路基高边坡稳定性分析及施工质量控制技术研究

2021-07-15高浩雄

黑龙江交通科技 2021年6期

高浩雄

(广东冠粤路桥有限公司，广东广州 511450)

1 工程概况

以云浮罗定至茂名信宜(粤桂界)高速公路TJ14标段路基高边坡为研究对象来分析边坡塌方成因、稳定性及施工控制技术。TJ14标段主线线路全长10.980 km，起点桩号为K111+620，终点桩号为K122+600，建设标准为双向四车道，设计速度为100 km/h。公路主线位于信宜市，地质条件较复杂，沿线出现了大量高边坡。K118+255～K118+500的路堑高边坡右侧第1级边坡的揭露坡面节理裂隙较为发育，局部顺层坡面，需变更设计方案，以维持路堑高边坡的整体稳定性。本路段地处低缓丘陵，地形起伏较大，坡体地面标高约203.6～263.8 m，自然坡角最大约25°～30°。山体植被发育，生长各种灌木、蕨类植物。坡体组成物质表层为粉质粘土，厚度约4.20～7.10 m，其下为砂质粘性土，厚度约4.40～22.50 m，再下基岩为全风化混合岩，厚度约9.40～22.50 m，其下强风化混合岩，厚度约9.90 m，其下中风化混合岩，未揭露，拟以K118+361为研究对象，展开后续分析。

2 高边坡顺层崩塌原因

2.1 内在因素的影响

(1)地层特性

地层特性是引起路基高边坡塌方最重要因素之一，相关统计数据表明，60%以上高边坡塌方事故均与地层岩性密切相关。一般情况下，相对于新地层而言，老地层发生高边坡塌方的可能性更大；相对于硬质岩层而言，软质岩层发生高边坡塌方的可能性更大。云茂高速公路TJ14标段桩号K118+255～K118+500沿线的路堑高边坡右侧第一级边坡浅层岩性主要为粘性土和全风化混合岩，岩质松散、极易碎，硬度小，路基以深路堑通过该地层，出现塌方可能性较大。

(2)地质构造

路堑高边坡容易沿着软弱结构面(节理、裂隙、断层等)崩塌破坏。地质构造的存在会使地层中的完整岩体变得破碎，不仅在一定程度上降低了岩体本身的强度特性，还给边坡的崩塌提供了崩塌界面。云茂高速大断裂形成的断裂束数目较多、次级线性断裂构造也较发育，可能导致高边坡岩体存在断裂、节理等，而断裂、节理面中填充物多为钙质，受力容易碎开，从而导致边坡崩塌。

(3)岩石成分及风化程度

岩石成分会直接决定岩石的基本力学特性。如粘土遇水膨胀，易崩解；云母是片状结构，容易顺层劈裂。同时，岩石风化会破坏其完整性，产生一定数量的裂隙，使岩体呈碎块状或松散状。其中微风化和弱风化岩石对高边坡的稳定性影响不大，全风化和强风化岩质高边坡更容易崩塌。

2.2 外在因素的影响

(1)降雨

强降雨往往是导致路基高边坡崩塌的“导火线”。在降雨期间，雨水可能顺节理、裂隙渗进边坡岩土体，一方面会使边坡岩土体的容重增加，作用在潜在滑动面上的竖向荷载也增加；另一方面，边坡岩土体在雨水作用下抗剪强度和抗拉强度降低，容易沿着软弱结构面滑动而导致边坡塌方。

(2)边坡开挖

如果路堑高边坡在开挖期间未能及时封闭坡面，在冻融循环、干湿循环、强降雨等因素的影响下，可能加剧边坡岩土体风化程度，并形成新风化面，从而导致边坡岩土体抗剪强度降低而坍塌。

3 高边坡稳定性计算

3.1 高边坡计算方法

针对路堑高边坡稳定性计算，《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)中主要介绍了两种方法：(1)对于普通的碎裂结构岩体边坡或土质边坡宜采用简化毕肖普法；(2)规模较大或边坡破坏机制复杂的路堑高边坡宜采用简化毕肖普和数值计算法综合评估高边坡的稳定性。

(1)简化毕肖普法

简化毕肖普法模型简单，计算精度高，属于刚体极限平衡法的范畴，该方法是将滑坡体划分成n个宽度相同的垂直条块，假设各条块间只存在水平条间力和竖向条间力且均等于0，并以滑动圆弧的圆心为力矩中心点，计算得到抗滑力矩与下滑力矩的比值(边坡安全系数)，计算公式如下。

式中：W为第i条条块的重力，kPa；bi为第i条条块的宽度，m；ci为滑面粘聚力，kPa；φi滑面内摩擦角，°；αi圆弧底面倾角，°；ui为孔隙水压力，kPa。

(2)数值计算法

随着计算机技术的飞速发展，数值计算法在岩土计算领域地应用日益普遍，一般包括有限元法、有限差分法、离散元法等，其中有限元法的应用最广泛。有限元法用于分析边坡稳定性时，能将其安全系数与滑动面位移、应力、塑性区等联系起来，能更好地分析路基高边坡失稳变形机制。

