市政道路高邊坡設計及穩定性評價

劉榮華,譚棟杰

(上海市政工程設計研究總院(集團)有些公司,上海 200092)

邊坡的失穩通常是由多種因素共同作用的結果,其一是外力的作用破壞了巖體或土體原來的應力平衡；其二是巖體或土體的抗剪強度受外界因素的影響而降低[1]?，F以重慶市渝北區中央公園西路北拓段邊坡設計工程為例,介紹高邊坡評價及支護設計。

根據渝建發[2010]166號[2]“關于進一步加強全市高切坡、深基坑和高填方項目勘察設計管理的意見”,高切坡、深基坑、高填方項目是指因建(構)筑物和市政工程開挖或填筑所形成的邊坡以及對工程正常使用或可能造成安全影響的邊坡項目,其高度或深度超過了以下范圍：

(一)高切坡：巖質邊坡高度≥15米,巖土混合邊坡高度≥12米且土層厚度≥4米,土質邊坡高度≥8米。

(二)深基坑：巖質基坑高度≥12米,巖土混合基坑高度≥8米且土層厚度≥4米,土質基坑高度≥5米。

(三)高填方：填方邊坡高度≥8米。

1 工程概況

中央公園西路北拓段(以下簡稱公園西路)起于現狀公園西路,止于悅港北路,設計車速為50km/h,道路等級為城市主干路,道路全長約為2.75km,道路標準路幅寬度為32m,雙向六車道。根據重慶市建委渝建發[2010]166號文件精神,中央公園西路北拓段K0+000～K0+240兩側、K1+500～K1+990兩側為路基高挖方路段,最高挖方邊坡約為40.04m。中央公園西路北拓段K2+000～K2+700右側為高填方路段,最高填方邊坡約為35.2m。

2 設計原則

(1)遵循“安全第一”的原則。項目片區建設日新月異,基礎設施建設齊頭并進,形成邊坡情況千差萬別,但所有邊坡支護項目都必須遵行“安全第一”的原則,確保“同步支護、不留后患”,支護后的邊坡安全、穩定,不造成次生災害。

(2)遵循“節約土地,造價合理”的原則。高邊坡支護本身需占用一定土地空間,在確保安全的前提下,提高土地利用率,使綜合造價趨于合理。

(3)遵循“因地制宜”的原則。邊坡支護和所在位置的地形、地貌、地質、氣候條件及土地使用要求密切相關,需考慮各種實際情況和影響因素,“因地制宜”的制定支護方案。

(4)遵循“與環境協調統一”的原則。為建設生態宜居園區,在滿足“安全”的前提下,盡量采用生態環保的整治方案,創造積極良好的生態環境。

(5)遵循“動態設計、信息法施工”的原則。邊坡工程作為專業技術要求高的專項工程,應特別遵循“動態設計、信息法施工”的原則,科學設計、精心施工,使治理工程最終效果最佳。

3 高邊坡地質評價及處治措施

3.1 挖方基段K0+000～K0+240兩側

該段為挖方路基段,覆蓋層為粉質粘土和素填土,厚0.00～2.30m,下伏基巖為泥巖和泥灰巖,及少量頁巖。道路按設計開挖后,左右兩側形成挖方邊坡,主要由泥巖、砂巖和少量粉質粘土組成。

左側按設計巖質坡率1∶0.75,土質坡率1∶1.50分階開挖后,最大挖方高度為26.28m,部土層為粉質粘土,厚度最大為2.10m,巖土組成為泥灰巖和少量粉質粘土,邊坡安全等級為一級,邊坡巖體類別為III類；右側按設計巖質坡率1∶0.75,土質1∶1.00分階開挖后,最大挖方高度為35.42m,上部土層為粉質粘土,厚度最大為2.30m,巖土組成為泥灰巖和少量粉質粘土,邊坡安全等級為一級,邊坡巖體類別為III類。

由地勘報告中的赤平投影分析圖可知道路左側邊坡傾向為78°,為反向坡,裂隙2為主控外傾結構面,傾角85°,按設計坡率值放坡后邊坡坡度小于裂隙傾角,邊坡穩定性主要受巖體強度控制,破壞模式主要為風化剝落和局部崩塌掉塊。邊坡破裂角取61°,等效內摩擦角泥灰巖取55°。

右側巖質邊坡為順向坡,層面裂隙為主控外傾結構面,邊坡可能沿巖層層面產生剪切滑動破壞,裂隙1和巖層層面組合交線傾向坡外,傾向249°,傾角約11°,邊坡可能沿裂隙組合交線形成楔形體破壞,按設計坡率值1∶0.75分階放坡后邊坡坡度為53°,大于巖層傾角12°。巖層傾角較小,定性評價該邊坡按設計坡率開挖后處于穩定狀態,由于邊坡有豎向裂隙2存在,若在施工擾動下貫通后,易使邊坡面附近巖體采生小規模滑動。

