某山區(qū)城市道路路塹高邊坡加固方案研究

李 晨

（中恒工程設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

山區(qū)城市人多地少，土地資源極其寶貴，因此，在城市發(fā)展的過程中，為了增加土地供應(yīng)，不可避免地會出現(xiàn)“向山丘要土地”的舉措，其市政道路也隨之出現(xiàn)了一批深挖方、高填方等在平原城市中罕見的情況。雖然隨著設(shè)計(jì)理論和技術(shù)設(shè)備的不斷進(jìn)步，設(shè)計(jì)工作計(jì)算過程簡化、速率加快、計(jì)算精度大大提高，但在實(shí)際施工驗(yàn)證中還是出現(xiàn)了一些問題，往往引起設(shè)計(jì)方案變更，資金投入加大，甚至導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)滑移、垮塌等情況，給業(yè)主的管理、施工的進(jìn)度和工程的安全帶來了一定的隱患。其中的原因雖然是多方面的，但設(shè)計(jì)方案科學(xué)與否、勘察工作是否嚴(yán)謹(jǐn)也是造成以上問題的重要原因，有必要對其進(jìn)行深入研究。

1 工程概況和地質(zhì)結(jié)構(gòu)

1.1 工程概況

本道路總體成東西走向，全長約1 km，紅線寬度30 m，道路等級為主干路，設(shè)計(jì)時(shí)速40 km/h，交通等級為重交通。

該市政道路挖方邊坡屬巖質(zhì)邊坡，最高大于30 m，為高邊坡。原設(shè)計(jì)采用分級放坡形式處理，每8 m一級，坡率從底部往上依次為1:0.75、1:1、……1:1，每級之間設(shè)置2 m寬平臺。具體見圖1。

1.2 邊坡滑移情況簡介

施工期間，在道路K0+620右側(cè)坡頂部位，出現(xiàn)了長度約5.00 m，高度約3.00 m，體量大約14 m3的滑塌體；在K0+770右側(cè)標(biāo)高565.24 m第一階平臺部位，出現(xiàn)了長約9.00 m，高約3.00 m，體量約50 m3的滑塌體；另在發(fā)生滑塌的坡面部位有長度、寬度不等的裂隙分布，存在繼續(xù)產(chǎn)生滑塌的可能，見圖2、圖3。

1.3 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

本項(xiàng)目所在地構(gòu)造帶產(chǎn)生于侏羅系、白堊系地層中，表現(xiàn)為舒緩寬展的褶皺，斷裂極少，呈現(xiàn)由北東逐漸向東面偏轉(zhuǎn)的弧形褶皺，總的趨勢為北東東向。

由于該邊坡地理位置相對較高，整體南西高北東低，屬淺丘斜坡地貌。暴雨時(shí)，局部雨水匯集，在坡頂局部地段有沖刷現(xiàn)象，對坡頂巖土體的穩(wěn)定有一定的影響。

1.4 邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征和物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

場地地層由上至下依次是粉質(zhì)粘土、泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖。具體構(gòu)特征如下：

粉質(zhì)粘土①（Q4dl）：主要在場地內(nèi)的坡頂及坡腳前沿斜坡地段分布。褐黃色，濕，可塑。干強(qiáng)度較高，韌性較好。層厚1.00～2.70 m。該層物理力學(xué)性質(zhì)一般，是中壓縮性土，有一定承載力，分布較穩(wěn)定。

泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖②：呈紫紅色，為泥質(zhì)、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄～中厚層狀構(gòu)造，強(qiáng)風(fēng)化帶以下層理清晰，產(chǎn)狀185°∠5°。根據(jù)風(fēng)化程度，可將其劃分為強(qiáng)風(fēng)化層②1和中風(fēng)化層②2。

圖1 一般路基設(shè)計(jì)圖

圖2 滑移位置

圖3 邊坡橫斷面圖

原道路詳勘提供的各巖土物理力學(xué)指標(biāo)值見表1。

表1 巖土主要物理力學(xué)指標(biāo)值

2 邊坡滑移現(xiàn)象及穩(wěn)定性分析

2.1 采用圓弧滑動法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析試算

圓弧滑動法是道路邊坡最常用的穩(wěn)定性分析方法。在詳勘階段，勘察單位只提供了巖土體自身的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，此參數(shù)也只能應(yīng)用于圓弧滑動法，因此先用圓弧滑動法進(jìn)行試算，見圖4。

