黄土边坡在单坡坡率及高度限定下平台设置与经济性—以某公路边坡为例

2018-12-06李金云

中国建材科技 2018年4期

李金云

（甘肃省公路发展集团有限公司，甘肃兰州 730070）

1 前言

边坡的设计核心是安全，在此基础上会考虑到经济与美观性，公路和铁路边坡设计往往要考虑整个路段或某一区域的整体一致性，即保持单坡坡率及高度的一致，视觉上达到舒适美观的效果。在给定了单坡坡率和高度后，平台的设计成为边坡安全及经济的至关重要因素。前人对边坡削坡设计的研究已较为全面，边坡优化方法多不胜数如：工程类比法、计算对比法、反算法、有限元数值模拟离散裂隙网络多面体建模、极限平衡法、自然比拟法、计算分析法、工程地质类比法等[1][7][12]。边坡设计所考虑的因素也多种多样如：单级坡高、单级坡率、总坡率、分级数目、平台设置、可靠度、破坏概率等[5][8]～[13]。但对于只以平台设计为变量的研究寥寥无几，刘海松等对限定单级坡高、坡率的边坡进行设计研究，认为在高边坡1/3处设置大平台对边坡稳定性转化率高，考虑的是平台与安全的关系。限定条件下平台设置与安全性及经济性的关系研究，对边坡设计有重要的意义，因此文以某边坡设计为依托，在保证安全的基础上，探究了平台设计与经济性的关系。

2 边坡设计

2.1 工程概况

路线布设于陕北黄土高原中部的黄土梁峁沟壑地貌区，地形起伏较大，切割强烈，沟道狭窄，边坡陡立，部分沟道较曲折，无论是布设桥梁还是设置路基都避免不了高边坡。线路基深挖高边坡共20处，高边坡以Q3黄土边坡为主。

2.2 设计限定

因公路工程整体设计要求，以典型边坡优化设计为依据，对该路段提出以下设计要求：1）底层单坡坡率为1:0.5，之上坡率为1:0.75；2）单坡坡高设置为8m；3）平台最小为2m，加宽为双数加宽。

2.3 指标选取

选取的指标中，粘聚力、内摩擦角、重度根据经验值选取，安全系数是依据《公路工程地质勘察规范》[14]、《公路路基设计规范》[15]，根据公路等级选取。

表1 各项指标选取

2.4 安全系数计算方法

本文采用理正岩土计算5.6版进行了边坡稳定性计算。通过设定边坡坡型、土体参数、荷载、计算方法（简化Bishop法）、土条厚度等，自动收缩最危险滑裂面的方式得到稳定性计算书，与选取的安全系数值比较，判断设计坡型是否安全。

2.5 坡型设计方法

2.5.1 逐步加宽平台法

逐步加宽平台法，是由底部向顶部，平台逐渐加宽来满足安全性的方法。此方法是在低阶边坡设计的基础上进行高阶设计，如七阶边坡的设计是在六阶最佳设计坡型的基础上进行的，而六阶边坡是设计是在五阶边坡的最佳设计基础上进行的。但此方法存在局限性，由于每层边坡都是极限最优方案，在累积到高层时，就会出现需要设置一个大台阶才能满足安全要求的情况，此时这种设计的经济性将不是最优的，笔者称为临界坡阶。此时易采用同等经济性或更优经济性的台阶设计，即同时加宽顶层平台及上一设计顶层平台的宽度的方案，来实现坡型的缓变，该缓变方案在低阶边坡处有效。在通过缓变方案设计的临界坡阶设计后，仍采用逐步加宽台阶法，直到下一临界坡阶出现，此时需要大量调整低阶平台才能实现坡型的缓变，该方法不再适用。

因工程路段边坡高度不一，笔者采用逐步加宽台阶的方法，调整台阶宽度，进行了3台阶至10台阶的设计计算，得出了满足安全要求的最小挖方量。设计见表2。

由表可以看出，在对四阶边坡设计时，最经济的平台设计为三个2m的平台，但在五阶边坡设计时，如继承四阶边坡的设计，平台设计需要满足2，2，2，10的要求，此时的危险面位于前四阶边坡处（图1A）。此时，台阶设置采用2，2，4，6的方案，在经济性上与前者一致，在横向挖深上浅于前者，因此五阶边坡为本边坡逐步加宽台阶法的临界坡阶。此时下方平台数较少，把三级加宽至4米，四级平台加宽至6米，可及时使坡型缓变，因此对于5级边坡采用缓变的方案，之后的边坡仍采用逐步加宽平台法。当阶数到达10阶时，开挖坡型为较为明显外凸弧面，滑动危险面位于弧面较陡的中下部（图1B），顶部平台的加大对安全系数的增大微乎其微。