路塹深挖路塹設計理論基礎和方法

羅秋福

（華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210000）

我國南方丘陵地帶較多，在道路設計和施工過程中，道路工程難免會遇到深路塹邊坡開挖及支護工程，而由于受南方雨水較多影響，深路塹邊坡工程安全穩定性對道路工程運營安全具有關鍵作用，一旦處理不當極易引起邊坡滑坡隱患。本文根據深挖路塹邊坡在不同地質條件下采用多種方法，合理選用邊坡坡率，確保邊坡穩定，保證道路的運營安全。

1 公路邊坡分類和變形類型

公路邊坡的分類：根據填挖分為路堤邊坡（填方）和路塹邊坡（挖方），同時現行的《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）規定：①對土質挖方高度超過20m、巖質挖方超過30m邊坡稱為深路塹（路塹高邊坡）；②填方邊坡高度超過20m 的路堤稱為高路堤。

同時按照邊坡巖土構成分為土質邊坡、巖質邊坡及二元結構邊坡，按巖體地質構造分為均質或類均質土結構邊坡、近水平層狀結構邊坡、順傾層狀結構邊坡、反傾層狀結構邊坡、破碎狀結構邊坡及塊狀結構邊坡。按照變形深度分為坡面變形（深1m～2m）、邊坡變形（深＜10m，變形在邊坡范圍內）及坡體變形（深≥10m，變形超越邊坡范圍）。按照變形范圍分為局部變形、整體變形。按變形性質分為坡面沖刷、風化剝落、表層溜塌、危巖、落石、滑坡及傾倒。

2 路塹邊坡的穩定性影響因素

路塹邊坡的穩定性影響因素：巖土體性質、地形地貌、地質構造、氣候水文、地震、工程活動等。

2.1 巖土體性質

①土質或類土質由于力學性質低，易發生坡體病害；②巖體完整程度差（風化嚴重或裂隙、節理、斷層發育）的巖體邊坡，易發生坡體病害；③巖體完整程度好（石灰巖、花崗巖、玄武巖、石英巖等整體的硬質巖）的巖體，強度高且坡體病害少。

2.2 地形地貌

坡體的地形地貌是坡體自身的巖土體綜合性質對外界的直觀反映，對坡體的工程性質具有良好的借鑒作用。

2.3 地質構造

指構成坡體的不同巖層及構造結構面（包括接觸分界面）的產狀、性質、含水狀況，在邊坡上的分布位置及其與開挖面之間的關系。它控制了邊坡可能發生變形的類型、位置和規模（詳見表1）。

表1 不同坡體結構類型特征表

2.4 氣候水文

水的影響：主要地表水、地下水動態變化，一是形成動水壓力或靜水壓力等對坡體穩定性有著直接影響；二是巖土體飽水狀態下，抗剪強度降低，降低邊坡穩定性。“治坡先治水”是邊坡治理的首選，一般來說，由于北方降雨量較小，坡體有較長的時間保持穩定，但邊坡對降水相對敏感。由于長期的能量蓄積，往往會出現比南方多雨地區規模更大的坡體變形。

風化：南方地區的坡體的風化程度明顯較北方厚。如廣東地區風化花崗巖深度大多為40m～50m，甚至超過100m，山體形態比較渾圓，多產生邊坡沖刷、坡體滑塌。青海、甘肅等地區的花崗巖，則往往突兀峰林，多崩塌形成危巖。

2.5 地震

地震的豎向和水平向地震，這種額外附加力會在短時間內急劇降低坡體的穩定性，造成坡體巖土體結構的損傷，形成超孔隙水壓力，這是造成坡體發生病害的直接原因。

2.6 人類活動

坡體的開挖、加載，造成坡體形態的改變，應力的調整和滲流場的變化，一旦這種改造超過了坡體的自身調整能力，就會造成坡體病害。公路施工屬于人類工程活動之一，路塹高邊坡變形有以下幾個方面原因：

a.對地質工作重視不夠，沒有貫徹“地質選線”的原則，對已經存在的古老滑坡和潛在滑坡（如巖堆地段、順層地段）沒有認識或認識不足，將路線布設在這些地段，甚至大填大挖，造成老滑坡復活或新生滑坡。

b.邊坡的地質重要性和路線方案的決定性不夠重視，“重橋隧、輕路基”的指導思想還存在，對高邊坡重視不夠，過分強調節約工程投資，本來可以做隧道、外移橋或半路半橋的，為節省投資而大挖方，結果造成高邊坡變形，有時其治理費用比橋隧還多。

c.設計深度不足，或坡形坡率設計不符合當地巖土條件，或沒有排水與加固工程，或加固工程不足以保證穩定。

d.不科學的施工組織和施工方法也是邊坡失穩變形的重要原因：雨季大開挖大量雨水滲入坡體，軟化坡體巖土；大爆破施工破壞巖體完整性；開挖后長期暴露而不防護和加固，甚至一挖到底不加固。

2.7 路塹高邊坡穩定性評價

高邊坡穩定性評價遵循“定性分析為基礎、定量計算為手段”的原則。定性分析是進行定量分析的前提（定性判斷破壞形式和穩定性狀態），有效的定量分析是進行高邊坡治理措施的依據。兩者相輔相成，互相驗證，是邊坡穩定性分析的兩大支柱。