以3-3'剖面為例對邊坡穩定性進一步驗算,驗算公式采用《建筑邊坡工程技術規范》(GB50332-2013)附錄A中A.0.2公式。巖層層面為潛在滑面,傾角為12°,天然狀態下層面為硬性結構面,抗剪參數c取90kPa,φ取27°；受后緣裂隙充水飽和后,層面按軟弱結構面考慮,飽和抗剪參數c取35kPa,φ取15°,泥灰巖飽和重度取26.2kN/m3。考慮后緣沿裂隙2充水高度8m。

3-3′剖面穩定性驗算簡圖

巖體體積(m3)面積(m2)重度(kN/m3)荷載(KN)結構面傾角(°)粘聚力(kPa)內摩擦角(°)下滑力(kN/m)抗滑力(kN/m)穩定系數462.4334.9326.2001235152832.003637.711.41

驗算結果表明：按照設計意圖開挖后,穩定性系數Fs=1.41>1.35,表明該邊坡滑面飽和工況下處于穩定狀態。

建議邊坡按設計坡率值放坡后,加強邊坡截排水系統,防止地表水下滲形成后緣裂隙充水的情況。建議按設計坡率值放坡后,對巖質邊坡采用防風化處理,土質邊坡采用格構護坡,并進行綠化。

3.2 挖方路基段K1+500～K1+990m兩側

該段為挖方路基段,覆蓋層為粉質粘土和素填土,厚0.60～6.30m,下伏基巖為泥巖和砂巖。道路按設計開挖后,左右兩側形成挖方邊坡,主要由泥巖、砂巖和少量粉質粘土組成。

左側按設計巖質坡率1∶0.75,土質坡率1∶1.00分階開挖后,最大挖方高度為15.90m,上部土層為粉質粘土和素填土,厚度最大為7.10m,為巖土混合邊坡,邊坡安全等級為一級,邊坡巖體類別為III類；右側按設計巖質坡率1∶0.75,土質1∶1.00分階開挖后,最大挖方高度為26.30m,上部土層為素填土,厚度最大為2.30m,巖土組成為泥灰巖和少量素填土,邊坡安全等級為一級,邊坡巖體類別為III類。

左側邊坡上部土層巖土界面平緩,邊坡開挖主要破壞模式為土體內部的圓弧滑動破壞；由下部巖質邊坡赤平投影分析圖可知道路左側邊坡傾向為78°,為反向坡,裂隙2為主控外傾結構面,傾角85°,按設計坡率值放坡后邊坡坡度小于裂隙傾角,邊坡穩定性主要受巖體強度控制,破壞模式主要為風化剝落和局部崩塌掉塊。邊坡破裂角取61°,等效內摩擦角泥灰巖取55°。

右側巖質邊坡為順向坡,層面裂隙為主控外傾結構面,邊坡可能沿巖層層面產生剪切滑動破壞,按設計坡率值1∶0.75分階放坡后邊坡坡度為53°,大于巖層傾角12°。巖層傾角較小,定性評價該邊坡按設計坡率開挖后處于穩定狀態,由于邊坡有豎向裂隙2存在,若在施工擾動下貫通后,易使邊坡面附近巖體采生小規?；瑒?。建議邊坡按設計坡率值放坡后,加強邊坡截排水系統,防止地表水下滲形成后緣裂隙充水的情況。

建議按設計坡率值放坡后,對巖質邊坡采用防風化處理,土質邊坡采用格構護坡,并進行綠化。

3.3 填方路基段K2+000～K2+700m右側

該段為填方路基段,覆蓋層為粉質粘土和素填土,厚0.30～8.80m,下伏基巖為泥巖、頁巖和砂巖。按設計坡率值放坡后,最大填方邊坡高度為35.72m,主要由素填土組成,邊坡安全等級為一級。路基橫向地形平緩,傾角一般小于10°,局部達15°,且原地表開挖成向內傾斜2～4%的反向臺階,臺階寬度不得小于2m,當地表坡度陡于1∶2.5且路堤邊坡高度大于8m時,為避免路基不均勻沉降過大造成路面拉裂破壞,除要求開挖臺階外,還應在路面底面以下鋪設2～3層土工格柵。當為半填半挖路基時,格柵應伸入挖方段不小于4m。邊坡不會形成整體滑移,按設計坡率值1∶1.50放坡后,邊坡整體穩定,邊坡的主要破壞為水土流失和雨水沖刷形成沖溝。

地表經上述處理后,填方邊坡整體穩定,填方區存在魚塘的,則應在放干魚塘水后對軟土地基進行換填處理。建議按設計坡率值放坡后,土質邊坡采用格構護坡,并進行綠化。

4 結語

由于邊坡巖土介質的復雜性、可變性和不確定性,地質勘察參數難以準確確定,加之設計理論和設計方法帶有經驗型和類比性,因此邊坡工程的設計往往難以一次定性,需要根據施工中反饋的信息和監控資料不斷進行校核、補充和完善設計。這是目前邊坡工程處治設計中較為科學的動態設計方法,這種設計法要求提出特殊的施工方案和監控方案,以保證在施工過程中能獲取對原設計進行校核、補充和完善的有效資料和數據。