城市复杂条件高陡边坡稳定性分析与绿色支护设计

刘志辉

(广东鸿宇建筑与工程设计顾问有限公司，广东 东莞 523011)

0 引 言

城市建设规模的扩张需要市政基础设施配套的支持，特别是市政路桥作为城市有机体的血管，保障了整个城市的有效运转。市政路桥建设过程中高陡边坡稳定性和边坡支护设计的安全有效需要得到特别重视[1]。针对高陡边坡必须采取合理有效的分析理论和专门的安全度设计方法，确保边坡不仅有充裕的安全储备，且保证方案最优、经济环保。

1 边坡稳定安全分析方法和技术研究路线

1.1 边坡稳定安全分析方法

介于岩土体的特殊性质，针对其边坡的稳定性分析也在不断深入研究，尤其是定量分析求解其安全系数等。经过近代先驱的不断研究总结，边坡稳定性分析取得了长足的发展。针对土质边坡、岩质边坡、土岩结合边坡等，尤其是针对相对比较复杂的土岩结合体，要同时考虑土体和岩体不同破坏情况后进行综合研判[2]。

城市道路建设中不可避免碰见高边坡的情况，城市用地紧张、周围建筑体密集，这就使得不能够像普通公路、铁路建设那样采取大放坡等建设模式，必须采取更加合理的支挡形式。这样既给工程建设的设计分析又给高边坡的安全提出了更高的挑战。

工程建设中要进行工程地质的详细勘察，提供边坡岩土性质的各项参数，并根据土体或岩体性质进行定性和定量综合分析，定量分析方法和使用范围见表1。

表1 边坡滑坡稳定常用分析方法和适用范围汇总

1.2 边坡稳定技术分析和支护设计路线

在项目实施过程中，首先要针对现场地质情况进行勘察工作，通过对市政道路建设线路进行探槽等勘察分析，调查岩土体性质和岩体节理裂隙情况，分析描述并全面掌握边坡的地质条件。计算分析边坡安全角度，针对不同岩土体的工况进行综合稳定性分析，进而进一步进行支护结构的优化分析设计。高陡边坡稳定性分析和支护设计技术路线如图1所示。

图1 高陡边坡稳定性分析和支护设计技术路线图

在边坡稳定性技术分析过程中，首要方面就是要确保工程地质调查能够详细准确，合理选取计算参数，并根据土岩结合情况正确选择分析模型和分析方法。根据稳定性分析的结果结合边坡高陡情况合理恰当地选取支护方式，优化支护方案并与城市绿色景观环境相协调一致[3]。

2 市政道路工程案例项目概况

2.1 工程建设概况

本项目以珠海市某道路及附属设施工程为例作分析，设计道路为双向4车道，道路等级为城市次干路，道路一侧现存在一高陡岩土边坡，在施工过程中要进行分析处理。本项目建设内容包括道路、路基等项目施工。

2.2 项目所处位置建设地质情况特征

经详细勘察揭露，此项目边坡主要地层以上覆黏性土和碎石层以及杂填土层为主。地层分布从上至下为：第一层为杂填土，主要包括强风化岩体和建筑垃圾堆积，地层不均匀，性质差别很大，覆层厚度为0.5～2 m；第二层为粉质黏土，土体性质为硬塑状态，整体土层比较均匀，土层厚度为3～5 m；第三层为碎石土层，碎石层岩体呈中密状态，呈棱角状态，内填充粉质黏土。土层厚度为3～8 m。

通过现场地质情况的勘察分析，通过探槽开挖发现边坡具有一定的土岩结合特性。探槽开挖情况表明东侧开挖较深且黏土层相对较厚；西侧开挖黏土层较浅且岩石埋深较浅，开挖难度大。整个岩土边坡较陡，且整体地质情况较为复杂。边坡由于处于城市范围内，开挖和支护要求高，一方面要求保护山体生态，减少对山体开挖，另一方面要求针对支护设计加强绿色设计理念，并保证高陡边坡的支护安全。因此采取有效的分析手段，配合绿色设计理念，充分考虑边坡稳定在各个工况下的不利条件，依据边坡坡度和高度，综合研判分析选择合适的边坡支护形式，并满足绿色设计施工需要。

3 市政道路工程高陡边坡稳定性分析

边坡支护设计涉及边坡稳定分析计算方法的选取、岩土参数的选择以及结合多年的工程经验进行综合研判，因此选取适宜的计算方法是准确完成边坡支护的前提。

不同安全级别的边坡的安全储备要求也不相同，本案例边坡要求安全等级为一级，根据边坡技术规范的相关要求，采用平面、折线滑动稳定系数技术时，安全系数要达到1.35以上，采用圆弧滑动面进行计算分析时，安全系数要求达到1.3以上。本项目根据现场勘察细节资料等结合岩土体力学参数确定边坡滑动面和破坏形式[4]。

边坡开挖拟选取计算模式，上覆土层采用均质土体的圆弧滑动面，下层岩石采用折线或平面滑动线。具体破坏线如图2所示。

图2 本项目边坡安全分析滑动破坏面模式

通过上图破坏面分析可以看出，复杂的土岩结合面破坏模式比较复杂，破坏机理也和普通土体的破坏不尽相同，在计算分析中要根据不同稳定土岩体的状态进行综合研判分析。针对土层稳定情况可以采用圆弧滑动计算，可选择简化毕肖普方法进行搜索分析最不稳定滑动面，根据边坡规范要求计算。针对岩石层，普通的计算模式可以采用直线平面滑动计算面分析[5]。