2.7.1 工程類比法（定性判斷）

項目區現有自然邊坡的坡形坡率、坡高與路塹邊坡的對比分析：

從項目區類似自然山坡或已有人工邊坡發生變形的類型和規模，來判斷路塹邊坡可能發生的變形類型和規模；

從項目區現有自然邊坡的坡體結構，分析路塹邊坡可能發生的變形類型及產生的部位；

從作用因素的大小和快慢分析路塹邊坡的穩定性，如開挖引起的坡體卸荷和松弛、滲流場、潛在滑面（帶）強度降低等；

從已發生的變形分析其發生機制并反演出破壞時的巖土強度參數。

2.7.2 定量計算

二元結構邊坡，其最重要的潛在滑面一般為土巖界面，滑面由土巖界面形態決定，采用傳遞系數法進行計算。

復雜的高大巖體邊坡力學條件復雜，可采用赤平投影分析和有限元分析法為基礎的數值模擬等綜合方法分析。

規范中對路塹邊坡的相關規定：

正常工況：邊坡處于天然狀態下的工況；

非正常工況I：邊坡處于暴雨或連續降雨狀態下的工況；

非正常工況II：邊坡處于地震等荷載作用下的工況。

3 路塹高邊坡常見的加固措施

3.1 加固措施的主要原則

地質資料為基礎的原則，高邊坡設計應以翔實的地質勘查資料為基礎。

坡率與工程加固措施相結合，一般邊坡以穩定坡率為主，高邊坡應綜合考慮環保與工程規模，考慮采用陡坡率+工程措施，減小邊坡高度，降低用地和開挖規模。

路塹高邊坡設計遵循“減載、固腳、強腰、排水”的原則，逐工點設計，根據邊坡穩定性分析，提出分級高度、邊坡坡率、加固方案等。

路塹高邊坡地質條件復雜，巖土體產狀多變，要及時根據施工過程中發現的真實地質情況，對設計文件進行必要的補充和完善，故施工過程中動態設計非常重要。

邊坡設計應對施工提出嚴格要求，避免不合理的施工導致邊坡失穩。

盡量加強邊坡坡面綠化防護，提高環境保護。

3.2 加固措施

3.2.1 支擋工程

主要有擋土墻、抗滑樁、錨索抗滑樁、錨桿錨索框架。擋土墻類型主要有：重力式擋土墻、石籠式擋土墻、懸臂式扶壁式擋土墻。

3.2.2 邊坡錨固工程主要結構有錨索抗滑樁、錨索框架、地梁、錨墩幾種主要形式。

根據錨固工程的受力特點，分為普通型（無預應力型）與預應力型。預應力型為主動受力工程，普通型為被動受力工程，有本質的區別：①普通型是利用主筋材料及注漿體的抗剪來提高邊坡的穩定性；②預應力型主要是利用預應力在滑面的分力，即垂直滑面的正壓力增大滑體的摩擦，來平衡滑坡的下滑力，錨索本身提供的抗剪力是不予考慮的。

3.2.3 路塹邊坡錨固工程中，預應力型又可分為拉力型、壓力性、荷載分散性等

邊坡錨固工程中，預應力錨索主要應用于兩個方面：

a.平衡滑坡推力：利用滑床下穩定地層提供的錨固力，平衡滑坡推力。

b.邊坡預加固：利用潛在滑面穩定地層的錨固力，平衡坡體的潛在下推力，防止坡體開挖后的卸荷松弛。

4 邊坡錨固設計的幾個關鍵問題

4.1 巖土體與漿體黏結強度的取值

錨索水泥砂漿體與其周圍巖土的粘聚力是參考值，錨索工程施工前必須在施工現場進行拉拔試驗，以確定實際的抗拔力以驗證設計參數選擇是否合理，并根據現場試驗結果加以修正，最終確定黏結強度和有效錨固長度。

4.2 設計錨固力和張拉力的確定

邊坡預加固主要目的是防止坡體開挖后出現卸荷。

土質（類土質）邊坡，超張拉力一般為設計拉力的1.2 倍以上，從而確保鎖定拉力不小于設計拉力。

巖質邊坡，超張拉力一般為設計拉力的1.1 倍以上，從而確保鎖定拉力不小于設計拉力。

錨固長度、錨固段是否必須深入基巖，一般情況下深入10m～12m。

5 存在問題和研究方向

a.由于邊坡工程問題的復雜性，工程設計預加固措施可行度仍然較低；

b.邊坡的典型工程地質模式缺乏系統歸納，其變形失穩機理有待深入研究；

c.邊坡穩定分析的計算模式較為簡單且假定較多，計算參數取值依據不足；

d.邊坡設計計算理論不完善，定量化計算水平和準確性較低；

e.邊坡開挖松弛的力學原理、變形破壞模式和數值模擬研究不夠深入；

f.邊坡錨固工程的使用條件及其耐久性尚需深入研究。

6 結語

邊坡穩定性評價要遵循以定性分析為基礎，以定量計算為重要輔助手段來進行綜合評價的原則。根據工程地質條件、可能的破壞模式以及已經出現的變形破壞跡象，對邊坡的穩定狀態做出判斷和計算，是邊坡穩定性評價的重要內容。