公路路基设计中边坡防护技术的应用

马建国

（山西诚达公路勘察设计有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

在公路工程建设过程中，特别是山区公路建设，难免产生深挖路堑边坡。对于公路边坡而言，其稳定性主要受到两方面因素影响，即自然因素与人为因素。其中，自然因素有地形地貌、地质条件、气候条件、水文地质和地震等突发灾害；而人为因素有施工时采用的开挖方式及防护方法、养护与绿化。由于自然因素无法避免，所以如果人为防护不到位，将可能使边坡失稳导致破坏，给行车安全带来不利影响。为防止边坡失稳，在前期设计阶段需结合边坡的挖高、坡率以及岩土特性，通过理论分析与计算确定更适宜的防护方法，保证边坡稳定性，同时还要考虑到经济性与美观性。对公路边坡进行防护设计时，深挖路堑边坡不仅是重点所在，也是一个难点。因为边坡开挖会使边坡原本保持的应力平衡状态被打破，在应力完全释放之后会重新分布，导致边坡处在欠稳或不稳的状态，此时要采取有效措施加以防护，否则必然引起滑坡等灾害的发生。

1 边坡防护主要类型与特点

边坡防护主要类型可分成以下三种。

（1）表层防护，主要包括植物防护与圬工防护。其中，植物防护是指采用植物对边坡进行防护。在设计过程中要充分考虑边坡土体类型、自然气候条件与景观要求，以此确定使用的防护形式；而圬工防护则是采用工程措施对边坡进行表层防护，如护面墙与喷射混凝土等。对于植物防护，其特点在于可以在相对较短的时间内形成绿色景观，防止边坡直接受到雨水冲刷的作用，但存在后期养护成本相对较高的缺点；圬工防护特点在于只是对坡面表层进行复制性防护[1]。

（2）中浅层防护，属加固防护范畴，如挡墙、锚杆和土钉墙等均属于中浅层防护。其特点在于能长时间保持边坡安全性与稳定性，是当前针对处于欠稳或不稳状态中边坡的常用安全保证措施[2]。

（3）深层防护，同属加固防护范畴，如注浆加固、预应力锚索与抗滑桩等，其特点与中浅层防护基本相同，均能长时间保持边坡安全性与稳定性，是当前针对处于欠稳或不稳状态中边坡的常用安全保证措施。

设计中需要注意的是，以上不同防护方法有其自身的特点及适用条件，在选择时必须做到因地制宜和灵活使用，以最大限度发挥出所用防护形式的功能与价值[3]。

2 边坡防护设计基本原则与方法

在设计开始前应做好调查工作，了解原始坡面所处形态与周围其他工程相关经验，然后根据地质勘探资料及其定性分析结果初步拟定边坡防护方案[4]。在之后的工作中，需按照规范的要求做好稳定性验算，并遵循从简单到复杂的基本原则确定最终的防护方案。

2.1 边坡放缓与分级刷坡

边坡放缓在边坡防护设计过程中是一种简单和常用的方法。导致边坡失稳、发生破坏的主要原因为坡高太大和坡度太陡，所以采用削坡的方法，将不稳定的部分削除，并放缓坡度，能起到提高边坡稳定性的作用[5]。

虽然刷坡设计有很高灵活性，但要遵循放缓之后边坡综合坡率与自然坡度相接近的基本原则，这是因为坡度比自然坡率大的边坡，大部分都处在不稳定的状态。如果单级刷坡高度太大，则可进行分级刷坡的方式，减小每一级的坡高。但要注意每一级的平台宽度需达到2～3m，同时结合稳定性验算结果，在局部增设加宽平台，其位置通常为土石分界面，也可直接按照20m的间隔距离设置。

