高速公路路塹高邊坡應(yīng)力狀態(tài)分析與防護(hù)研究

李金華

（上海建工集團(tuán)工程研究總院，上海 201114）

0 引言

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和配套設(shè)施建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，特別是公路建設(shè)項(xiàng)目在實(shí)施過程中產(chǎn)生了越來越多的問題。高速公路工程項(xiàng)目實(shí)際建設(shè)中會面對非常復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境與氣候條件，極易出現(xiàn)高挖路塹滑坡病害，亟需通過專業(yè)的方法解決[1]。本文通過以某市高速公路項(xiàng)目為研究對象，分析影響高挖路塹邊坡穩(wěn)定性的因素，分析其原因，并提出針對性的應(yīng)對措施。

本文以某市雙向四車道的高速公路為工程對象，整個路基采用瀝青混凝土鋪設(shè)完成，且寬度約為24.5m，由于地形的原因，該路段的K5+823—K5+957 部分的路塹軸部開挖為20～25m，施工完成后，路塹邊坡較陡。由于施工時間為夏季，在雨水作用下，極易發(fā)生滑坡現(xiàn)象，需要進(jìn)行邊坡防護(hù)。

1 高速公路路塹高邊坡形變、失穩(wěn)原因分析

高速公路路塹高邊坡出現(xiàn)形變、失穩(wěn)以及滑坡的原因通常都是較為復(fù)雜的。如內(nèi)在的地形地貌、場地巖土特性、地質(zhì)水文狀況等；外在的地震、勘察深度、施工質(zhì)量以及其他外力因素等可能會對高邊坡狀態(tài)造成影響[2]。通過對該高速公路路塹高邊坡進(jìn)行現(xiàn)場勘察，工作人員最終確定以下4 個會致使高速公路路塹邊坡發(fā)生形變和滑坡問題的因素。

（1）地質(zhì)方面原因。該高速公路工程路塹高邊坡后側(cè)坡體較陡，上層有比較厚的積土層，積土層風(fēng)化深度在15～25cm，且風(fēng)化程度不一。過于松散的土質(zhì)致使該坡體自身的穩(wěn)定性非常差。因此可以說地質(zhì)條件差是該邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)狀況的重要原因之一。

（2）水文方面原因。該路段兩側(cè)植被茂密，含有非常豐富的地下水，再加上降雨量充沛，致使邊坡土體水含量出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，公路邊坡整體抗剪強(qiáng)度隨之下降，土體的抗剪強(qiáng)度明顯下降，最終引發(fā)邊坡出現(xiàn)變形和滑坡現(xiàn)象。

（3）地質(zhì)勘查深度不足。在高邊坡施工階段，前期的地質(zhì)勘查深度直接影響相關(guān)工作人員對于邊坡潛在滑坡問題的判定。無論是設(shè)計(jì)單位還是施工單位都是在制定設(shè)計(jì)施工方案時都是依據(jù)地質(zhì)勘查資料來開展相關(guān)工作的。如果地質(zhì)勘查深度不足，那么就可能導(dǎo)致地質(zhì)勘查工作中水層層數(shù)、水量、水壓等數(shù)據(jù)缺失或者準(zhǔn)確性不足，繼而給整個工程造成安全隱患[3]。

（4）人類活動或其他外力影響。在高速公路路塹高邊坡是過程中，通常是按照施工要求逐級進(jìn)行開挖，然后逐級進(jìn)行防護(hù)施工；完成之后再對下級邊坡繼續(xù)施工。所以在邊坡開挖過程中，施工外力比如爆破、抗滑樁打入巖體等都有可能會對坡體的穩(wěn)定性造成影響。

2 計(jì)算模型

通過對該工程段進(jìn)行現(xiàn)場勘查后發(fā)現(xiàn)，路塹邊坡土體在自重應(yīng)力場的作用下，在施工過程中極易產(chǎn)生應(yīng)力釋放現(xiàn)象，導(dǎo)致其位移場和應(yīng)力場變化明顯。通過對本區(qū)段進(jìn)行資料有查閱和現(xiàn)場評估，對該路段進(jìn)行劃分處理，共包括3 大類7 層地質(zhì)。從該路段的主剖面來看，水平長度約為200m，垂直高度為150m，路段參數(shù)均滿足有限元分析規(guī)定的精度要求，最終形成有限元計(jì)算模型，如圖1 所示。

圖1 有限元計(jì)算模型

3 應(yīng)力狀態(tài)與穩(wěn)定性分析

通過歷史的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，剪應(yīng)力集中部位是邊坡的破壞的起點(diǎn)，然后根據(jù)破壞點(diǎn)的應(yīng)力釋放結(jié)果以及不同層次的集中程度逐步向外部擴(kuò)散，最終導(dǎo)致邊坡裂縫和滑移變形等現(xiàn)象的發(fā)生，因此，通過對邊坡的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行研究可對邊坡的穩(wěn)定性和破壞性進(jìn)行預(yù)估[4]。通過對有限元進(jìn)行模擬分析后發(fā)現(xiàn)：路塹高邊坡在天然狀態(tài)下，由于邊坡巖層的產(chǎn)狀向臨空面傾斜，在自重應(yīng)力和溝谷卸荷的不斷作用下，坡體砂巖第2 層和第4層的拉應(yīng)力較為集中，使該部位的巖層始終保持拉應(yīng)力。引發(fā)此種原因的重要因素是由于近水平巖層地質(zhì)結(jié)構(gòu)受重力的不斷作用，向外部臨空方向釋放力，形成差異變形導(dǎo)致。

