公路路基高邊坡防護設(shè)計探討

王昕遠

（江蘇緯信工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210014）

邊坡是路基的重要組成部分之一，當土質(zhì)邊坡的高度超過20 m、巖質(zhì)邊坡超過30 m，便可將之稱為高邊坡。由于邊坡較高，從而給結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性帶來一定影響，為避免高邊坡出現(xiàn)整體失穩(wěn)的情況，要選取有效的防護措施。基于此，對高邊坡防護進行合理設(shè)計顯得尤為必要。

1 工程概況

某公路工程第三合同段中，主線路基的高邊坡防護工程共有兩處，其中一處位于樁號K12+545-K12+770的右側(cè)，全長約為225 m，該處最大的挖方高度為55.5 m。地勘資料顯示，該處邊坡的基巖裂隙較為發(fā)育，巖芯存在強烈的風化現(xiàn)象，呈砂土狀，厚度在1.9 m左右；另外一處位于樁號K20+350-K20+465的左側(cè)，長度約為115 m，最大挖方高度為42.5 m，該處邊坡的中線地面標高為42.55~62.43 m，基巖裂隙一般發(fā)育，巖芯呈短柱狀。為確保路基高邊坡施工的安全性，要做好防護設(shè)計工作，結(jié)合邊坡的實際情況，選取最為適宜的防護措施。

2 公路路基高邊坡防護設(shè)計

按照路基高邊坡的地質(zhì)條件，結(jié)合巖土工程特性，通過類比的方法，選取適宜該邊坡的防護措施，主要包括柔性防護網(wǎng)、預應(yīng)力錨索以及排水系統(tǒng)等，具體的設(shè)計方法及要點如下。

2.1 高邊坡柔性防護網(wǎng)

2.1.1 明確設(shè)計內(nèi)容

在路基高邊坡防護中采用柔性防護系統(tǒng)時，要對設(shè)計內(nèi)容加以明確，具體如下：以工程現(xiàn)場的地形地貌、坡面潛在的災害特征、場地施工條件、進度要求、周邊建筑物狀況等作為主要依據(jù)，對柔性防護網(wǎng)進行合理選型和現(xiàn)場布置設(shè)計。

2.1.2 做好設(shè)計準備

（1）在柔性防護系統(tǒng)設(shè)計前，要做好相應(yīng)的準備工作，具體如下：對高邊坡防護區(qū)的地形圖全面收集，缺失的地形圖可以采用現(xiàn)場測繪的方法獲取；在邊坡防護區(qū)域內(nèi)，開展地質(zhì)勘察工作，調(diào)查危石的位置、分布范圍等，并對落石可能出現(xiàn)的形態(tài)及移動方式加以分析。

（2）依據(jù)收集到的相關(guān)資料及信息，對柔性防護系統(tǒng)在該防護區(qū)內(nèi)應(yīng)用的經(jīng)濟性和安全性做全面分析，結(jié)合現(xiàn)場條件，通過計算選取出最優(yōu)的防護類型，據(jù)此完成施工圖紙的設(shè)計。

2.1.3 主要構(gòu)件選擇

在柔性防護網(wǎng)設(shè)計中，選擇構(gòu)件是較為重要的環(huán)節(jié)之一，直接關(guān)系到防護網(wǎng)作用的發(fā)揮。組成柔性防護網(wǎng)的主要構(gòu)件有鋼絲繩網(wǎng)、鋼絲網(wǎng)、鋼柱、基座、減壓環(huán)、支撐繩、鋼絲繩錨桿等，具體的選擇要點如下。

（1）選擇鋼絲繩網(wǎng)時，要確保鋼絲繩的質(zhì)量與現(xiàn)行GB/T 8919—1996制繩用鋼絲規(guī)范標準的規(guī)定要求相符，抗拉強度不低于1 770 MPa，直徑為8.0 mm的鋼絲繩最小斷裂拉力在40 kN以上，直徑為6.0 mm的最小斷裂拉力在20 kN以上；菱形網(wǎng)的長度可根據(jù)工程需要合理選擇，網(wǎng)目邊長的最大誤差不得超過20 mm；網(wǎng)塊的尺寸可以按設(shè)計實際要求適當調(diào)整。