边坡放缓具有施工方便、成本低、安全性好的优点，但也存在开挖面积相对较大，容易给自然环境造成较大破坏等缺点。

2.2 初步拟定防护方案与稳定性分析

如果按照以上原则处理之后的边坡依然过高或过陡，则需将坡率收陡，采用加固措施进行防护，同时要对边坡开展稳定性分析及综合评价，包括定性分析与定量分析。其中，定性分析常用方法包括工程地质类比法与赤平投影法，将岩土体结构及其分布特征作为依据；而定量分析常用方法包括数值模拟法与极限平衡法。现在应用最多的是以极限平衡理论为基础的理正分析软件。对具体边坡进行稳定性验算的过程中，应多次拟定防护方案，并对不同的方案进行多次验算、对比和分析，直到定量计算结果和定性分析结论基本一致，从而保证理论分析和边坡的实际情况达到吻合[6]。

2.3 工程防护措施

完成稳定性分析后，根据其结果针对整体稳定性尚好，且通过刷坡即可使安全性达到要求，但坡面容易产生风化剥落及局部崩塌掉块现象的边坡，考虑采用表层防护措施；而针对稳定性相对较差或不稳定的边坡，则要视其实际情况进行中浅层加固或深层加固。

大部分边坡工程都是按照以上原则及思路，通过对边坡岩土体特征、边坡现状稳定性、施工可行性及防护措施合理性等的综合考虑，确定最终的防护方案，并且要求在方案实施时加强稳定性观测，同时还要在必要的情况下开展动态设计[7]。

3 实例分析

3.1 边坡概况

本文以某高速公路标段中的高边坡为例，对其防护设计及技术应用进行分析。该标段因受到路线的线形与纵坡因素的影响，必须进行深挖方。据调查，该段坡长可以达到150m左右，最大挖高可达55.33m。边坡所在地区的年均降水量为750mm，通过钻孔没有发现地下水与岩层裂隙水，可见其水文地质条件相对简单，不会对边坡整体稳定性造成太大影响。另外，边坡上岩体相对完整，而且基本没有对边坡稳定性不利的顺层节理。坡脚处地面标高1 333m，坡顶处地面标高1 400m，高差可达67m。

3.2 边坡岩土体类型与特点

通过前期地质勘探，该边坡开挖施工涉及的岩土层包括：黄土层、碎石层、全风化花岗岩层与强风化花岗岩层。结合现场调查结果与以往其他类似工程相关经验，黄土层为II级土体，碎石层与全风化花岗岩层均为Ⅲ级土体，强风化花岗岩层为IV级岩体，而中风化花岗岩层则为V级岩体。边坡段地层岩性包括黄土、碎石与印支期花岗岩，其主要参数见表1。

表1 边坡岩土主要参数

3.3 防护设计与稳定性验算

3.3.1 刷坡与坡率

对比该边坡附近其他既有边坡工程，并根据勘察揭露的边坡地层情况和相关设计规范，初步设置如下：对于分级高度，第一至第四级边坡为石质边坡，将其分级高度确定为8m，而第五至第八级边坡则为土质边坡，将其分级高度确定为6m；对于坡率，将第一级边坡确定为1∶0.5，将第二级边坡确定为1∶0.75，将第三至第八级边坡确定为1∶1；对于平台宽度，因第一级和第二级边坡均处在岩石中，所以将平台宽度确定为2m，而其他各级边坡均处在全风化花岗岩与土层中，所以需设置宽度为3m的平台。按照初步拟定的方案提出的各级边坡坡率，其综合值为1∶1.244，缓于自然稳定坡面坡率（1∶1）。

3.3.2 初步拟定防护方案

按照之前提到的防护设计基本原则，为避免边坡失稳，并保证一定景观效果，将边坡防护方案初步拟定如下：对第一级和第二级边坡采用护面墙进行防护；对第三级和第四级边坡采用锚杆框架梁与植生袋相结合的方式进行防护；对第五至第八级边坡均采用植草的方式进行防护。

