高速公路边坡加固的优化设计方法研究

毕晓明

（杭州市交通规划设计研究院有限公司，杭州 310030）

1 引言

高速公路是我国国家路网的重要组成部分，是一个国家交通运输发达程度的重要标志。伴随着我国交通事业的快速发展，高速公路从发达省会城市、东部沿海地区向丘陵地区以及偏远山区延伸。在山地丘陵复杂的地质条件地区修建高等级公路，会给高速公路边坡设计带来很大困难，很大程度上影响着高速公路质量，也给后期高速公路的安全运营带来隐患[1，2]。尤其是在地形地貌类型复杂，天气变化多端的西部地区，路网建设中遇到的边坡问题尤为突出。因此，边坡的加固防护问题对于项目安全顺利施工以及公路后期安全营运十分关键。对于高速公路边坡的防护加固手段，以往的设计和施工都总结出了许多方法与经验，但是准确分析边坡稳定性，针对实际工程需要，提出经济、有效的边坡加固方案，是现阶段急需解决的问题。

2 高速公路边坡分类及其特点

目前，国内外对于边坡的分类的依据标准有很多，常见的边坡分类所依据的标准包括形成原因、地层岩性、边坡的失稳模式。按照公路边坡的形成原因将边坡划分为自然边坡和人工边坡。根据边坡组成成分不同，可以将边坡分为岩质边坡和土质边坡。按照边坡的几何特征，例如，高度和坡度，可以将边坡做出一般型分类，分类见表1、表2。

表1 不同高度的边坡分类

表2 不同坡度的边坡分类

3 边坡稳定性影响因素分析

3.1 内在因素

内在因素是边坡失稳的根本原因，其主要表现为边坡内部岩体抗剪强度降低以及促使边坡失稳的力增大。当促使边坡失稳的力大于边坡内部岩体抗剪强度时，边坡就会变形失稳。反之，当边坡内部岩体抗剪强度足够大时，边坡处于相对稳定的状态。影响边坡稳定的主要原因有以下几个方面：边坡所处的地形地貌、边坡内部岩体岩性、地质构造、岩体结构面等。

3.1.1 地形地貌

高速公路边坡的几何形态，如边坡高度、边坡坡度，这些边坡几何形态对边坡稳定性的影响是很大的。坡度较陡、高度较高的边坡容易发生失稳。边坡的临空面受到坡面形状的影响，凸形边坡比凹形边坡更可能发生滑坡。因此，不利的地形地貌也会导致边坡发生失稳破坏，在边坡加固中对边坡的几何形态等进行优化有利于边坡稳定性提高。

3.1.2 地层岩型

边坡稳定还受到边坡所处的地层岩性的影响。不同时代的地层岩体的矿物组成不同，会导致边坡岩体的物理性质和力学强度也有着显著的差异。由矿物的胶结作用形成的岩石，质地坚硬，遇水稳定性也较好，其抗剪强度较大，抗风化能力较强，抵御雨水侵蚀的能力较强，其稳定性较好，易形成较陡或较高的边坡。而含有长石、绿泥、蒙脱石等矿物的岩土体及易发生风化，完整性较差，抗剪强度较低，受雨水侵蚀作用影响较大，存在滑坡的风险。

3.1.3 岩体结构

岩质边坡内部比土质边坡要具备更强的结构性。岩质边坡内部岩体结构的稳定性是其边坡稳定性的决定因素，边坡内部结构面之间的联通程度以及结构面是否发育都会影响边坡的稳定性，岩质边坡内部软弱结构面的发育是导致边坡滑塌的重要因素之一。同时，边坡内部结构面的倾向也会很大程度上影响边坡稳定性，当边坡坡面走向与边坡内部结构面的倾向一致时，边坡容易沿结构面顺层滑动；当边坡内部结构面的倾向相反时，边坡发生失稳的可能性较小。另外，岩质边坡结构面的存在也为边坡内部地下水的活动提供了便利，这显然对边坡稳定性不利。

3.1.4 地质构造

边坡的地质构造主要是指边坡褶皱的强烈程度、内部岩层产状、断层走向和节理裂隙。边坡稳定很大程度上受到内部岩体地质构造的影响，边坡内部岩体的褶皱往往会引起边坡滑塌。反向倾斜结构的边坡具有较好的稳定性，但垂直层面走向发育的边坡稳定性较差。另外，节理裂隙的发育会大大降低岩质边坡的完整性，从而降低边坡稳定性。

3.2 外在因素

边坡稳定性还受到外在因素的影响，包括自然环境影响、人类活动的影响以及地震爆破等因素影响[3]。

3.2.1 自然环境的影响

根据相关数据，大多数边坡的失稳破坏都与水的活动有关。水主要通过以下两个方面对边坡稳定性产生影响：一方面是水的存在会与岩体产生物理化学作用，当水中含有CO2等气体时，会与岩体产生化学反应，同时，水对岩体还会产生软化作用。另一方面，水的存在还会对边坡产生一定的力学效应，包括产生的静水压力，动水压力以及冲刷作用。

