某高速公路边坡稳定性分析及治理

2013-08-28黄银伟张利沙

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2013年1期

黄银伟，韩啸，张利沙

(1.华北水利水电学院，河南郑州450045;2.中国地质大学，北京100083)

某高速公路修建期间，因路基的不合理开挖造成该高速公路某段左边坡局部塌滑，对公路的修建及其附近人民群众的生产、生活造成了影响.笔者针对该边坡进行稳定性分析并提出综合治理措施，以期为其他高速公路边坡的治理提供参考.

1 工程概况

此高速公路左边坡长度为210 m，在施工中边坡局部范围内出现滑塌，滑塌区尺寸为30 m×12 m×7 m.该段边坡地层岩性以第四纪中更新统地层为主，边坡横剖面揭露的地层主要有:①含卵石粉质黏土层、①－1粉质黏土层、②卵石层、②－1粉质黏土层、②－2粗砂层、②－3粗砂层、②－4粉质黏土层、②－5粉质黏土层、②－6粉质黏土层，如图1所示.该路段所处地震区的地震反应谱特征周期为0.35 s，地震动峰值加速度为0.05 g，地震基本烈度为VI度.

2 边坡现状的稳定性分析

该边坡开挖后局部坡段已经出现了滑塌现象，因此需要先对非滑塌区进行稳定性分析验算.滑塌区与非滑塌区边坡典型断面如图1所示.

图1 边坡典型横剖面地层

非滑塌区边坡目前的坡比为:一、二级坡1∶1，三、四、五级坡1∶1.25，坡高 36 m.采用了 4 种计算方法对非滑塌区剖面分别处于3种不同工况下的稳定性进行分析，采用的方法分别为毕肖普法、简布法、M－P法、Ordinary/Fellenius法，采用不同的方法进行计算可以对稳定性计算结果进行比较，以确保结果的准确性.计算中采用的3种不同的工况分别为:①正常工况，边坡处于天然状态下的工况;②非正常工况Ⅰ，边坡处于暴雨或连续降雨状态下的工况;③非正常工况Ⅱ，边坡处于暴雨+地震等荷载作用下的工况.各土层的物理力学参数指标见表1.计算结果见表2.根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2002)［1］和《公路路基设计规范》(JTGD 30—2004)［2］，确定该边坡工程等级为 I级，稳定性安全系数(Ks)应满足天然工况下Ks=1.2～1.3;暴雨工况下 Ks=1.1～1.2;暴雨 +地震工况下Ks=1.05～1.1.计算结果表明，该剖面边坡在正常工况下处于非稳定状态，不满足工程边坡稳定性安全系数的要求.同时，在雨季会因雨水的入渗而导致土层处于饱和状态，极易导致边坡发生失稳破坏［3］.因此，在非正常工况Ⅰ和非正常工况Ⅱ下边坡会发生失稳破坏，需要对该路段左边坡进行治理.

表1 岩土体物理力学性质指标

表2 非滑塌区稳定性计算结果

3 边坡整治方案设计及效果分析

3.1 边坡治理方案

边坡治理采用先整体削坡［4］，然后加固的措施，并增加排水工程.

3.1.1 削坡方案

对非滑塌区现有边坡进行削坡，一级坡坡比为1∶1，二级坡1∶1.25，三级坡1∶1.25，四级坡1∶1.25，五级坡1∶1.25，马道宽度均为3 m.

对滑塌区现有边坡进行削坡，一级坡坡比为1∶1.25，二级坡 1∶1.5，三级坡 1∶1.5，四级坡 1∶1.5五级坡1∶1.5，二级马道宽度均为3.5 m ，其他马道宽度均为3 m.

3.1.2 加固方案

1)加固方案一.对于塌滑区和非塌滑区采用不同的治理方案.对于非滑塌区，采用锚杆+格构.按照《公路路基设计规范》(JTGD 30—2004)［2］，根据边坡下滑力并结合所设锚杆排数，可确定出锚杆设计锚固力为174.95 kN，锚杆与水平面的夹角为25°，锚杆采用φ25 mm的精制螺纹钢.经计算，地层与注浆体黏结长度Lr≥5.84 m，注浆体与锚杆体黏结长度Lg≥0.16 m，比较Lr与Lg，确定非滑塌区锚杆锚固段长度设计值为6 m.锚杆间距为2.5 m×2.5 m，钻孔直径为150 mm，注浆M30.格构梁截面尺寸为30 cm×40 cm，格构框内植草绿色护坡［5］.非滑塌区边坡治理横断面设计如图2所示.