（2）鋼絲網(wǎng)可以選用直徑在2.2 mm以上的熱鍍鋅鋼絲編制，網(wǎng)孔為50 mm×50 mm，用于編制鋼絲網(wǎng)的鋼絲性能應(yīng)當符合現(xiàn)行YB/T 5294—2009一般用途低碳鋼絲規(guī)范標準的規(guī)定要求。

（3）鋼柱可以按照柔性防護網(wǎng)的高度，用相應(yīng)規(guī)格的工字鋼加工制作，確保鋼柱的高度與防護網(wǎng)的高度相同。

（4）基座為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，它是鋼柱的定位座，通過連接件，使鋼柱與基座鉸接到一起，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼柱基座及連接件結(jié)構(gòu)示意圖

（5）減壓環(huán)可以按照與之相連的鋼絲繩直徑和設(shè)計能量，選取適宜的型號。常用的型號有3種，分別為A型、B型和C型，吸收能量的能力依次為30 kJ、50 kJ和110 kJ；減壓環(huán)的啟動荷載取決于相連鋼絲繩的斷裂拉力，臨界形變荷載應(yīng)當不小于50 kN；本工程中選用的減壓環(huán)外徑為448 mm，如圖2所示。

圖2 減壓環(huán)示意圖

（6）支撐繩為鋼絲繩，分為橫向和縱向，前者的直徑應(yīng)不低于16 mm，后者不低于12 mm。編制支撐繩使用的鋼絲繩質(zhì)量必須符合現(xiàn)行GB/T 8919—1996規(guī)范標準的規(guī)定要求。

（7）鋼絲繩錨桿選用雙股形式，直徑不小于16 mm，長度以2.0 m左右為宜，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鋼絲繩錨桿結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 預應(yīng)力錨索

2.2.1 錨索構(gòu)造

本工程中使用的預應(yīng)力錨索為圓柱形結(jié)構(gòu)，主要由以下幾個部分構(gòu)成：錨頭、自由段、錨固段等。

（1）錨頭由錨具、鋼墊板、腰梁以及砼封錨等構(gòu)件組成，主要作用是固定錨索拉力，通常設(shè)置在高邊坡的坡面外部。

（2）自由段與坡面錨頭相連接，將錨頭的拉力傳遞給錨固段，它在預應(yīng)力錨索的中間部位，由以下幾個部分組成：錨拉筋、注漿體以及防腐構(gòu)造等。

（3）錨固段包括支架（隔離、對中）、注漿管、導向帽及鋼絞線等，可與巖層進行連接錨固，將錨索的拉力傳給高邊坡中的穩(wěn)定巖層。為確保錨固段的作用得以全面發(fā)揮，在設(shè)計過程中，要對入巖的深度及長度合理確定，從而使錨索能夠承受最大的設(shè)計拉力。

設(shè)置在高邊坡上的預應(yīng)力錨索，能夠?qū)㈩A應(yīng)力傳遞給邊坡，從而使邊坡與穩(wěn)定巖層之間形成一個共同受力的有機整體，達到防護加固的效果。

2.2.2 計算方法

在高邊坡預應(yīng)力錨索設(shè)計中，計算是較為重要的一個環(huán)節(jié)，計算結(jié)果的準確性，直接關(guān)系到錨索加固防護作用的發(fā)揮。為此，必須選擇正確的方法對預應(yīng)力錨索進行計算，可將高邊坡的失穩(wěn)破壞模式作為確定錨索計算方法的主要依據(jù)，路基高邊坡較為典型的失穩(wěn)破壞模式有以下幾種：滑動、落石、崩塌等，上述模式中，滑動最為常見，并且發(fā)生的頻率也比較高。因此，可利用滑動失效來確定預應(yīng)力錨索的計算方法。

（1）路基高邊坡滑動失效的類型比較多，如圓弧滑動、錯位滑動、順層滑動等等，雖然滑動的形式有所不同，但失效機理卻基本一致，即沿邊坡上的滑動面整體失效破壞。在預應(yīng)力錨索設(shè)計計算過程中，要以避免邊坡出現(xiàn)整體滑動失效為前提。

