高速公路坡度及护坡设计研究
2024-04-15霍红星
霍红星
摘 要：【目的】高速公路坡度及护坡设计直接关系到公路的安全性，所以需要对高速公路坡度及护坡设计进行研究。【方法】通过对坡道进行实地考察，收集相关数据，利用计算机仿真技术，研究如何在坡道坡度及护坡设计中改善道路的安全状况。【结果】研究结果表明，通过合理有效的设计，可以提高公路的安全性，降低交通事故率。【结论】研究成果可为类似工程设计提供一定的参考。
关键词：高速公路；坡度；护坡；设计
中圖分类号：U416.3 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）04-0075-04
DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.04.014
Research on Slope Gradient and Slope Protection Design of
Expressway Slope
HUO Hongxing
（Shanghai Tianyou Engineering Consulting Co.， Ltd.， Shanghai 200092， China）
Abstract： [Purposes] The slope and slope protection design of the expressway is directly related to the safety of the highway， so it is necessary to study the slope and slope protection design of the expressway. [Methods] Through on-the-spot investigation of ramps， relevant data were collected， and computer simulation technology was used to study how to improve the safety of roads in ramp slope and slope protection design. [Findings] The research results show that through reasonable and effective design， the safety of highway can be improved and the traffic accident rate can be reduced. [Conclusions] The research results can provide some reference for similar engineering design.
Keywords： expressway; slope; slope protection; design
0 引言
高速公路基础回填方法施工存在极大的不确定性，因此，边坡回填方法施工中的病害事故时有发生。有的病害情况出现在施工过程中，有的病害情况发生在经营期内［1］，这些病害情况的发生往往与地理条件复杂、设计缺乏充分考虑、施工质量不达标等因素有关。本研究基于多年的勘察设计经验和高速公路填方工程实践，提出一些高速公路边坡坡度及护坡设计优化措施和建议。
本研究采用正交设计思想，进行数值模拟试验，对斜坡路基的力学性能进行研究，以明确各设计参数对斜坡路的作用程度，并运用回归分析方法给出斜坡路基强度折减系数的计算结果。通过对嵌岩桩进行稳定性分析［2］，深入了解桩基在各种长细比及横向水平力条件的受力特性，以及侧向山体压力对路基设计内力、变化和安全性的作用，为高速公路边坡的工程设计提供参考。
1 边坡稳定性分析
基于强度折减理论，本研究提出了一种新的方法来解决路基负荷影响下边坡的稳定性评估难题，能较好地反映边坡应力应变分布，并且将塑性区能否贯穿当作证明边坡安全系数的重要准则，为复杂边界下边坡稳定性评估提出了一种新的思路和办法［3］。