图2 非塌滑区边坡治理的横断面设计图(单位:m)

对于滑塌区，采用锚杆(索)+格构，并在二级马道外端设置抗滑桩［6］.按照《公路路基设计规范》(JTGD 30—2004)［2］，根据下滑力并结合所设锚杆(索)排数，可确定出滑塌区锚索设计锚固力为587.52 kN，入射角为 25°;锚杆设计锚固力为149.98 kN，入射角为25°.锚索采用7φ5钢绞线，截面积为140 mm2，锚杆采用φ22 mm的精制螺纹钢.经计算，地层与注浆体黏结长度Lr和注浆体与锚杆(索)体黏结长度(Lg)分别为:锚索 Lr≥9.8 m，Lg≥1.90 m;锚杆 Lr≥8.7 m，Lg≥0.14 m.比较 Lr与 Lg，确定滑塌区锚索锚固段长度设计值为10 m，锚杆锚固段长度设计值为9 m.锚杆间距为2.5 m×2.5 m，钻孔直径为300 mm，注浆M30.锚索间距为2.5 m×2.5 m，锚索孔内布设5根7φ5钢绞线，钻孔直径300 mm，注浆 M30.格构梁截面尺寸为30 cm×40 cm，格构框内植草绿色护坡［5］.抗滑桩截面尺寸为1.5 m ×2.0 m，桩长15 m，桩间距4 m，采用 C30混凝土，锚固端长度8 m.滑塌区边坡治理横断面设计如图3所示.

图3 塌滑区边坡治理的横断面设计图(单位:m)

2)加固方案二.方案二采用锚杆(索)+喷生态混凝土［5］加固.与方案一相比只是加固措施略有不同，对于非滑塌区，采用锚杆+喷生态混凝土，锚杆设计与方案一相同，喷生态混凝土的厚度为15 cm.对于滑塌区，一、二级坡面喷生态混凝土，厚度为15 cm;三、四、五级坡面采用锚杆(索)+格构，在格构内喷生态混凝土，厚度10 cm，并在二级马道外端设置抗滑桩.抗滑桩设计参数同方案一.

3.1.3 排水工程

水对边坡的稳定性影响很大，因此边坡治理过程中要做好防水工程.该边坡治理的排水工程［4］主要有3项，分别为滑坡区外围设置截水沟、马道设排水沟、坡体内设排水孔.滑坡区外围设置截水沟根据实际地形现场布置，它的主要作用是截住滑坡上部因大气降水而产生的坡面水流，所截水流汇入排水沟［4，7］，流入沟谷中.各级马道上的排水沟主要作用是汇集滑坡体表面因大气降雨而形成的坡面流，所截水流汇入坡外的排水设施.坡体内排水孔主要作用是疏干可能滑动面及坡体内的孔隙水.排水沟断面形状可为矩形、梯形、复合型及U形等.由于梯形、矩形断面排水沟，易于施工，维修、清理方便，具有较大的水力半径和输移力，因此采用矩形截面的截水沟和梯形截面的马道排水沟.

根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ 0240—2004)［8］，经计算，截水沟的矩形截面尺寸为80 cm×100 cm;马道排水沟梯形截面尺寸为:沟底宽70 cm，高60 cm，沟顶宽100 cm.截水沟及排水沟采用浆砌片石砌筑，沟底、沟顶、沟内侧壁用M7.5水泥砂浆抹面.坡面排水孔间距3.0 m，呈梅花形［9］布置，排水孔孔径5 cm，埋入土中深度0.5 m.

3.2 治理后边坡稳定性验算

对加固后的边坡进行稳定性验算.由于方案二与方案一的锚杆(索)设计相同，只是坡面加固措施略有不同，因此分别采用两种方案治理后，边坡稳定性验算结果基本一致，安全系数计算结果见表3与表4.

表3 非滑塌区边坡治理后稳定性计算结果

表4 滑塌区边坡治理后稳定性计算结果

在进行边坡治理时采用非正常工况Ⅰ为设计工况，非正常工况Ⅱ为设计校核工况.从表3和表4可以看出，经过加固后，滑塌区和非滑塌区边坡在暴雨+地震的危险工况下，安全性较高，满足《公路路基设计规范》(JTGD 30—2004)［2］(稳定性安全系数(Ks)应满足暴雨工况下Ks=1.1～1.2;暴雨+地震工况下Ks=1.05～1.1)中的规定，表明边坡治理效果很好.

由于两种治理方案坡面加固措施略有不同，使工程投资稍有差别.在安全性相同的情况下，方案二比方案一的工程投资可节约十几万元，而且喷生态混凝土施工既可以起到护坡作用，防止雨水的渗入，又可以起到绿化的作用.因此选择方案二进行边坡治理.