高速公路邊坡支護工程優化設計研究

沈文鉆

摘要：文章結合某高速公路邊坡工程實例，通過大型剪切試驗獲取結構面參數，分析了公路邊坡支護優化設計方案。通過現場大型剪切試驗結果可知，飽和條件下各試樣的抗剪強度參數均有所下降，相同試驗條件下試樣的殘余抗剪強度參數均低于峰值抗剪強度參數，針對已經產生滑動破壞的邊坡支護設計時宜采用殘余抗剪強度參數。使用現場實測參數優化后，可節約邊坡支護成本。

關鍵詞：剪切試驗;抗剪強度;邊坡支護;優化設計

中圖分類號：U416.1⁺4文獻標識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.014

文章編號：1673-4874（2021）01-0051-03

0引言

邊坡穩定性問題是影響工程建設的一個重要內容。隨著國家基礎設施建設的快速發展，山區高速公路建設工程數量也在逐漸增多，高速公路開挖邊坡的穩定性問題也越來越受到重視。據統計，順層邊坡開挖后更易出現破壞，該類型邊坡的支護工程設計更需要引起重視。目前，已有較多的專家、學者對順層邊坡的穩定性問題進行了分析，采取的主要手段包括物理模擬、數值模擬、公式計算等[1-4]，影響順層邊坡穩定性的主要因素包括巖體結構特征、地下水影響等[6-7]。結構面強度是控制巖質邊坡穩定性的一個重要因素，準確獲取結構面參數，對邊坡穩定性分析及支護結構設計具有重要影響[8-10]。本文結合某高速公路工程，通過現場大型剪切試驗獲取結構面參數，從而優化公路邊坡支護工程，節省工程投資。

1工程概況

根據調查，某高速公路沿線出露的地層巖性主要包括長石砂巖、泥巖、砂質泥巖、砂巖、砂礫巖等。該高速公路沿線巖層傾角較緩，一般在15°～25°之間，局部傾角>30°。該高速公路開挖后，形成順層邊坡，如何合理選取邊坡支護設計參數，在保證邊坡安全的同時降低支護措施的造價是研究的重點內容。一般情況下，邊坡支護主要根據當地經驗參數取值，但經驗參數取值往往較小，不利于節省工程投資，因此獲取結構面抗剪強度參數作為邊坡支護參數是十分重要的。由于現場取樣原因，室內試驗的巖樣體積小，且在取樣過程中強度較低的結構面會受到影響，造成試驗結果偏小。為了參數準確，采用現場大型剪切試驗獲取結構面抗剪強度。

2結構面剪切試驗

2.1試點選取

現場大型剪切試驗的試驗點選取需要具有足夠的代表性，同時，也需要具備試驗的可行性。根據設計文件，該高速公路開挖后臨空的巖性組合主要為砂巖、砂巖夾泥巖以及泥巖地層。因此，選取3個典型的試驗點，對砂巖、砂巖夾泥巖、泥巖3種地層進行天然、飽和狀態下的剪切試驗。

2.2應力確定

試驗加載的最大應力為順層邊坡受剪區域上部所受的巖體自重應力的1.2倍，同時需要綜合考慮巖體強度、應力和設備的測量精度，需要保證設計最大荷載和試樣不破壞。結合當地工程經驗，預先估計巖體的粘聚力c、內摩擦角φ值，初步估計試驗巖體的抗剪強度，從而合理制定剪切荷載加載方案。

2.3試驗方法

現場大型剪切試驗主要分為以下5步：

（1）首先需要在現場制備原位試樣，根據相關規范安裝試驗儀器，包括加載系統、測量系統等。法向、剪切荷載合力作用點需通過剪切面中心（剪切縫或結構面厚度1/2處）。

（2）試樣法向荷載需要分級施加，4～5級最佳。根據正應力和巖體強度確定，當法向位移趨于穩定后方可加載剪切荷載。施加剪切荷載的過程中，正應力應為常數。

（3）根據初步預估的剪切荷載，分8～10級施加。若剪切位移增量大于前一級位移增量的1.5倍時，應降低剪切荷載級差。剪切荷載分級施加根據時間控制，當不存在軟弱夾層時，一級剪切荷載加載5min 后，可加載下一級;當存在軟弱夾層時，應適當延長時間，以10～15min為宜。加載前后均需要讀取位移值，臨近剪切破壞時，應提高荷載、位移的讀取頻率，峰值讀數應不少于10組。

（4）當試樣剪切破壞后應當繼續施加剪切荷載至荷載穩定，若剪切荷載無法趨于穩定或者剪切位移突變時需要測量峰值剪切荷載。在逐漸減少剪切荷載至0的過程中，應當維持法向應力保持穩定，測量回彈位移。

（5）試驗完成后，測量試驗剪切破壞面面積，描述破壞面情況包括擦痕方向、長度和分布情況等。

2.4現場大型剪切試驗結果分析

根據試驗結果，不同巖層組合試樣殘余強度為峰值強度的25%～78%。其中天然條件下，砂巖夾泥巖巖性組合的強度變化幅度最大，約為峰值強度的25%;飽和條件下，泥巖巖性組合的強度變化幅度最小，約為峰值強度的78%。現場大型剪切試驗結果見表1。從表1中可知：

