高速公路顺层边坡设计方案探讨

高仁和 庞起燕

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

高速公路顺层边坡设计方案探讨

高仁和 庞起燕

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

论述了顺层边坡的一般设计方法，并对某高速公路顺层岩石高边坡进行了实例分析，从变形机理、边坡的稳定性以及设计对策等方面入手，分析了顺层岩石高边坡失稳破坏的控制因素，提出了合适的边坡设计方案，以促进对此类问题的深入研究。

顺层路堑，变形机制，稳定性，设计对策

0 引言

山区地形复杂，高速公路设计时难免要出现大开挖，形成高边坡。当线位所经过的区域地质构造运动剧烈，工程地质条件不佳时，辅以暴雨工况，易出现变形和失稳等不良灾害，严重影响建设者和使用者的安全，尤其是遇到顺层路堑高边坡时，沿软弱结构面的滑移失稳更是常见的边坡病害，因此顺层路堑高边坡的治理方案往往更需要重视。本文以某典型顺层路堑为例，从地质概念模型出发，分析其变形和失稳产生的机制，针对破坏产生的控制因素，提出了可行的治理方案，促进了对顺层路堑设计治理认识的深入。

1 顺层路堑边坡设计方法

顺层路堑边坡设计，一般需开展如下工作：通过实地踏勘和工程地质详勘，获得岩层的节理裂隙特征和产状，并根据软弱结构面的力学参数等地勘资料对路堑稳定性进行验算，依据验算结果拟定支护方案，开展支挡和加固设计。

通过长期的大量研究和实际工程经验的总结，针对顺层路堑边坡的设计对策总结如下：

1)山区道路选线，需要充分考虑工程地质条件的影响，尽量使岩层在高边坡一侧为反倾或者使岩层的走向与路线走向的交角尽可能的大，从初期避免出现顺层边坡。对于确实无法避绕的不良顺层路段，在平面和纵断面设计时，尽量降低挖方边坡高度，达到降低切层深度的目的，如有必要可选择路线改移，变路堑为路堤，与桥梁和挡墙方案进行比选，或者选择隧道方案，避免深路堑开挖。

2)顺层高边坡工点，必须布置充足的勘察工作量以查明其工程地质条件。主要包括岩体类型、层理及节理裂隙产状，软弱结构面位置、层间填充及胶结状况，为分析边坡类型及其潜在的破坏模式提供充分的地质资料。

3)确定边坡类型及其潜在的破坏模式，采取针对性的方法进行稳定性计算，合理选择防治措施。当岩层与路线走向垂直或者交角较大(一般大于40°)，且没有被结构面相切形成不利临空面时，可按一般挖方边坡对待。当节理裂隙的组合产生了不利的楔形体时，应对楔形体的稳定性进行分析。

当岩层与路线的走向基本相同或者交角较小时，若设计的边坡倾角陡于岩层倾角，则有可能发生顺层滑移或滑移拉裂。应综合考虑岩层产状、软弱结构面性质、施工爆破及水压力等诸多条件的影响，可采用极限平衡法对稳定性进行分析。安全系数不能满足设计要求时，可采用锚杆边开挖边加固，或者采用加固桩、锚杆进行预先加固，再开挖。

对于岩层与路线走向一致或交角较小，层间填充及胶结不良，易发生顺层滑坡的路段，若岩层倾角较大时(一般大于33.5°)，可采用放缓挖方边坡的方法予以清方，若倾角在15°～33°之间时，放缓边坡则有可能导致边坡过高、占地太多，这时就需要采取抗滑桩、预应力锚索、挡土墙等支挡措施。

采用放缓边坡清方时，可采用的稳定性(滑移—弯曲)分析方法为弹性板或弹性梁理论。若放缓导致边坡过长且岩层为薄层结构或存在软弱结构面时，应采取分级开挖、边开挖边支护的施工措施。

4)要加强截排水设计，避免地表雨水的渗入，将地表水迅速排走并尽量降低坡面的地下水位。对于遇水易软化的岩质边坡，要尽量避免坡面的暴露，开挖后应及时防护甚至封闭；对于硬质岩石边坡，存在软弱结构面时，也需要采取相应的措施，阻止结构面遇水软化。当边坡地下水位较高或坡面水渗出严重时，可在边坡布设较长的排水平孔以及坡面渗水盲沟，以保持良好的水文条件。