圖4 圓弧滑動法穩(wěn)定性分析原理圖

采用圓弧滑動法計(jì)算，抗滑力矩MR和滑動力矩MS之比，即為該巖坡的穩(wěn)定安全系數(shù)FS：

采用簡化Bishop法，使用理正巖土計(jì)算程序?qū)吰逻M(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)證計(jì)算。選取邊坡最高的30.5 m處，具體巖土層參數(shù)選取表1中的數(shù)據(jù)。

根據(jù)計(jì)算，本邊坡在一般工況下的滑動安全系數(shù)為6.939，地震工況下安全系數(shù)為6.631。根據(jù)規(guī)范[1]，該道路為主干路，其穩(wěn)定安全系數(shù)正常工況取1.30，地震工況取1.10。按此方法計(jì)算，本邊坡穩(wěn)定性系數(shù)滿足規(guī)范，是穩(wěn)定的。

2.2 圓弧滑動法存在的問題

鑒于邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的實(shí)際情況，可看出圓弧滑動法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況不同。具體原因分析如下：

（1）計(jì)算模型選擇。由于絕大多數(shù)城市道路工程所在區(qū)域均位于相對平坦的地形區(qū)，填挖方量相對不大，邊坡高度較低，且絕大部分都為土質(zhì)邊坡，用圓弧滑動模型進(jìn)行分析計(jì)算是合理的。而這往往導(dǎo)致缺乏經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員產(chǎn)生慣性思維，將其應(yīng)用至所有項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算中。而從滑塌現(xiàn)場可以看出，滑塌體均位于巖質(zhì)邊坡，滑動面基本呈直線或折線，因此對整個邊坡簡單地采用圓弧滑動法進(jìn)行計(jì)算是不合理的。

（2）計(jì)算參數(shù)選取。選用圓弧滑動法進(jìn)行分析時(shí)，其抗滑力的主要來源是巖土體自身的抗剪強(qiáng)度（粘聚力、內(nèi)摩擦角）。本項(xiàng)目巖體自身的抗剪強(qiáng)度較強(qiáng)，使得安全系數(shù)偏大。而根據(jù)實(shí)際情況可看出，邊坡垮塌滑動面和潛在裂隙均位于巖石結(jié)構(gòu)面，因此對此部位作穩(wěn)定性分析計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)選用巖層結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度值，方能得到符合實(shí)際的結(jié)果。

2.3 邊坡穩(wěn)定性重新計(jì)算

2.3.1 穩(wěn)定性分析方法及計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)上文分析，結(jié)合地質(zhì)情況，可首先對邊坡采用赤平極射投影法作定性分析，再使用平面滑動解析法進(jìn)行定量計(jì)算[2]。為此，應(yīng)要求勘察單位進(jìn)行補(bǔ)充勘察，提供赤平投影圖和巖石結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度相關(guān)參數(shù)。

根據(jù)補(bǔ)充勘察報(bào)告的結(jié)果，本邊坡穩(wěn)定性分析的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 補(bǔ)充勘察巖土主要物理力學(xué)指標(biāo)值

2.3.2 赤平投影圖分析

根據(jù)該調(diào)查點(diǎn)的赤平極射投影圖（見圖5）解析：該邊坡坡面產(chǎn)狀193°∠46°，巖層層理面產(chǎn)狀175°∠5°，為順向坡，巖體呈薄層～厚層狀構(gòu)造；節(jié)理面④、⑤、⑥、⑦傾角較大，接近豎直，裂面較平直，無充填，張開0.1～0.3 cm，裂隙間距15～50 cm，屬硬性結(jié)構(gòu)面，結(jié)合差，可見發(fā)育長度3～5 m。右側(cè)邊坡層理、節(jié)理的交點(diǎn)位于邊坡線同側(cè)，節(jié)理與層理之間的交點(diǎn)均位于邊坡弧線外側(cè)，即節(jié)理裂隙與層理的組合交線傾角較邊坡面傾角緩，極易沿組合線滑動，屬于不穩(wěn)定邊坡。

圖5 赤平極射投影圖

2.3.3 定量計(jì)算

邊坡平面滑動穩(wěn)定性分析（極限平衡法），計(jì)算簡圖見圖6。基本參數(shù)見表3。

圖6 計(jì)算簡圖（單位：mm）

表3 基本參數(shù)選取表

根據(jù)計(jì)算，本邊坡在一般工況下的滑動安全系數(shù)為1.214，地震工況下安全系數(shù)為1.027。根據(jù)規(guī)范，邊坡不滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)，是欠穩(wěn)定的。