（1）不論是天然試樣還是飽和試樣，不同巖層的抗剪強度參數（包括峰值和殘余粘聚力、內摩擦角、摩擦因素）滿足以下規律：砂巖>砂夾泥巖>泥巖。

（2）在相同的試驗條件下，所有巖層的抗剪強度參數均符合以下規律：殘余強度〈峰值強度。天然條件下，砂巖夾泥巖巖性組合的粘聚力c值變化幅度最大，殘余粘聚力約為峰值粘聚力的35%，由26.2kPa降為9.15kPa;飽和條件下，砂巖夾泥巖的粘聚力c值變化幅度最大，殘余粘聚力約為峰值粘聚力的36%，由21.2kPa降為5.45kPa。飽和條件下內摩擦角φ值變化最大的是砂巖，殘余內摩擦角約為峰值內摩擦角的27%，由27.8°降為7.5°;天然狀態下內摩擦角φ值變化最大的是砂巖夾泥巖，殘余內摩擦角約為峰值內摩擦角的44%，由27.6°降為12.3°。當由天然條件變為飽和條件時，各類型巖層組合的抗剪強度參數均有所下降。

3邊坡支護優化設計

根據現場大型剪切試驗結果可知，在高速公路邊坡開挖支護的過程中應當充分考慮參數取值。針對未發生滑動變形的邊坡支護時可選取飽和條件下的峰值強度;當邊坡已經產生滑動變形時，則采用飽和條件下的殘余強度參數。

從試驗結果還得知，巖土體的抗剪強度參數綜合內摩擦角大于當地的經驗取值，而該高速公路開挖后形成的順層邊坡具備優化設計的條件。根據對比，經驗取值約為實測參數的40%～82%。若采用經驗參數取值進行放坡，會導致邊坡放坡坡度較小，從而導致工程開挖方量過大，進而增加邊坡工程投資成本。因此，結合現場大型剪切試驗，獲取結構面的抗剪強度試驗參數作為邊坡支護的參數，可在一定程度上增大放坡坡度，減少邊坡開挖量，從而降低工程投資。

3.1優化前邊坡支護設計

邊坡優化設計前，順層邊坡的放坡坡率、坡面防護措施主要根據當地的經驗參數進行設計。根據現場調查，高速公路邊坡總高為16.0m，按照當地工程經驗參數，主要采用兩級放坡，坡高為8.0m，中間預留寬為2.0m的平臺，放坡坡比為1：2.9，坡面采用土工網植生護坡。該方案土方開挖面較大，同時在支護結構上的作用力較大，支護結構尺寸巨大，工程投資大、占地面積大。結構面的參數取值對邊坡支護設計具有較大的影響（見圖1）。

3.2優化后邊坡支護設計

根據現場大型剪切試驗結果可知，順層邊坡巖體結構面抗剪強度參數大于經驗參數取值，砂巖內摩擦角為28.0°，粘聚力為35.1kPa;砂巖夾泥巖內摩擦角為27.6°，粘聚力為26.2kPa;泥巖內摩擦角為15.9°，粘聚力為22.4kPa。因此，結合現場情況，可在一定程度上增大邊坡的放坡坡度，將坡率由當地的經驗參數值1：2.9優化至1：1.5，同時配合錨桿措施。由于巖體結構的抗剪強度參數在一定程度上有所增大，經過計算，在支護結構上的作用力也大幅降低。在公路沿線局部邊坡較高的區域設置擋土墻，減少開挖土方量，減少征地面積。經初步計算，采取現場大型剪切試驗獲取的強度參數進行邊坡優化支護后，土石方挖方量減少約10萬m³，工程投資降低數百萬元（見圖2）。

4結語

本文為了優化邊坡支護結構設計，采用現場大型剪切試驗獲取不同巖層的抗剪強度參數，在飽和狀態下各巖層的抗剪強度參數均有所下降，但同當地經驗參數相比，巖層的實際抗剪強度參數較大，邊坡支護結構具備優化條件。通過對比優化前后的支護措施，根據實際抗剪強度參數進行邊坡支護設計可降低工程投資，也可為當地工程建設積累經驗。

參考文獻

[1]黃文洪，張健，李龍龍，等.含陡傾軟弱破碎帶節理巖質高邊坡穩定性分析[J].人民珠江，2020，41（6）：68-73.

[2]譚捍華，李宗鴻，彭澍，等.中等傾角順層邊坡地下開挖失穩模式研究[J].工程勘察，2020，48（5）：6-10.

[3]孫磊.含軟弱夾層順層巖質邊坡穩定性分析及處治研究[J].鐵道勘察，2019，45（4）：53-57.

[4]習朝輝，裴向軍，穆成林，等.順層巖質邊坡開挖變形特征模型試驗研究[J].鐵道建筑，2018，58（12）：100-103.

[5]孫云龍，王艷坤，劉杰，等.強降雨與地下水作用下公路施工期滑坡分析與治理[J].筑路機械與施工機械化，2020，37（7）：50-55.

[6]黃超.基于巖體的幾何形態對巖質邊坡滑移場的分析研究[D].西安：西京學院，2020.

[7]李長洪，肖永剛，王宇，等.高海拔寒區巖質邊坡變形破壞機制研究現狀及趨勢[J].工程科學學報，2019，41（11）：1374-1386.

[8]陳祖煜，徐昱，孫平.考慮巖體抗剪強度各向異性特征的邊坡穩定分析方法[J].蘭州大學學報（自然科學版），2015，51（6）：759-767.

[9]鄺亞萍，結構面控制邊坡的局部極限狀態破壞模型[D].重慶：重慶大學，2015.

[10]陳賀，劉芳，蔣明鏡，等，巖質邊坡結構面強度參數反演方法[J].武漢理工大學學報，2013，35（1）：99-102.