3.2.2 人类工程活动的影响

随着人类工程活动领域不断扩展，人类的工程活动会对边坡稳定性产生显著的影响。采用不恰当的设计方案、施工方法会导致边坡原有的内部平衡被破坏，导致边坡失稳。因此，应当优化边坡设计，规范施工流程，将人类活动对边坡稳定性的影响降到最低。

3.2.3 地震爆破等因素影响

地震以及爆破等对边坡稳定性的影响极大。这是由于地震或爆破带来振动使得边坡内部结构发生破坏，导致原有结构面持续发育，导致边坡失稳。另外，地震还会诱发土质边坡的液化，导致边坡发生液化滑移。地震以及爆破等引起的边坡失稳往往是特殊地层结构、地下水以及振动等多方面作用的结果，在边坡优化设计过程中，应当引起足够重视。

4 高速公路边坡加固技术

4.1 高速公路边坡工程加固

工程加固技术可分为工程加固措施与工程防护措施。

1）砌石防护。当边坡坡度较陡、边坡坡体表面土质松散、边坡易发生失稳时，可采用砌石防护的措施。

2）锚固技术。锚杆支护技术在公路边坡、隧道、采矿等地下硐室施工中得到了广泛应用。锚杆支护是利用金属或其他材料制成的杆件，打入破碎岩体表面预先钻好的孔中，利用锚头、杆体等结构并结合混凝土砂浆，将破碎岩体与内部稳定岩体结合在一起的一种加固技术[4]。锚固技术通过杆体强度，大大改善了岩体的抗拉能力差的问题，对于节理裂隙发育的边坡具有很好的加固效果。

3）抗滑桩防护。抗滑桩是指穿过边坡滑体深入滑床的结构物，抗滑桩通过抵抗滑坡体的滑动，防止边坡沿滑动面滑动失稳，在浅层和中厚层的滑坡的加固中应用较为广泛。但对具有滑坡风险的边坡施作抗滑桩时，应当避免施工振动而引起的滑坡。

4）注浆加固。注浆浆液在压力的作用下，通过岩体内部注浆孔周围的节理裂隙向四周渗透，对边坡内部破碎岩体起到凝结作用，增强破碎岩体的整体性。除此之外，注浆形成的柱体对边坡岩土体起到锚固作用，提高了边坡的抗滑能力。

5）格构加固技术。格构加固技术是指将格构梁与锚杆或锚索结合形成的新型边坡加固技术。对于坡度较陡，结理裂隙发育，破面松散，有落石头、小型崩塌风险岩质边坡，可采用格构加固技术进行加固。格构梁通过锚点处的锚杆或锚索将边坡下滑力、边坡岩体松动力分散传递到锚固体内部，能够充分发挥锚固体的整体作用。

4.2 高速公路边坡生态加固

目前，高速公路建设中的边坡植物加固越来越受到重视，利用植被或植被与岩土技术相结合形成的边坡生态加固技术在工程实践中得到越来越多的应用。与传统的工程加固相比，边坡生态加固技术不仅可以减少水资源浪费、防止水土流失，还可以净化空气、保护环境、提高行车安全以及运营安全，具有良好的综合效益。随着环境保护理念的深入人心，高速边坡加固也从传统工程加固方式向新型加固方式转变。植物生态加固新技术，与传统的工程加固措施相结合形成了边坡工程生态加固新体系。根据边坡所处的自然环境不同，在边坡生态加固技术中采用的施工方法和施工工艺也有所不同。

1）人工种草护坡。人工种草护坡是通过植物根系与土体的相互作用起到加固土体，减少水土流失的一种生态防护措施。这种防护措施适用于对于稳定、高度较矮、坡面重冲刷较小的边坡，一般不用于岩石边坡防护。

2）平铺草皮护坡。平铺草皮护坡机理与人工种草护坡相同，平铺铺草皮护坡适用于边坡坡度较陡，冲刷较为严重边坡的防护。平铺草皮护坡还有具有人工种草护坡不具备的优势，铺草皮坡面护坡可以对施工结束后的边坡进行实时的坡面防护，防止出现坡面的风化。

边坡生态加固应当根据当地气候类型和土壤特征选择乡土树种，强调因地制宜的原则，防止生物入侵现象的出现。

5 结语

如果在实际工程中单纯采用工程加固的方法，在后期的高速公路运营过程中则会产生很多问题。仅进行工程加固对可能会导致已完工的边坡外观颜色暗沉，缺乏生机，工程加固措施还与环境景观极不协调，不能满足现代高速公路对环保绿化以及景观的需求，也不利于行车安全、行车舒适。此外，单纯采用工程加固对边坡进行处理的造价相对较高，虽然它加固效果较好，但也具有一定的局限性。

对于边坡生态加固，由于植物护坡整体栽培期较长，在植物生长初期，覆盖率低，根系稀疏分布。然而，与传统工程加固措施相比，植被与工程措施相结合的边坡防护措施具有传统工程加固措施无法比拟的优势。边坡生态加固能迅速恢复工程建设破坏的生态环境，且边坡生态加固成本低，也避免了传统工程加固措施随时间推移出现老化、强度降低问题。