计算分析时，要综合考虑暴雨、地震作用，确保稳定系数满足设计要求，有充分的安全储备。进一步进行支护加固设计工作。

边坡稳定性分析过程中，综合考虑不同工程条件下的边坡稳定情况，结合本项目所处的地理位置和地质条件综合考虑以下几种设计工况：

工况一：不考虑地震作用和地下水作用，仅仅考虑天然状态坡体情况。

工况二：考虑地下水位于坡面下3 m情况。

工况三，考虑地震作用影响和地下水作用综合考虑。

针对以上工况，采用岩土专业分析程序进行岩土体各个滑动面的计算分析，各个剖面的不同岩土体的计算安全系数见表2。

表2 不同工况条件下各个岩土体剖面计算安全系数表

根据以上计算分析数据可知，本项目岩土体边坡无论是在自然状态下还是在地下水作用下各个剖面的安全系数均小于1.3的限值，同时在地震作用下也不满足1.3的安全系数的限值，在地震作用下是极其不稳定的。综合分析可知该边坡在自然状态下是很不稳定，尤其是在综合外力作用下会发生较大的边坡滑坡等破坏情况，因此在设计中要充分考虑不利影响，采用有效的支护措施，确保边坡安全稳定。

4 市政道路工程边坡稳定绿色支护设计分析及施工应用

4.1 边坡支护设计分析优选

上节计算分析的稳定性结果表明，不同工况条件下边坡稳定性不满足安全等级一级的设计要求，不具有充分的安全储备，因此要针对此边坡采取专门的支护设计和加固措施。设计分析时首选提取勘察资料中的各个数据信息和地质条件情况，计算分析边坡滑坡过程中的下滑力，根据下滑力的大小结合相关规范进行边坡锚杆和格构梁设计计算。可以采用专门的岩土计算分析程序进行计算分析，结合边坡的实际情况经优化比较分析给出最优设计方案[6]。

结合本项目工程地质情况，适应城市建设整体环境的需要，综合边坡稳定计算分析结果，采用坡率法进行边坡防护，并根据边坡岩土地质情况采取骨架植草防护措施。主要的边坡骨架防护设计对比见表3。

表3 边坡骨架绿色防护设计方法对比表

根据本项目边坡岩土体情况，结合坡率法边坡防护、工程造价的经济性指标综合分析，拟采用每级坡高6～10 m，坡率为1∶1.0～1∶1.75的放坡防护措施，并对放坡坡面增加锚杆加强支护措施。根据上表骨架防护方式的工程施工难易程度、完工效果综合分析采用坡面进行人字骨架植草防护的方法。

4.2 边坡支护绿色设计、施工方案

通过对比分析坡率法结合人字骨架植草边坡防护的措施，一方面满足边坡稳定性安全要求，节约工期和造价，另一方面符合城市边坡绿色设计、环境协调的目的。针对此方法从设计至施工阶段重点控制以下几个方面的质量目标。

(1) 边坡防护时需要与道路路基路面防排水方案协调统一。确保边坡排水效果与道路排水通畅，避免因排水影响边坡安全稳定。

(2) 坡面植草时要结合城市景观和当地乡土植物的结合，草籽喷播过程中要掺入30%～40%低矮灌木种子，满足坡面防护绿植层次性要求。

(3) 边坡支挡设计过程中，尽量保证其与管线、绿化、排水等专项设计界面协调统一，避免突兀设计或者遗漏。

(4) 在进行边坡开挖过程中，确保开挖面稳定，严禁在坡脚2 m内开挖作业，各类管线的设计也要避免放置在坡脚，如果确需开挖时，可以采用坡脚加固措施保证坡脚安全。

(5) 边坡防护中预留相关后期维护作业面，便于后期边坡养护作业，与当地生态环境相协调。人字骨架坡面防护示意如图3所示。

图3 人字骨架植草坡面防护和节点设计示意图

施工作业顺序：施工放样→坡面修整→放线找平和沟槽开挖→墙脚砌筑→骨架砌筑→挡水板设置→养护作业→沉降缝设置。

施工作业过程注意砂浆的拌和存放，避免与泥土掺杂，以免影响砌筑强度；现场水泥原材料要进行性能检测工作，并针对混凝土进行专项配制；砌筑过程中要保证砂浆砌筑饱满，避免出现空洞等问题；砌筑完成后进行人字骨架表面平整性等检测工作，采用经纬仪进行测量，控制偏差数据满足±100 mm范围之内。

市政道路边坡骨架质量控制是控制边坡结构稳定的重要措施，是保证道路正常运行的重要前提，要针对边坡防护施工进行严格的质量控制、采取相应的质量保证措施，以达到整体建设效果好、应用性能好、绿色环保安全可靠[7]。

5 结 论

边坡稳定分析和支护设计在城市建设过程中不仅要考虑安全合理，还要综合考虑绿色设计理念，并尽可能地减小对城市生态环境的破坏。文中以某城市市政道路高陡边坡项目为例，结合边坡稳定分析的概率统计计算分析，通过针对现场地质条件的详细勘察和岩土试验，结合稳定分析理论寻找最不利破坏面，计算土层和岩层的最不利下滑力，进而对边坡进行安全性综合评价工作。采用专业岩土分析软件，结合不同施工工况下内力组合，求解各个工况下的安全系数，结果表明边坡安全系数在各个工况下都不能满足一级安全等级要求，需要针对边坡进行处理并进行支护设计，计算分析表明岩土体各结构面均出现了较大的变形和位移，在土体中主要发生圆弧滑动。

通过计算分析岩土体稳定后，综合对比工程建设难易性、工程建设的经济性指标以及城市边坡环境的绿色设计施工，与城市环境相协调拟采用坡率法、人字骨架植草，以保证坡面安全有效。