。錨桿的錨入安排在鉆孔注漿完成后進(jìn)行，期間加強(qiáng)對(duì)孔內(nèi)漿液飽滿狀態(tài)的檢查，若存在空隙隨即安排二次注漿，直至漿液填充至飽滿狀態(tài)為止。漿液的養(yǎng)生采取標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生的方法，期間加強(qiáng)防護(hù)，減少外部因素的影響，以免出現(xiàn)錨桿偏位、漿液固結(jié)效果差等各類問(wèn)題。經(jīng)過(guò)養(yǎng)生后，按圖紙要求張開支撐繩并進(jìn)行拉緊，隨后以綁扎的方法將繩卡連接至外露錨桿環(huán)套。待前述工作均結(jié)束后，鋪設(shè)鋼繩網(wǎng)。為充分保證鋼繩網(wǎng)的穩(wěn)定性，在該路段邊坡巖層地質(zhì)條件較差的部位采用雙層鋼繩網(wǎng)，鋪設(shè)前檢查材料的質(zhì)量，判斷抗脫落拉力、抗錯(cuò)動(dòng)拉力是否達(dá)標(biāo)，若某項(xiàng)指標(biāo)不滿足要求或鋼繩有受損的跡象，隨即換新，確保投入使用的鋼繩網(wǎng)均滿足質(zhì)量要求。鋼繩網(wǎng)的鋪設(shè)按照自坡頂至坡腳的順序進(jìn)行，每完成一張鋼繩網(wǎng)的鋪設(shè)后，隨即用縫合繩將其與支撐繩連接，同時(shí)用繩卡將鋼繩網(wǎng)分別與縫合繩、支撐繩連接至一體，組成完整的鋼繩網(wǎng)結(jié)構(gòu)。按前述提及的方法逐層鋪設(shè)，最終形成完整的柔性防護(hù)網(wǎng)。

4.3 植物邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)

4.3.1 漿砌片石骨架

高速公路路基邊坡防護(hù)采用的漿砌片石骨架有人字形、拱形等多種形式，在該工程中采用的是適應(yīng)范圍較廣的拱形骨架，例如在各類土質(zhì)、路堤等部位均有良好的應(yīng)用效果。骨架植草防護(hù)的坡率以1∶1.0～1∶1.5為宜，該工程按照1∶1.5的坡率進(jìn)行施工，邊坡分級(jí)高度取8 m。路基邊坡坡頂設(shè)置預(yù)制路肩邊緣石，坡腳設(shè)漿砌片石基礎(chǔ)。拱形骨架用漿砌片石施工成型，其中拱圈半徑1.5 m，厚度30 cm，每列拱圈間均設(shè)40 cm骨架；每隔43.7 m設(shè)1道人行踏步，在滿足人員通行要求的同時(shí)兼并發(fā)揮出排水的作用；每隔10.6 m設(shè)一處寬度為2 cm的伸縮縫，向縫內(nèi)填塞瀝青麻筋。拱圈施工時(shí)，先換填種植土（厚度約為15 cm），再以濕法噴播植草的方式加以防護(hù)。

4.3.2 土工格柵加筋土植草防護(hù)

向土中加入拉筋，提高土體強(qiáng)度，確保土體具有足夠穩(wěn)定性。土工格柵加筋土植草防護(hù)在公路路基邊坡防護(hù)中具有良好的應(yīng)用效果，加筋土可設(shè)置成較高的垂直填土邊坡，避免由于工程建設(shè)而大量侵占土地，防護(hù)結(jié)構(gòu)則屬于柔性結(jié)構(gòu)，可較好地適應(yīng)地基變形。通常，在放坡困難、用地緊張或填土較高的地區(qū)進(jìn)行公路路基邊坡防護(hù)施工時(shí)可采用土工格柵加筋土植草防護(hù)技術(shù)。加筋土的陡坡坡度為1∶0.5，坡面設(shè)計(jì)成臺(tái)階高度為38 cm的小臺(tái)階形。土工格柵反包麻袋后，向麻袋內(nèi)裝耕植土，提供有利于植被生長(zhǎng)的條件。土工格柵加筋土植草防護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 土工格柵加筋土植草防護(hù)設(shè)計(jì)

在該工程中，于填土路基和土石路基的邊坡防護(hù)中采用加筋土結(jié)構(gòu)。用于防護(hù)施工的填料需具有良好的透水性，使用前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)土工試驗(yàn)，評(píng)價(jià)填料質(zhì)量，例如綜合摩擦角需超過(guò)35°，最大粒徑在150 mm以內(nèi)。對(duì)于填土路基，填料采用級(jí)配良好的砂類土、礫類土；對(duì)于土石路基，在保證填料最大粒徑不超過(guò)150 mm的同時(shí)還要求粒徑超過(guò)100 mm的部分占總量的比例不大于30%，如此才可提高格柵與填料的嵌固效果。用于陡邊坡加筋的土工格柵材料可采用HDPE塑料拉伸格柵，在選材時(shí)要求此類材料具有良好的防紫外線能力，炭黑含量不低于2%，以免在坡面反包處格柵裸露而出現(xiàn)材料性能異常退化的情況（主要與太陽(yáng)暴曬有關(guān)）。在邊坡的底部用級(jí)配碎石施工厚度為30 cm的排水層，避免積水。填挖交界部位的下方設(shè)2層土工格柵，保證此部分材料在使用過(guò)程中無(wú)不均勻沉降現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，經(jīng)過(guò)對(duì)某高速公路路基邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)的分析，提出設(shè)計(jì)原則、主要問(wèn)題及關(guān)鍵的設(shè)計(jì)方法，建議相關(guān)單位在進(jìn)行路基邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)從現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)、水文等基礎(chǔ)條件出發(fā)，進(jìn)行路基邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)形式的選擇與優(yōu)化，以優(yōu)質(zhì)的材料建設(shè)防護(hù)結(jié)構(gòu)，維持路基邊坡的穩(wěn)定性。例如，聯(lián)合采取植被防護(hù)和工程防護(hù)措施，建立完善的防護(hù)體系，對(duì)路基邊坡的防護(hù)效果較好，對(duì)類似工程有參考價(jià)值。