2 工程实例

2.1 项目地质条件

沿线为低残丘地貌，地层自上至下有粉质粘土(Qdl)、碎石土(Qdl)、强风化粉砂岩(T3x)、中风化粉砂岩(T3x)；地表水不发育，地下水主要为基岩风化裂隙水，地下水埋藏深；F6断裂构造在K23+990通过，构造走向122°，倾向212°，倾角80°～85°，构造带产物主要为碎裂岩及糜棱岩，其中糜棱岩具泥化，陡倾角裂隙极发育。

通过地表调查及钻探揭露，三叠系小坪组(T3x)基岩部分地段强风化带出露地表，岩性为粉砂岩，岩层产状为147°∠22°，岩层的节理裂隙与路线边坡的关系以顺层为主，风化裂隙较少，裂隙大多为闭合～微张，以泥质和钙质充填；发育的剪节理的主要产状为185°∠63°，平均每米2条～3条，延伸长度为3 m～5 m，张开度小于1 mm。结构面与右侧边坡临空面赤平极射投影图见图1。

2.2 边坡变形机理分析

1)边坡岩性为软弱的残坡积土和强风化岩体，组成边坡的岩土体在开挖后，受卸荷、应力释放、地表水渗入等因素的影响，粘聚力和内摩擦角变小，特别是软弱岩土层，未及时防护，在空气中暴露时间过长 或遇水后，极易软化，抗剪强度急剧下降。

2)边坡范围内存在较软弱结构面，强风化岩风化裂隙较发育，有些结构面延展性较强，结构面相互切割形成的楔形体与开挖边坡的组合关系对岩体稳定性影响较大；少量泥质充填结构面在水的作用下，抗剪强度降低，也会导致岩体稳定性降低。

3)线路以深路堑的形式通过，产生了较高的挖方边坡，边坡开挖后由于应力的释放和重分布，造成了应力松弛区的形成，从而导致了边坡稳定性的降低。

2.3 边坡稳定性分析

K24+100～K24+290段高边坡为低残丘地貌，多处于山坡中上部，上覆坡积成因的粉质粘土，厚度一般小于5 m，下伏基岩为三叠系小坪组粉砂岩。F6断裂构造在K23+990通过，对右侧边坡影响大，该段挖方边坡其他主要地质问题：一是右侧边坡与岩层倾向为同向坡，二是基岩强风化带存在风化雨淋和地表水冲刷掏蚀，局部产生剥落和坍塌问题，工程地质条件一般。

结合赤平极射投影分析，右侧边坡在单一结构面与设计边坡的组合情况下，岩层产状147°∠22°与拟开挖边坡倾向相同，结构面与设计边坡呈48°斜交，且倾角小于边坡坡角，前缘具临空面，有滑移空间，为单组不利结构面；F6断裂构造与拟开挖边坡倾向相同，结构面与设计边坡呈17°斜交，但倾角大于边坡坡角，前缘无临空面，无滑移空间；产状为185°∠63°的裂隙与拟开挖边坡倾向相同，结构面与设计边坡呈10°相交，前缘具临空面，有滑移空间，为单组不利结构面。

从结构面的组合情况分析：岩层与断裂构造F6的组合交线OA，与拟开挖边坡倾向相同，两交线投影位于边坡投影外侧，前缘具临空面，有滑移空间，结构面切割形成的楔体具沿交线产生滑动的可能性；岩层与产状为185°∠63°的裂隙组合交线OB，与拟开挖边坡倾向相反，呈反向坡，前缘无临空面，无滑移空间，结构面切割形成的楔体较稳定；断裂构造F6与产状为185°∠63°的裂隙的组合交线OC，与拟开挖边坡倾向相同，两交线投影位于边坡投影内侧，前缘无临空面，无滑移空间，结构面切割形成的楔体具沿交线产生滑动的可能性较小。

综上所述，岩层与拟开挖边坡倾向相同，结构面与设计边坡呈小角度斜交，且倾角小于边坡坡角，前缘具临空面，有滑移空间，为单组不利结构面。从结构面的组合情况看，岩层与产状为212°∠80°的裂隙组合交线OA，与拟开挖边坡倾向相同，两交线投影位于边坡投影外侧，前缘具临空面，有滑移空间，结构面切割形成的楔体沿交线产生滑动的可能性大。

