公路陡坡路基的防護設計應用實例

楊昌銳

（貴州智恒工程勘察設計咨詢有限公司，貴州 貴陽550000）

0 引言

隨著我國國民經濟的迅猛發展，我國公路建設又迎來了新一輪的建設高潮。在此背景下，設計單位應科學合理地把握各種設計方案，提高設計質量。路基防護方案的合理選擇就是其中一項重要的內容。本文通過一個路基防護工程設計的實例，探討和分析了公路路基防護設計的靈活性及合理性要求。

1 工程概況

貞豐至安龍公路改擴建工程是連接貴州省貞豐與安龍兩縣的交通要道，公路等級為二級，設計速度40 km/h，路基寬度8.50 m，瀝青混凝土路面；該項目于2007年6月動工，2009年8月交工驗收。

K15+160～K15+300為一段傍山半填半挖路基，原設計左側擋墻高3～12 m，路基下方為施工棄土場。在施工過程中，受2008年7月汛期強降雨影響，左側下方棄土場飽水后下滑，形成滑面為殘坡積碎石土與基巖接觸面，滑床為強風化基巖，滑面深度4～14 m的小規模滑坡。因滑坡體位于路基下方，對路基的影響主要為滑體下滑后牽引上方殘坡積碎石土及表面部分強風化基巖滑動，導致路基原設計擋墻位置基巖面變得非常陡峻，部分路段路基外邊緣至基巖面的高差已超過24 m，且地基穩定性差，原設計方案已無法實施，必須通過變更設計尋求其他的防護支擋加固方案。

2 地質勘察

項目屬中亞熱帶，年平均降水量1 376.9 mm，集中于下半年，對公路建設存在水毀方面的隱患。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306-2001）及《地震動峰值加速度分區與地震基本烈度對照表》，查得該區地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，地震烈度為Ⅵ度，屬基本穩定型。

根據地表調查及鉆探揭露，現將滑坡體地層情況由上至下分述如下：

（1）覆蓋層為人工棄土（Qme）層，雜色，結構松散，成分為粘土夾碎石，主要分布于路基左側，厚2.0～15.0 m。

（2）基巖為下伏基巖，為三迭系中統邊陽組（T2b）泥質砂巖，巖層傾向、傾角為84°∠21°，為路線邊坡呈切向。根據巖性、風化程度將巖層劃分為強風化層、中風化層。強風化層：灰褐色，碎裂狀，節理很發育，巖體很破碎，厚度2.0～3.0 m，巖質較軟，穩定性相對較差，地基承載力基本容許值[fao]=600～800 kPa；中風化層：灰褐色，中厚層及厚層狀，層理、節理發育，巖體較破碎，巖質堅硬，巖體相對完整穩定，[fao]=1 500 kPa。K15+200工程地質斷面見圖1。

經鉆探及試驗，得到地層的巖體物理力學指標設計值，如表1所示。

3 防護方案選擇

從現場地形及橫斷面測量結果來看，如仍采用路肩圬工擋墻，即使采用外坡接近直立的衡重式，基礎嵌入中風化基巖、滿足《公路路基設計規范》（JTG D30-2004）規定的1.0～2.0 m基礎襟邊寬度時，則擋墻及基礎的總高度也將接近30.0 m。如此高的路肩擋墻，首先對地基承載力等條件要求極高；其次，由于是改擴建工程，基坑開挖無法滿足保暢要求，安全隱患較大；其三，從經濟性、施工安全、施工質量風險控制等方面來說，采用如此高度的擋土墻都不可取，其缺點在構造上和措施上都無法克服。

表1 巖體物理力學指標設計值

除此之外，可供選擇的支擋結構物還有樁板墻（抗滑樁+擋土板）。從橫斷面設計結果來看，樁的懸臂端最大長度（從基巖面起算）也達到了25.0 m。按照常規經驗，嵌入端與自由端各占1/2計算，需要的樁長約為50.0 m。這種設計的結果一方面是抗滑樁過長，經濟性不好；其次抗滑樁最優的斷面為矩形截面，只能采用人工挖孔，而挖孔過深時施工安全風險較大；其三，由于懸臂端過長，在恒載（土壓力或滑坡推力）及活載（車輛動荷載）作用下，樁頂將會發生較大的水平撓曲位移。經過反復討論及研究，對于樁頂的撓曲水平位移可通過構造措施來克服，即采用橫向預應力錨索對樁頂水平變位加以限制；同時嵌入端按照嵌巖深度進入中風化層6～10 m考慮，使最大樁長縮減為35.0 m，經濟性也得到了較大提高，施工安全風險大為減小。

經綜合分析比較，最終確定路基外邊緣至基巖面高差較大的路段采用樁板墻＋預應力錨索的支擋加固方案，而擋墻高度能夠控制在10 m以下的路段仍然采用路肩擋土墻予以支擋加固。