3.3.3 稳定性分析与计算

首先进行定性分析，根据前期地质勘探结果，边坡上部以第四系黄土与碎石层为主，其中，黄土层层厚在5m左右，碎石层厚度较小，自然坡相对较缓，综合坡率在0.9～1.8范围内，现状稳定性良好；边坡中部以全风化花岗岩为主，层厚较大，并伴有厚度较小的碎石层；边坡下部以块状花岗岩为主，发育有闭合状节理裂隙，处在稳定状态。除此之外，在岩体当中还有两组剪节理，在节理切割作用下会使岩体内部形成多种组合体。通过赤平投影可知，节理面和坡面于相同的一侧斜交，而节理面投影弧却处于坡面投影弧之内，可见这是一种稳定性良好的结构组合。经以上定性分析可知，该边坡表层存在厚度较大的覆土层，由于边坡中部有薄弱层，所以在边坡开挖过程中，因边坡自然平衡状态被打破，所以会形成高度在20～50m的临空面，导致边坡开挖完成后于薄弱层产生剪切破坏，同时在局部出现欠稳或不稳的坡体，必须进行可靠的加固防护[8]。

然后进行定量分析，根据前期地质勘探成果，边坡表面覆盖层厚度可以达到5m，而中部以全风化花岗岩为主，同时可见厚度较小的碎石层，据此结合边坡破坏机理可知，该边坡最可能发生的破坏形式为直线剪切破坏。基于此，决定借助直线滑动法对上部岩土层实施稳定性计算。在计算开始前先假定潜在滑裂面从全风化花岗岩层和基岩层之间的分界处经过，同时将自然稳定坡面坡率作为破裂角，然后由理正岩土边坡稳定分析系统开始计算。经计算得出，在天然状态工况条件下，边坡上部土层中存在的潜在最不利滑动面安全系数为1.132，而在饱水状态工况条件下，边坡上部土层中存在的潜在最不利滑动面安全系数为0.926。其中，处于天然状态工况条件下的安全系数在1.2以内，并且处在饱水状态工况条件下的安全系数在1.1以内，均无法满足相关规范的要求[9]。

3.3.4 防护设计与优化

结合以上计算结果，按照“固脚强腰”原则对开挖坡面实施防护优化设计。其具体内容为：为避免边坡表面产生破碎与掉块，对第一级和第二级稳定性尚好的边坡，采用窗孔式护面墙进行防护，这样能在保证防护效果的同时，减少圬工量；对第三级岩质边坡，考虑到风化程度不均，决定按照中浅层的等级采用锚杆框架梁与植草防护相结合的方法进行防护；对于第四级边坡，因其处在土石分界处，采用锚杆框架梁与植草防护相结合的方法进行防护；对其他各级边坡，因饱水状态工况条件下的安全稳定系数相对较低，加之边坡所在地区平均降水量较大，所以通过设置拱形骨架与植草方式。

以上方案实施后，对边坡重新进行计算。结果表明，方案实施后天然状态工况条件下的安全稳定系数从1.132上升到1.260，饱水状态工况条件下的安全稳定系数从0.926上升至1.150，因处于天然状态工况条件下的安全稳定系数大于1.2，且处于饱水状态工况条件下的安全稳定系数大于1.1，所以可满足相关规范的要求。

从施工可行性角度讲，各级边坡所用防护措施，如刷坡和锚杆或锚索框架梁均为现阶段十分常见且容易实现的方法，而且在当地也有很多应用，此外由于将框架中的植生袋更改为直接进行植草，并将植草护坡形式更改为先设置拱形骨架再进行植草防护，所以能在保证边坡稳定性的基础上，提高绿化效果。由此可见，以上防护方案合理可行。

4 结语

综上所述，边坡防护是公路工程设计中的一项重要内容，具体防护方案的确定实际上是一个不断优化的过程。在设计过程中要结合项目的特点及地形地质，采用工程类比法等一系列可行的方法初步拟定边坡的坡率与分级高度，然后进行定性与定量分析，结合基础性理论与成熟度高的计算方法对边坡稳定性进行综合评价，从而确定潜在滑动面及剩余下滑力。最后据此确定适宜的防护形式，并对其进行必要的分析与验算，直到与规范要求完全相符。目前，该边坡正在施工，经开挖揭露边坡地质情况和前期地质勘探成果基本一致，虽然防护工程还没有正式实施，但由于经过了以上设计和优化，有望取得良好防护效果。