湿陷性黄土高边坡处治方法探讨

赵 鹏

(中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089)

0 引 言

湿陷性黄土高边坡的处治是关系到整个项目施工期、运营期的安全性的重要影响因素。如何经济合理的处治湿陷性黄土高边坡一直是工程设计中的一个重难点。吴海刚研究认为，黄土高边坡的处治重点为路堑平台，并提出了重平台防护、弱坡面防护，并设置宽平台的处治原则；何浪、王振文等人通过有限元对黄土高边坡的稳定性进行了模拟分析，结果表明整体边坡的坡脚位置存在明显的应力集中现象，引起边坡剪切破坏的主要原因是这些在坡脚形成的剪应力增高带。且在动力作用下路堑坡顶的稳定性最差；吕菲等人通过野外人工降雨试验及数值模拟分析，研究了降雨对黄土边坡稳定性的影响，结果表明通过设置适当的防排水措施，可有效的提高黄土边坡的稳定性；王鲜等人通过室内模拟实验，对降雨的冲刷破坏机制进行了研究，结果表明降雨对黄土边坡的冲刷破坏机制可分为：降雨冲击、吸水软化和面沟切割；叶万军等人对黄土边坡的综合坡率进行了研究并推导出了理论公式。陈苏等人通过黄土边坡离心试验，对边坡开挖过程中，黄土路堑边坡的应力变化过程进行了研究，研究表明黄土路堑的开挖卸载导致的黄土路堑边坡失稳是一个多因素耦合作用的结果；高德彬等人利用大量的工程实例，构建了基于CRB推理的黄土高边坡稳定性预测模型。上述研究均表明，通过适当的坡率与宽平台组合，并设置有效的防护、排水设施可得到经济、高效的湿陷性黄土高边坡处治措施。

1 依托工程

本次研究以G85银昆高速公路宁夏段为依托，通过实地勘察和理论分析对沿线的湿陷性黄土高边坡的处治措施进行了研究。该工程区域可划分为黄土梁卯沟壑、黄土台塬、冲洪积平原及河谷阶地四个地貌单元，冲洪积平原地貌位于工程区北部，河谷阶地地貌位于工程区中部，工程区南部主要为黄土梁卯沟壑和黄土台塬地貌。区内地质环境条件脆弱，气候干旱，植被稀少，黄土厚度大，在降雨等因素影响下，易引发滑坡、崩塌等地质灾害。全线共有路堑高边坡12处，最大路堑边坡高度81.56 m，最低路堑边坡高度30.91 m。

2 地质条件

经地质调查及钻探结果揭露情况，工程区揭露工程岩土体类型主要为第四系地层，表现为黄土堆积和河谷冲洪积堆积。上更新统疏松黄土(马兰黄土)在沿线黄土梁峁顶部、黄土台塬上部分布较广。

区内黄土呈淡黄色、土黄色，为粉土，粒度组分：颗粒直径0.079～0.013 mm的含量一般大于60%以上。粗粒组矿物成分以石英、长石为主，占60%以上；细粒组为粘土矿物，成分有伊利石、高岭石、蒙脱石等。粘土矿物和钙质起胶结作用，但易溶于水，故黄土易发生潜蚀现象。其具有大孔隙、垂直节理发育，孔隙度在60%以上。区内大部分地区的黄土干容重小于1.45 g/cm3，天然含水量5%～10%，由于黄土具亲水性，随着土中含水量的增加，其内聚力显著降低，在水中易崩解。其湿陷程度为中等-严重，湿陷类型为自重湿陷。

3 路堑边坡设计

根据地质勘察结果，通过理正岩土软件对不同坡率组合的边坡形式的安全系数进行计算。并结合周边项目的实施经验及相关试验研究，确定最佳的坡率组合。

3.1 岩体物理力学指标

根据《公路工程地质勘察规范》、《公路路基设计规范》、《公路土工试验规程》、《岩土工程勘察规范》等相关规范的要求，对相关路堑边坡进行钻芯取样并进行土工试验。试验结果见表1。

表1 岩体物理力学性质指标表

3.2 坡率组合设计

参考了大量工程实例后，本次研究采用三种坡率组合方案，即第一种为陡坡率、宽平台的方案；第二种为集中设置宽平台的方案；第三种为缓坡率的方案。具体坡率组合情况见表2。

表2 坡率组合一览表

根据上述坡率组合情况，分别在三种工况下，对5处坡高40～50 m的路堑边坡进行安全系数计算及数值分析，在三种坡率组合安全系数大致相等的条件下，得到满足规范要求的坡率组合情况见表3。

表3 坡率组合对比表

根据表3的计算结果，对其余7处高边坡进行计算验证，其结果均表明采用第二种坡率组合方案的综合坡率最优，每级边坡的坡脚处为应力集中点。结合现场施工经验及吴海刚、何浪等人的研究成果，采用第二种坡率组合的边坡形式，其防护设施、排水设施的工程量及实施效果均优于其余两种坡率组合。

3.3 宽平台设计优化

根据第二种坡率组合形式对全线12处高边坡的稳定性进行计算，得到了各处湿陷性黄土路堑高边坡的宽平台位置及宽度，其结果见表4。

表4 宽平台设置一览表

为便于设计与施工，经过计算与分析，将全线的宽平台设置原则统一为：路堑边坡高度低于32 m时，不设置宽平台；路堑边坡高度在32～56 m时，第三级平台加宽9 m；路堑边坡大于56 m时，路堑边坡每三级设置一处10 m宽平台。

4 边坡处治措施优化

针对湿陷性黄土路堑高边坡坡脚的应力集中现象，在深挖路堑第一级边坡的坡脚处均设置一道外露2 m的矮路堑墙以加固坡脚；同时为防止雨水对坡面的冲刷破坏，每级边坡均采用拱形骨架护坡防护，并在拱圈内种植细茎冰草、苇状羊茅、沙棘等草灌木； 一般路堑边坡平台均采用混凝土硬化并设置平台排水沟，宽平台处于平台中间位置穴植灌木，其余地方均采用混凝土硬化并设置平台排水沟；自然降水通过坡顶截水沟、拱形骨架、平台排水沟汇集至急流槽，经线外排水沟引出湿陷性黄土路堑范围。

5 结 论

(1)针对本工程的湿陷性黄土路堑高边坡，集中设置宽平台的边坡坡型组合的综合边坡坡率优于其余两种边坡坡型组合。

(2)湿陷性黄土路堑高边坡的坡脚处为应力集中点，应重视对坡脚的加固防护。

(3)针对湿陷性黄土的特点，应做好路堑坡面及平台的防排水措施，通过设置排水沟、截水沟、骨架等措施将自然降水引出路堑范围，并做到“远接远送”。

(4)可针对不同的路堑边坡高度，将繁杂的宽平台设置位置及设置宽度问题，归纳为一个统一的设计处治原则。