4 結構計算

抗滑樁設計及計算按圖2所示流程進行。

根據本項目實際情況，抗滑樁位置由橫斷面設計確定，需要考慮正常的路基寬度、路基超高加寬、路基外側鋼筋混凝土護欄所需寬度、抗滑樁本身尺寸等因素。

第n個條塊的剩余下滑力En按式（1）[1]計算：

式中：En為第n個條塊的剩余下滑力，kN/m；K為安全系數，本項目取K=1.2；Tn為第n個條塊自重Gn的切線下滑力，kN/m，Tn=Gn·sin αn；Nn為第 n 個條塊自重 Gn的法向分力，kN/m，Nn=Gn·cos αn；αn為第n個條塊所在折線段滑面的傾角，（°）；φn為第n個條塊滑面上的內摩擦角，（°）；Cn為第n個條塊滑面上的單位粘聚力，kN/m；Ln為第n個條塊分段的長度，m；En-1為第n-1個條塊傳遞下來的剩余下滑力，kN/m；αn-1為第n-1個條塊所在折線段滑面的傾角，（°）。

根據滑體規模及剩余下滑力大小，初步擬定抗滑樁斷面尺寸為1.8 m×2.5 m，樁中心間距5 m，共9根，長度為28～35 m，采用現澆C30鋼筋混凝土，抗滑樁嵌入穩定中風化基巖深度6～10 m；由于懸臂較長，由樁頂往下每隔5 m設置1道錨索。其余路段仍維持采用路肩擋墻支擋加固，路肩擋墻基礎嵌入穩定巖層1.0 m，基礎襟邊寬度按照2.0 m控制。

從地質斷面圖及橫斷面設計來看，取最大樁長35 m進行計算，懸臂段長度24.0 m，嵌固端長度11.0 m。

作用于抗滑樁的外力有剩余下滑力、樁前土體抗力和錨固段地層的抗力。樁前抗力可按照樁前被動土壓力確定；抗滑樁上剩余下滑力可采用矩形分布或梯形分布，當滑體為極松散的土體時可采用三角形分布，結合本項目實際情況，采用梯形分布進行計算；滑動面以上的樁身內力根據剩余下滑力和樁前抗力計算；滑動面以下的樁身內力和變位根據滑面處的彎矩及剪力，采用地基系數法進行計算，由于抗滑樁已嵌入穩定、堅硬的中風化基巖，地基系數基本為定值，故應采用K法進行計算。抗滑樁的混凝土結構應按照《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2002）進行計算，其結構重要性系數1.0，永久荷載的分項系數為1.35[2]。

圖2 抗滑樁設計流程

抗滑樁內力計算及位移計算中，應考慮自然工況及暴雨工況兩種狀態，取最不利的狀態控制截面配筋設計；地震為偶然事件，且該地區地震烈度為Ⅵ度，地震動峰值加速度系數小于或等于0.05g，根據《公路工程技術標準》（JTG B01-2003）規定，結構物采取簡易設防，可不作計算。

經計算，應采用最不利的暴雨工況，以C、φ值受暴雨影響而減小的條件來控制內力計算及配筋設計。

5 防護方案布置及施工要點

根據橫斷面設計需要及計算結果，防護工程方案布置如圖3～5所示。

抗滑樁施工過程中，必須確保開挖的穩定、安全，除設置必要的鋼筋混凝土護壁外，應采取隔二挖一的跳槽方式開挖，交替施工抗滑樁樁體。

樁背回填及預應力錨索的張拉是樁板墻施工的重點、要點及難點。抗滑樁樁身達到設計強度后方可回填；為了保證樁背回填的壓實度，三角區頂面寬度小于3.0 m以下無法采用機械壓實的部分，應采用C15片石混凝土回填，寬度大于3.0 m以上可采用小型壓路機分薄層靜壓，必須達到規定的壓實度，避免錨索張拉時因土體變形使樁體承受反彎矩。回填至錨頭水平面以上2.0 m高度(且片石混凝土強度達80%以上）時，方可張拉錨索，拉力可按設計值的80%張拉,回填至路基頂面后再按設計值補充張拉錨索。

圖3 K15+200抗滑樁橫斷面布置圖（單位:cm）

圖4 防護工程立面布置圖（單位:cm）

6 實施效果

本段變更設計于2008年11月實施完成，本項目于2009年8月交工驗收。方案經過8年多的運營驗證，實施效果較好，經過多次汛期及暴雨考驗，未出現任何病害及較大的變形，路基安全、穩定，達到了預期的防護效果。

圖5 K15+240擋土墻橫斷面布置圖（單位:cm）

7 結語

公路工程的防護設計應根據工場地形、地質、水文等條件，結合施工條件，提出合理有效的防護措施。同時，路基防護方案的結構形式應視實際情況采取靈活多變的構造形式。

[1]交通部第二公路勘察設計院.公路設計手冊-路基[M].2版.北京：人民交通出版社,1996.

[2]JTG D30-2004，公路路基設計規范[S].