公路路塹土質高邊坡的破壞模式與處治措施分析

樊云龍，董元帥，侯 蕓 ，張 濤

（1.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089；2.中咨公路養護檢測技術有限公司，北京 100089；3.中南林業科技大學 土木工程學院，湖南 長沙 410000）

交通基礎設施的逐步完善是引導我國西部經濟大發展的重要先行基礎，因此，為加快國家重大戰略政策的實施，高速公路作為陸路交通大動脈正不斷向云南等偏遠地區延伸。然而，西南地區具有山嶺深谷分布廣泛的地形特點，道路修筑多采用路塹挖方、橋梁和隧道等形式，同時沿線地表生態環境脆弱，處治不當易誘發較嚴重的地質災變和安全隱患[1]。尤其是部分路塹位于高陡邊坡一側，在強降雨和地震作用下，邊坡土體結構時有崩塌或滑移，威脅著高速公路行車和周邊居民的人身財產安全[2]。

目前，國內許多道路與巖土領域專家針對土質高邊坡的穩定性問題開展了現場和試驗研究[3]：陳洪江等[4]分析了考慮降雨條件下臨離高速黃土邊坡的穩定性，得出土的滲透性和降雨強度等對邊坡的安全系數具有重要影響。李雨倩等[5]利用動三軸測定黃土的動力特征，并建立了地震荷載下的邊坡有限元計算模型，發現水平推力對邊坡破壞的作用較大。方薇等[6]利用FLAC 3D軟件分析了不同材料和加固方式對土質高邊坡的失穩變形影響。以上分析案例都是將力學計算與實例進行對比，就邊坡安全的個別影響因素和部分成熟的加固經驗進行探討，沒有較完整的歸納出土質邊坡的主要破壞形式和處治措施。

文章通過調研云南省東北部某高速公路部分路塹路段，結合現場和已有研究成果，對典型路塹土質高邊坡的不同類型破壞形式進行了總結，并就沿線的病害情況提出了相應的處治措施，為工程人員提供具體的建議和參考。

1 典型路塹邊坡穩定性的影響因素

1.1 公路沿線地質環境

西南某高速公路作為國家高速公路網中的一條重要組成干道，地形起伏，橋隧比高，地處滇黔交界，與貴州某高速段相接，終于滇川界，是銜接云南、四川和貴州三省的交通要道。調研路段地處云貴高原向四川西南部山脈過渡，沿線地形多為山地，路網破碎，并途經金沙江呈西高東低走勢，侵蝕顯著，地貌形態主要為構造溶蝕高山峽谷地貌和構造侵蝕低-中山地貌。全區域巖性分布明顯，主要區域為震旦系—二疊系灰巖和白云巖等堅硬巖石出露，地形特征以陡峻山丘、深切河谷為主，山脈河谷復雜交錯、起伏劇烈，構造發育；魯甸盆地邊緣沿斜軸部發育，多為二疊系的玄武巖，大部山包平緩開闊，上覆棕紅、紅黏土，溝溪發育。

圖1 地震動峰值簡圖

調研路段需穿過龍頭山高烈度頻震區（見圖1），位于“魯甸8.03”震中附近，且根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015），全區域地震烈度為VII，震動峰值加速度為0.15g，動反應圖譜特征周期為0.45s，斷裂構造、區域穩定性較差。因此，全路段設計應按照規定進行地震設防。

1.2 典型的穩定性影響因素

項目組對合同段附近的邊坡進行調查，發現在路塹位置存在3～4個不穩定的人工開挖斜坡。其地貌特征為基巖或表層土裸露，易受風化。坡體主要由黏土和碎石塊組成，下伏基巖多見泥質白云巖，在強降雨的沖刷作用下，局部坡面會出現剪切破壞，表現為滑坡和崩塌。對調查路段邊坡周圍的環境和典型影響因素歸納如下。

（1）環境和地表情況。自然環境是直接造成邊坡垮塌的外部因素，其中降雨條件是占比最大也最常見的因素。在局部強降雨條件下，引起坡體內非飽和土的濕度和地下水位大幅度上升，動靜水壓力作用隨之發生改變，土體的抗剪強度也顯著下降。與此同時，若地表植被覆蓋較少，就易受地表徑流影響，從而沖刷造成表層土的大量流失，并產生裂隙，或在坡表形成“V”形的溝壑，坡面幾何形狀發生變化，整體穩定性逐漸降低，十分不利于邊坡的安全。除強降雨和植被覆蓋少的不利條件外，邊坡的影響因素還包括凍融作用、風化作用等一系列自然氣候條件。調查區內屬于顯著的高原性氣候，干雨季區分、季節性溫差較大，年平均濕度在80%左右，年平均降雨量受高程影響，降雨量在720～1058mm，穩定性分析時需要考慮地形陡峻山區可能的暴雨不利條件。

（2）地層構造和土質。通過野外調查和地質資料，項目組發現公路沿線斷裂構造活動強烈，局部地區兩側山體呈現高陡的高山峽谷地貌，不良地質作用較發育，易發生落石和泥石流等地質災害。同時，由于路塹部位需開挖坡體，受不同地層影響，其土質不盡相同。例如，調研某路段，邊坡表面為碎屑土或紅黏土、下伏基巖為砂巖夾泥等脆弱軟巖，透水性較好，一旦含水層遇水飽和，極易促成邊坡滑移、失穩破壞。