高速公路边坡填方路基的病害可能会导致路基滑移，甚至导致工程滑坡事故。其中纵向裂缝和错落（差异沉降）等是最常见的病害。高速公路边坡路基开裂或滑移的原因具体包括：①由于边坡表面覆盖层土体与基石面之间存在透水性，地下水活动会导致边坡路基的下滑；②由于边坡地面岩层的软硬度不同，其软弱面会随着路基的倾斜而发生变化，从而导致地面和路基滑移；③疏松泥沙湿度很高，若未采取有效的防护措施，这些泥沙填补到边坡的顶部，使边坡的高度增加，更易引起滑移［4］；④由于边坡地基处在半填半挖的状态，差异下沉会导致路面出现裂缝；⑤由于边坡基础上缘坡面汇水范围较大，即使采取了截水和路基排水沟等防护措施，但地表水仍然可能渗透到基础或覆盖土壤内，从而导致整个路基基础变化或滑移；⑥由于不当的负荷加载，使得原有的坡度失去自然平衡，从而导致边坡发生破坏，甚至出现滑坡现象；⑦由于护坡路基填料的选用不合理以及道路边界夯实度不足，使得边坡对季节变化极为敏感，如果坡面没有进行封闭处理，雨天边坡经雨水渗透，会在距离道路边缘1.0～2.5 m区域内出现纵向裂缝。为了防止高速公路边坡填方路基病害的发生，应从多个角度着手优化设计方案，包括强化填方体与道路的连接、改进排水系统、减小填方高度、增加填方体的安全性等［5］。
经过多年的研究和实践，采取的公路边坡填方工程主要优化措施包括：在天然土层上开挖平台，在表层进行换填，并铺上土工格栅，建立地上地下防渗排水盲沟；使用土工布预制块挡土墙，并且选择合适的填料，以确保边坡的稳定性和安全性。
2 公路边坡设计
2.1 设计过程
为了确保公路“平包竖”线形组合设计原则的实现，本研究以两条竖曲线道路设计为例，其中一条设置在平曲线上，另一条则采用合理的纵坡，并且精确控制土石方的填挖，最终确定两条竖曲线的设计高程。
2.2 变坡点设计
变坡点指的是路线纵断面上两相邻坡度线的相交点，具体如图1所示。
2.2.1 变坡点Ⅰ的计算。在K1+370桩号处，竖曲线为凸形，其高程为101.5 m，半径为5 500 m，i1為0.583 9%，i2为-2.247 2%。通过计算得到曲线变化率w的值为-2.831 1%，曲线长L为155.711 m，切线长T为77.855 m，外距E为0.551 m。起点桩号为K1+292.145，起点高程为101.05 m，终点桩号为K1+447.855，终点高程为99.75 m。以K1+300为例，由于该点位于竖曲线上，因此需要计算切线高程和设计高程。首先根据横距X和竖距Y计算出该点的切线坡度，然后利用起点高程、切线坡度和横距X计算出该点的切线高程，最后再加上竖曲线产生的高差即可得到该点的设计高程。经过计算，该点的切线高程为101.091 m，设计高程为100.086 m，具体见表1。
2.2.2 变坡点Ⅱ的计算。变坡点[Ⅱ]位于桩号K3+150，高程为61.5 m，半径为12 000 m，i2为-2.247 2%。通过计算得到曲率变化率w的值为2.974 37%，表示该竖曲线为凹形，曲线长L为356.916 m，切线长T为178.458 m，外距E为1.327 m。起点桩号为K2+971.542，高程为65.51 m；终点桩号为K3+328.458，高程为62.80 m。以桩号K3+000为例，其横距X为28.458 m，竖距Y为0.034 m。根据这些数据计算该点的切线坡度，并结合起点高程和横距X计算该点的切线高程。最后，将竖曲线产生的高差加上切线高程即可得到该点的设计高程。经过计算，该点的切线高程为64.871 m，设计高程为64.905 m。
3 边坡路基横断面布置数值模型
路基横断面布置设计曲线超高为2%～3%，并且要求曲线半径大于250 m，不设加宽。路基总宽度为24.5 m，其中行车道宽度为15.0 m，中间带宽度为3.0 m，其中包括中央分隔带宽度2.0 m和左侧路缘带宽度1.0 m，硬路肩宽度为5.0 m，土路肩宽度为1.5 m。此外，路面横坡为2%，硬路肩横坡为4%，土路肩横坡也为4%。
荷载条件选用压强和位移加载法，并通过降温加载法对混凝土结构施加预应力。在施加预应力过程中，需要对网格划分的各个节点进行降温，以模拟不同位置处的预应力损失。同时，在对整个结构施加压强时，根据等效荷载法对结构底面施加向上的分力。具体而言，对于该混凝土结构，采用一系列计算方法来优化结构设计，以保证其安全可靠。此外，结构所承受的荷载也会在设计过程中被充分考虑。公路边坡路基横断面示意如图2所示。
4 路面设计
4.1 设计资料
路面由二至三层构成，其中三层沥青面层厚度为16 cm，表层使用细粒式密等级配置水泥沥青水泥（厚4 cm），中央层使用中粒式密等级水泥沥青水泥（厚5 cm），下部则使用粗粒式密等级水泥沥青水泥（厚7 cm）。材料的抗压模量和劈裂强度见表2。需要注意的是，石灰土的厚度未给出。在设计中，需要综合考虑该路段的水文地质条件、交通量、车辆类型、道路等级规范要求等因素，确定最终路面结构方案，并保证路面质量和安全性。
4.2 确定设计指标
4.2.1 计算设计弯沉值。该高速公路采用面层系数为1.0的沥青混凝土作为路面材料，半刚性基层和底基层总厚度大于20 cm。弯沉值是指车辆荷载作用在路面上引起的路面下沉量，可根据公路等级系数计算设计弯沉值。在道路设计中，需要考虑弯沉值是否符合规范要求。具体计算方法因不同国家或地区规范而异，一般涉及路面结构层厚度、路面材料特性参数（如抗压模量、劈裂强度等）、荷载频率和强度等因素，具体为：[ld=600N-0.2eACASAB=600×8 202 643-0.2×1.0×1.0×1.0=24.85（0.01 mm）]。