3 邊坡加固方案分析與比選

3.1 方案一——坡率法

擬將邊坡四級邊坡坡率放緩為 1∶1、1∶1.25、1∶1.25、1∶1.5。采用平面滑動法，考慮正常工況和地震工況兩種工況，選取邊坡最高、最不利的位置進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算。根據(jù)計(jì)算，一般工況下的滑動安全系數(shù)為1.336，地震工況下安全系數(shù)為1.110。

由此可見，坡率調(diào)整后，在天然工況和地震工況下均滿足相關(guān)安全系數(shù)要求[1]。因此，采用坡率法可使穩(wěn)定性系數(shù)滿足規(guī)范，技術(shù)上是可行的。

3.2 方案二——抗滑樁

抗滑樁具備施工安全性高，土石方開挖少，對滑體變形及穩(wěn)定性影響小，在施工過程中可同步驗(yàn)證地勘資料，發(fā)現(xiàn)隱患可以及時(shí)處理等優(yōu)勢。根據(jù)本項(xiàng)目邊坡地質(zhì)情況，可作為比選方案之一。

根據(jù)計(jì)算，本方案可如下設(shè)置：

墻身尺寸：樁總長:16.000 m；嵌入深度：8.000 m；截面形狀：方樁樁寬：1.500 m；樁高：2.000 m；樁間距：3.000 m。

具體設(shè)計(jì)簡圖見圖7。

圖7 抗滑樁方案設(shè)計(jì)簡圖

根據(jù)計(jì)算，抗滑樁方案的各項(xiàng)安全系數(shù)和指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范，技術(shù)上可行。

3.3 方案三——錨桿框格支護(hù)

本方案是在清除滑坡體后采取錨桿+坡面格構(gòu)進(jìn)行邊坡治理。具體可如下設(shè)置：

水平間距：3 m；豎向間距：3 m；錨桿長度：5～18 m；格構(gòu)截面尺寸：0.3 m×0.3 m。具體設(shè)計(jì)簡圖見圖8。

圖8 錨桿框格方案設(shè)計(jì)簡圖（單位：mm）

根據(jù)計(jì)算，錨桿框格設(shè)計(jì)方案的各項(xiàng)安全系數(shù)和指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范要求，技術(shù)上是可行的。

3.4 方案比選

根據(jù)計(jì)算，以上三種方案在技術(shù)上都可以提高邊坡穩(wěn)定性，但應(yīng)結(jié)合城市道路特點(diǎn)進(jìn)行綜合比選，見表4。

表4 方案比選表

作為城市道路工程邊坡治理方案，在選取時(shí)應(yīng)當(dāng)著重遵循契合上位規(guī)劃、減少征地拆遷、提升城市景觀、減少環(huán)境破壞等原則。根據(jù)這些原則以及表4的對比可以看出：

（1）坡率法雖然施工簡便、造價(jià)最低，但突破用地紅線，侵占大量非道路用地，與規(guī)劃沖突，其對植被的破壞和棄土堆填導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境破壞，因此不具有可行性。

（2）抗滑樁技術(shù)上可行，但投資巨大，竣工后景觀效果較差，不適用于本次城市道路工程，因此也不具備可行性。

（3）錨桿框格方案造價(jià)適中，不侵占額外用地，新增土方量最小，且框格間采用植物防護(hù)后，景觀效果可以接受。

綜合以上論證分析，采納方案三作為推薦方案。

3.5 驗(yàn)證計(jì)算與實(shí)施效果

采用錨桿框格結(jié)合綜合支擋加固措施后，用理正軟件進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，得出一般工況安全系數(shù)為1.387，地震工況安全系數(shù)為1.196，加固治理后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)滿足規(guī)范[1]。目前，工程已按設(shè)計(jì)方案完成主體施工，邊坡狀況良好，坡體穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）邊坡穩(wěn)定性分析應(yīng)當(dāng)選取正確的計(jì)算方法和巖土力學(xué)參數(shù)。對于巖質(zhì)邊坡，應(yīng)當(dāng)采用平面或折線滑動法進(jìn)行計(jì)算，并選取巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

（2）對于城市道路邊坡支擋防護(hù)工程，在方案比選時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮規(guī)劃契合度、土地占用、城市景觀效果以及環(huán)境影響等多方面因素，不能僅僅依據(jù)技術(shù)因素和投資造價(jià)進(jìn)行判斷。

（3）邊坡治理應(yīng)當(dāng)遵循綜合治理的思路和措施，通盤考慮支擋結(jié)構(gòu)、邊坡排水、坡面防護(hù)等內(nèi)容。