（3）荷載和地震作用。土質邊坡易受外部荷載作用而發生應力重分布，打破原有的平衡狀態，特別在地震的作用下，造成土體內部擾動、黏結力和抗剪強度下降，同時地震加速度下邊坡慣性力增大，導致脆弱坡體整體向下滑移，安全折減系數降低，進而引發邊坡臨空向失穩。外力作用還需注意在施工工程中進行的坡頂堆載、爆破振動和機械振動等人為因素，其可能會給原本破碎的邊坡環境帶來不可預料的次生災害。

2 土質高邊坡破壞模式與分析方法

土質邊坡的破壞過程可以分為變形和破壞兩個階段。在上述因素的影響下，邊坡土體發生變形，以達到應力平衡的要求，但是當變形達到一定程度時，其變形仍無法使得邊坡土體內力達到平衡狀態，這就導致在坡度最弱的部分會產生穿透性的斷裂面，從而引起坡體發生位移過程，即邊坡失穩。因此，合理設計和加固土質邊坡是保證邊坡穩定的重要途徑。下面就調研區域主要的三種邊坡破壞形式（見圖2）及其形成機理法進行分析。

2.1 崩塌的作用機制

崩塌破壞是指邊坡土體從上到下的塌落現象，也是最常見的一種邊坡破壞模式。通常情況下，斜坡頂部的土體受外部因素及其自身土壤性質的影響，其土體會由于張拉力作用在坡體中產生裂縫并沿新的面塌陷，而沒有固定的滑動面。這種破壞通常發生在坡度較大的黃土斜坡和紅黏土斜坡上，破壞迅速。在降雨的作用下，崩塌土體迅速離開坡體，雖然破壞的作用點多，但規模一般較小，土體滑動距離較短，破壞程度不大。

圖2 三種邊坡破壞模式的典型斷面

2.2 滑坡的作用機制

滑坡破壞是指斜坡土體在重力作用下沿著最薄弱的面整體滑落現象。滑坡破壞具有典型的斷面形式，其軟弱滑面已從坡頂延伸到坡腳，形式可以由滑體、滑帶和滑床三個部分組成。其成因主要取決于環境因素的影響，經歷時間較長。不同類型的土體具有不同的滑動面形式，主要的滑動面形式為圓弧，折線和復合型。這些破壞都有一個共同點，即滑坡內部存在一條較弱的滑帶（平面），其強度遠小于其他組成部分的強度，因此滑坡沿滑帶（平面）發生。滑體的厚度是不一樣的，有些薄到幾厘米，有些厚到幾十米。當滑坡的前緣剪切一條滑帶時，可以認為滑坡已經形成并進入活躍期，但是不同滑坡發展的每個階段都不相同，需要加以辨別。

2.3 坍塌的作用機制

坍塌破壞也是在調查區發生的破壞模式之一。一般而言，這種破壞多發育在坡度較大的斜坡的頂部和中部上，局部土體在自重作用下隨著滑動面出現破壞的現象，同時具有滑動和塌陷的特征。在雨雪或地下水的作用下，邊坡濕滑導致強度降低，坡體由于無法承受重量局部突然滑動，從而出現滑坡。坍塌破壞與崩塌模式的作用有所區別，其形態特征包括局部滑動面和塌陷過程中存在土體拉斷。由于坍塌沒有固定滑動面，因此又不同于淺層滑坡。

3 主要處治措施和適用條件

以下在總結土質邊坡的幾種常見破壞形式基礎上，結合西南高速公路項目的治理經驗，就路塹工程中邊坡治理的一些加固處治和適用特點進行描述。

在實際處治措施選擇時，應當按照治理邊坡的地質環境和主要成因機理，確定可能的失穩情況，因坡制宜、對癥下藥，選取相應的有效處治方法。目前，我國的主要邊坡處治措施有4種。

（1）幾何坡率法。在地形允許的條件下，可以考慮在設計過程中控制邊坡高度并放緩坡率為1∶2.5～1∶2.0，以提高其自身的穩定度，保證邊坡處于平衡狀態。該方法的運用需要較大的作業空間，并因棄置廢土而占用土地資源，增加了實際工程的施工費用，具有一定的局限性。同時，由于調研道路周圍多高山河谷，高度起伏復雜，施工難度大，因此坡率法通常僅作為一種輔助措施被采用，在地形和設計允許范圍內，用于削減高陡邊坡的坡角和部分潛在滑體的重量。

（2）支擋加固法。這是調研道路現場施工中最常用的處治方法，通過設置一些支擋結構或加固措施，以提高巖土體的整體性，或增強坡體的抗滑能力。主要的支擋加固措施及其適用范圍見表1。

（3）疏干排水法。從邊坡的影響因素可知，降雨條件和地下水位是主導邊坡失穩破壞的重要因素。為預防強降雨對脆弱邊坡的垮塌、沖刷破壞，需要設置合理的疏排水措施，從而保證邊坡表層徑流的迅速排走以及內部滲水在一定水位范圍。因此，排水系統的設計也是至關重要的，要結合沿線降雨的持續時間和流域面積的影響，考慮各種地表和地下排水設施的作用，以盡量降低降雨和邊坡濕化的影響。

表1 支擋結構和加固工程

（4）坡面防護法。由于路塹邊坡的施工開挖導致大量表層土體裸露在外，易發生崩落和受雨水沖刷破壞，因此為了美化環境、防護邊坡坡表，在施工過程中應當采取一定的防護措施。其中主要有抹面和噴漿為代表的封閉式防護、植被防護、骨架植物護坡等。

4 結束語

文章研究結合云南省東北部某高速公路調研結果，就其路塹土質邊坡的地貌地質環境、穩定性影響因素、破壞模式及處治措施展開分析，歸納了每種邊坡破壞的作用機理，并總結了主要處治方式的特點及適用范圍，能為西南山區復雜地形條件下的高速公路設計和建設提供指導。