3.2 高边坡计算参数及计算结果

采用理正岩土6.5软件对K118+361断面的路堑高边坡变更设计前的稳定性展开分析，考虑了两种计算工况：正常工况：边坡处于天然状态。非正常工况：边坡处于暴雨或连续降雨状态，降雨强度取25 mm/h。

(1)边坡岩土体参数

根据该段勘察设计资料及岩土报告，高边坡岩土体的基本物理力学参数如表1。

表1 边坡岩土体计算指标

(2)边坡变更前安全系数

高边坡变更设计之前采用客土喷播植草，理正岩土计算出的安全系数为1.24，最大水平位移发生在第一级边坡的坡脚附近，达到了35.2 mm。但是，随着降雨的增加，边坡安全系数不断减小，但减小速率逐渐变慢。即当降雨时间小于150 min，高边坡安全系数迅速从1.24降低至1.05，降低幅度为15.3%。当降雨时间超过250 min，高边坡安全系数基本保持在1.02左右不变。出现这种现象的主要原因在于：随着降雨时间的增加，渗入边坡内部的雨水量越多，使得坡体的负孔隙水压力减小较快，边坡岩土体抗剪强度参数减小，从而导致边坡安全系数降低。

综上，高边坡降雨后安全系数均小于《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)的规定值1.2，同时边坡潜在滑动面出现在边坡较浅，坡体存在坡体沿软弱结构面向下滑移的可能性，故认为该高边坡施工及运营期间存在一定的安全隐患，需变更设计方案。

高边坡第一级变更设计之前采用客土喷播植草，第一次变更后采用锚杆框架梁+客土喷播植草。由于高边坡开挖期间仍出现局部崩塌现象，故第二次变更是将边坡垮塌部分用M7.5浆砌片石修补后，仍维持原变更方案。高边坡变更方案对其稳定性的提高主要体现在两个方面：一方面，锚杆框架梁中的锚杆将内力传递至边坡内部的稳定岩土体，改变边坡的应力分布状态；另一方面，浆砌片石修补垮塌部分会提高边坡表层岩土体完整性，减小雨水入渗对边坡强度的影响。

每根全长粘结锚杆可视作一个约束点，各约束点均可提供正压力和上提力，前者可以阻止滑坡体与稳定岩土体分离，后者可以阻止滑坡体的下滑。当这些约束点的数目、位置和强度布置合理时，才能够充分发挥锚索的锚固作用，使边坡保持稳定状态。同时，很多学者也认为锚杆的长度和角度会直接影响锚杆框架梁的加固效果。为了得到最优的锚杆长度和锚固角度，利用理正岩土进行多次试算，得到了正常工况和非正常工况下边坡的安全系数，如图1所示。其中锚杆角度分别取12°、15°、18°、20°、22°，锚杆长度分别取3 m、6 m、9 m、12 m、15 m。

图1 不同锚杆参数下边坡安全系数

计算结果表明：正常工况和非正常工况下，高边坡安全系数均随着锚固角度的增加呈先增加后降低的趋势。当锚杆倾角为18°时，高边坡安全系数达到最大值。同时，随着锚杆长度的增加，锚杆的锚固效果改善，边坡安全系数持续增加，但增长速率逐渐变缓。即当锚杆程度不超过9 m时，边坡安全系数与锚杆长度基本呈线性正相关，提高速率较快；当锚杆长度大于9 m时，边坡稳定性增长幅度不大。锚杆加固长度15 m相对于9 m，施工难度提高，施工成本增加，但边坡的安全系数仅仅提高了3.1%。因此，该高边坡在使用锚杆框架梁进行防护时，锚杆最优锚固角为18°，最优长度为9 m，此时边坡安全系数为1.36，满足路基设计规范的要求。

(4)高边坡施工质量控制措施

高边坡在开展施工之前要按照“集中领导、职责明确、提高效率、有利协调”的原则，建立完善的施工作业组织机构，然后再制定完整质量控制措施等，主要包括以下几个方面。

边坡开挖：由于高边坡表层岩土体较破碎，不宜采用光面爆破和预裂爆破。根据高边坡所处的地形、地质情况，可通过浅孔爆破和中深孔爆破相结合的方法来开挖边坡。边坡爆破完成后，如果还残存较大岩石块，可利用机械进行二次破碎，并修整坡面。

锚杆框架梁施工：先施工3孔锚杆开展抗拉拔试验，以确保锚杆设计锚固力满足要求。锚杆框架梁加固边坡应先施工锚杆，再浇筑框架。其中锚杆的施工最为关键，其施工质量的好坏直接影响到边坡的处治效果，锚杆的施工流程主要包括：钻孔→高压风清孔→安装锚杆→灌注水泥砂浆。

客土喷播：喷播植草要选择适当的施工时间(春秋季最佳)。通常是利用喷射机物将绿化基材、种植土壤、草种等按比例喷射到坡面，喷播完成后覆盖无纺布来减少边坡表面水分蒸发，促进种子发芽生长，草种成活率不得低于90%，否则要进行补植。