2.4 设计方案

2.4.1 边坡开挖防护设计

1)一级边坡，坡高8 m，坡率1∶0.75，采用锚杆格梁加固，锚杆长12 m，坡面采用客土喷播植草防护；

2)二级边坡，坡高8 m，坡率1∶0.75，采用锚索格梁加固，锚索长24 m，锚固段长10 m，坡面采用客土喷播植草防护；

3)三级边坡，坡高8 m，坡率1∶0.75，采用客土喷播植草防护，喷混植生厚度为5 cm；

4)四级边坡，坡高8 m，坡率1∶0.75，采用锚索格梁加固，锚索长24 m，锚固段长10 m，坡面采用客土喷播植草防护；

5)五级边坡，坡高8 m，坡率1∶1.00，采用人字形骨架植草防护；

6)六级边坡，坡高5.5 m，坡率1∶1.00，采用三维网植草防护；

7)平台宽度设置：第一、二、四、五级边坡平台宽度为2.0 m，第三级平台宽4.0 m。

2.4.2 锚喷支护设计

1)预应力锚索。

a.采用普通拉力型预应力锚索，钻孔直径为150 mm，注浆采用M30的水泥砂浆。

b.锚索总长为24 m，锚固段长度为10 m，锚索设计拉力值为400 kN，超张拉力为440 kN。采用φ15.24 mm，强度为1 860 MPa的高强度、低松弛预应力钢绞线制作，每孔锚索为4束。

2)砂浆锚杆。

a.锚杆体钻孔直径为100 mm，主筋采用Φ28的HRB335钢筋，全长粘结型，注浆采用M30的水泥砂浆。

b.单根锚杆长度为12 m，设计抗拔力为100 kN。

3)框格梁。

a.锚杆框格梁的截面尺寸采用30 cm×30 cm，锚索框格梁截面尺寸为50 cm×50 cm，每片框格梁的横梁长度6.0 m，间隔6 m设置一道伸缩缝。

b.框格梁均采用C25的水泥混凝土浇筑。

c.边坡混凝土框格梁埋入深度见设计图纸。

2.4.3 排水设计

1)每级边坡均设置平台截水沟，采用M7.5浆砌片石砌筑。

2)一级边坡坡脚设置边沟。

3)在第一级坡设两排排水斜孔，长15 m，梅花状布置，间距8 m，并根据现场开挖情况，确定是否在其他级边坡增设排水斜孔。

3 结语

1)本段坡体主要由粉质粘土、粉砂岩及其风化层组成，为粉质粘土与粉砂岩的土石二元边坡，土体物理力学参数较低，坡体较高，并考虑施工扰动等不利因素，因此设计中采用1∶0.75～1∶1.00的边坡坡率，加宽第三级平台卸载，并对坡体第一级边坡采用锚杆加固，第二、四级边坡采用锚索加固支护，以提高坡体安全系数的设计思路；

2)坡体开挖时，组成边坡的岩土在应力释放的情况下，其抗剪强度会降低，因此本设计是建立在从上至下分层开挖，及时实施分层防护的施工基础上；

3)设计时采用“固脚、强腰、绿化”的主导设计理念；

4)未采取加固措施的路堑边坡处于欠稳定状态，经加固处置后，边坡的安全系数大于1.32，满足了设计规范的要求。

[1] JTG D30—2004，公路路基设计规范[S].

[2] 交通部第二公路勘察设计院.公路设计手册——路基[M].北京:人民交通出版社,2004.

[3] 肖国峰，冯光乐，陈从新，等.汤屯高速公路顺层岩质边坡变形机制分析及治理对策研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(2)：67- 69.

[4] 胡新丽，唐辉明，陈建平.高速公路顺层路堑边坡优化设计方法[J].地球科学:中国地质大学学报，2001，24(4)：115-117.

Study on highway bedding slope design scheme

Gao Renhe Pang Qiyan

(CCCCFirstHighwayConsultantsCo.，Ltd,Xi’an710075,China)

The thesis discusses general bedding slope design methods, carries out example analysis of the high bedding slope, analyzes its instability control factors from aspects of deformation mechanism, bedding slope stability and design countermeasures, and finally puts forward appropriate slope design scheme, so as to promote its recognition.

bedding slope, deformation mechanism, stability, design countermeasures

1009-6825(2015)07-0139-03

2014-12-29

高仁和(1982- )，男，工程师； 庞起燕(1971- )，女，高级工程师

U416.14

A