4.2.2 计算各层材料的容许层底拉应力。具体见式（1）。
σR = σsp / Ks （1）
式中：σsp采用极限劈裂强度；Ks为抗拉强度结构系数。
细粒式密集配沥青混凝土：Ks = 0.09·Aa·Ne0.22 / Ac = 0.09 × 1.0 × 8 051 3030.22 / 1.0 = 2.98，σR = σsp/Ks = 1.4/2.98 = 0.470 5 MPa。中粒式密集配沥青混凝土：Ks = 0.09·Aa·Ne0.22 / Ac = 0.09 × 1.0 × 8 051 3030.22 / 1.0 = 2.98，σR = σsp/Ks = 1.0/2.98 = 0.336 1 MPa。粗粒式密集配沥青混凝土：Ks = 0.09·Aa·Ne0.22 / Ac = 0.09 × 1.1 × 8 051 3030.22 / 1.0 = 3.27，σR = σsp / Ks = 1.4/2.98 = 0.470 5 MPa。水泥稳定碎石：Ks = 0.35·Ne0.11/Ac = 0.35 × 8 051 3030.11 / 1.0 = 2.01，σR = σsp / Ks = 0.5 / 2.01 = 0.248 5 MPa。石灰土：Ks=0.45·Ne0.11/Ac=0.45[×]8 051 3030.11/1.0=2.59；σR = σsp / Ks = 0.225/2.579 = 0.087 0 MPa。
4.3 设计资料总结
相关设计资料的汇总见表3，设计弯沉值为24.85（0.01 mm）。
4.3.1 填方路基。当回填高程H≤8.0 m时，填土边坡坡率应采取1∶1.5以保证填土的高度稳定和安全。
4.3.2 挖方路基。经过对全线岩土类型、物理力学特性、水文要求、山势地貌、已建路基开挖坡度及其稳定性状态进行详细调查，本段隧道一般情况下采用1∶0.5～1∶1的比例，以确保安全性。挖方边坡的高度在8.0～10.0 m之间。如果上层山坡有较大的汇水范围，应在切坡口外至少5.0 m处设置拦洪沟，并利用急流槽或边沟将水导入排水沟或自然水沟。
4.3.3 斜（陡）坡路堤的加固。为了有效抑制陡坡路堤的地基不均匀沉降和横向滑动，采用以下方法：当地表横坡陡于1∶5时，应先在基础上清理遮挡层，而后在基岩上开凿反相阶梯，阶梯长度不宜低于2.0 m，以便填筑路堤。如果路堤处于陡坡上，且无法填筑，则应根据实际情况设置护脚或矮墙。当陡坡路堤坡脚处靠近农田时，应采取软基或过湿土的措施，必要时可采用反压护坡以确保安全。当水田地段的回填标高超过10 m时，如果地基下部软基不能完全去除，应在下部设计4～6层土工格栅；而当坡度超过15 m时，则应在路堤顶部敷设3～6层土工格栅，以确保路堤安全性。土工格栅的抗拉力必须达到50 kN/m，而且其伸长率不得低于3%。当发现路堤范围内有泉眼或地下水出现时，应立即采取措施，如建造碎石盲槽或渗沟，将水导出路堤。
4.3.4 高边坡稳定性验算示例。某挖方边坡里程桩号为K3+100，挖方高度为12.98 m。路基填土为砂土，挖方边坡土为黏性土。该黏性土的黏聚力为18.7 kPa，内摩擦角尚未给出明确数值，挖方边坡的设计比例为1∶0.5。在进行边坡设计时，需要考虑多种因素，如土体类型、地形地貌、气候水文等情况，以便选取合适的边坡类型和稳定措施。验算过程：由tan α=1∶0.5得，cot α=0.5，则α=26°57′。csc α=1/sin α=1/sin26°57′=2.21。而f = tan φ= tan35°=0.700 2，[α0=2cγh=2×18.718×12.98] =0.172。把f，csc α，α0带入式中，得Kmin =（2α0 + f ）cot α + 2[α0f+α0] csc α =1.31。因为Kmin >1.25，所以路基边坡稳定。
4.4 路堤边坡防护
当填方边坡高度H≤4.0 m时，应采取绿化防护措施；当填方边坡高度为4.0
5 结论
隨着地球气候变化的加剧，暴露在恶劣天气条件下的高速公路可能出现严重的滑坡和崩塌。为了确保未来的高速公路安全可靠，必须采取有效的措施来防御这些灾难。为此，应开展相关研究， 结合当前的气候条件，进行科学的分析与评估，确保道路的安全可靠，最大限度地减少损失，实现可持续的社会和经济效益。
参考文献：
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