（2）從物理力學的角度上講，導致高邊坡滑動面發(fā)生整體失效的主要原因是，邊坡中的軟弱巖土體會逐步形成滑動剪切面，受到重力作用的影響，當滑動力超過巖體的摩擦阻力后，便可出現(xiàn)整體下滑破壞的現(xiàn)象。邊坡上滑動面的形成，除與巖土體本身有關(guān)之外，還與節(jié)理裂隙、斷層等因素密切相關(guān)。而預應(yīng)力錨索的作用是以人為的方式，為滑動面增加約束，提升摩擦力，避免整體滑動失效的情況發(fā)生。因此，在預應(yīng)力錨索設(shè)計計算中，可以選用有限條分法對錨索的錨固效率加以確定。

（3）可以按照有限條分法的相關(guān)公式，計算預應(yīng)力錨索的錨固效率。為使錨索的錨固效率得到最大限度發(fā)揮，根據(jù)邊坡可能出現(xiàn)的滑動面，對錨索的數(shù)量、安設(shè)位置、間距以及傾斜角度等合理設(shè)置。錨索與邊坡滑動面之間的交角要盡可能大些，以免錨索的施加增大邊坡滑動的幾率。

2.2.3 設(shè)計要點

（1）在對預應(yīng)力錨索的錨固力設(shè)計時，可將高邊坡上所需考慮的全部荷載作為側(cè)壓力的計算依據(jù)，結(jié)合支護結(jié)構(gòu)，合理確定錨固力。為進一步增大邊坡的安全儲備，設(shè)計的錨固力以錨索允許錨固力的0.5倍左右為宜。

（2）設(shè)計錨筋數(shù)量時，可按照錨固力，并結(jié)合錨索的材料特點，采用相應(yīng)的公式，計算出錨索的具體數(shù)量。計算時，需要的參數(shù)包括設(shè)計錨固力、錨筋抗拉系數(shù)、預應(yīng)力鋼筋的抗拉強度以及錨索的截面積（單根）。

（3）在設(shè)計預應(yīng)力錨索的錨固長度時，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定要求，內(nèi)錨固段的長度應(yīng)控制在10 m以內(nèi)，不得超出，實際長度可利用拉拔試驗及類比的方法合理確定。經(jīng)驗類比法的效果較好，該方法以同類工程的經(jīng)驗作為主要依據(jù)，通過比較為錨固長度的確定提供參考。當設(shè)計荷載為2 000~3 000 kN時，預應(yīng)力錨索內(nèi)錨固段的長度可以取6.0~7.0 m。

（4）高邊坡防護中應(yīng)用預應(yīng)力錨索時，要合理確定布設(shè)間距，當間距＞4.0 m時，必須對錨索的獨立效應(yīng)予以充分考慮，而間距≤4.0 m時，要考慮率群體效應(yīng)。本工程中預應(yīng)力錨索比較長，故此選擇高強低松弛鋼絞線。

2.3 高邊坡排水系統(tǒng)

在影響路基高邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的各種因素當中，水的影響程度較為嚴重，所以高邊坡防護，必須做好排水設(shè)計，以此來降低水對邊坡的破壞。

2.3.1 設(shè)計思路

在設(shè)計高邊坡排水系統(tǒng)時，要結(jié)合工程所在地的地形地貌特征及降雨情況，按照整體規(guī)劃、綜合設(shè)置的思路，使設(shè)計出來的排水系統(tǒng)具有導水、匯水以及排水等多種功能。同時，遵循攔、分、防的原則，設(shè)計排水設(shè)施，降低水對邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，達到防護效果。

2.3.2 設(shè)計方法

為使排水系統(tǒng)的作用得以全面發(fā)揮，在具體設(shè)計時，可以利用坡頂?shù)慕厮疁嫌行懦戏降牡乇韽搅鳎⑼ㄟ^平臺截水溝，將坡面的水流快速排出；借助急流槽將邊坡上的排水設(shè)施連接到一起，形成一個完整的排水系統(tǒng)，對流向路基和坡面的水進行分段截流，引入到附近的荒地和低洼的溝谷當中。需要注意的是，當公路所在地的地下水位較高，并且降雨量大，可在合理設(shè)計高邊坡表面排水的基礎(chǔ)上，做好路基內(nèi)部、中央分隔帶以及橋涵排水，與邊坡排水形成完整的排水系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

在公路路基高邊坡防護設(shè)計中，要依據(jù)工程實際情況，選取適宜的防護措施。為確保防護作用的發(fā)揮，必須對防護措施合理設(shè)計，這是提高路基高邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最為有效的途徑之一。