由于整個邊坡的坡比在不斷地變化，巖體內(nèi)部的應(yīng)力值也不斷地變化，主要包括坡體拉應(yīng)力變化和剪應(yīng)力變化兩個方面。在對本工程對象進(jìn)行有限元模擬分析時，左側(cè)坡度定義為1:0.5，由于不同路段的開挖高度不同，因此，分析模型定義了1:0.5、1:0.75、1:1 和1:1.5四種不同的坡度情況。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，邊坡易破壞的區(qū)域主要是剪應(yīng)力集中的區(qū)域，然后以區(qū)域?yàn)橹行膶?yīng)力向外釋放，在坡體形成破裂面，并形成深度的滑坡和破壞。以該高速工程為研究對象，其應(yīng)力情況具體分析如下。

（1）從該高速公路路塹高邊坡工程來講，邊坡土體在自重應(yīng)力場的環(huán)境下，使巖體拉應(yīng)力在坡體第2 層與第4 層集中發(fā)生，并從此處開始引發(fā)層面的斷裂和滑坡現(xiàn)象。邊坡應(yīng)力矢量圖如圖2 所示。

圖2 邊坡應(yīng)力矢量圖

（2）高速公路邊坡實(shí)際開挖作業(yè)中很容易導(dǎo)致自重拉應(yīng)力穩(wěn)定性的缺失，且其變化特征呈現(xiàn)出規(guī)律性。以坡面為基準(zhǔn)，其與呈現(xiàn)出正交關(guān)系，而與臨空面周邊的方向呈現(xiàn)平行關(guān)系。此時當(dāng)前坡面處于單向應(yīng)力狀態(tài)。而且隨著坡度比的變化，導(dǎo)致開挖應(yīng)力場狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，如果開挖深度不超過70m，假如坡度變大，那么自重拉應(yīng)力必然會朝向開挖區(qū)進(jìn)行傾斜；與此相反，假如邊坡施工挖掘深度已經(jīng)超過了70m，那么自重拉應(yīng)力就會向開挖區(qū)相反的方向擴(kuò)散，也就是說此時拉應(yīng)力作用于坡體的程度逐步降低。剪應(yīng)力方面，如果坡度較陡，坡腳周邊區(qū)域是剪應(yīng)力集中區(qū)域；反之，則剪應(yīng)力從底部區(qū)域向上進(jìn)行擴(kuò)散。

4 邊坡防護(hù)技術(shù)思路

邊坡加固和防護(hù)存在些許差異，按照防護(hù)的原理，主要分為工程防護(hù)與綜合防護(hù)兩種種類。

4.1 工程防護(hù)

工程防護(hù)具體包括4 種不同類型，分別通過不同的材料和方式來完成。抹面防護(hù)技術(shù)主要應(yīng)用于材質(zhì)為軟巖的邊坡，該材質(zhì)較容易被風(fēng)化，通過該技術(shù)能夠?qū)Υ髿膺M(jìn)行阻隔，降低風(fēng)化的速度，且使用的主要材料是石灰漿和水泥漿；捶面防護(hù)方式與抹面防護(hù)技術(shù)所運(yùn)用到的材料并沒有很大差異，主要面向易風(fēng)化的邊坡材質(zhì)，但是施工成本和難易程度不同；噴漿技術(shù)主要解決巖石易破碎的邊坡問題，而且可有效阻隔雨水滲入[5]。

4.2 綜合防護(hù)

公路路塹邊坡防護(hù)過程中，加固僅僅是一個維度，還需要其他維度的防護(hù)措施參與。目前常用的綜合防護(hù)技術(shù)主要包括以下4 種類型。

（1）六角空心磚植草護(hù)坡技術(shù)。其主要適用于坡度不大且強(qiáng)風(fēng)化的巖質(zhì)邊坡，通過植草來避免邊坡土壤流失，達(dá)到防止滑坡的效果，且具有一定的美觀性，但是成本較高[6]。

（2）三維網(wǎng)植草護(hù)坡技術(shù)。此技術(shù)的實(shí)際實(shí)施成本和前期的投資較低，并且外形非常美觀。缺點(diǎn)是與其他類型防護(hù)技術(shù)相比，這種方式后期維護(hù)成本相對更高。

（3）架植草護(hù)坡技術(shù)。該技術(shù)通過將漿砌片石和混凝土進(jìn)行再制造，通過砌筑人字形、菱形等不同形狀的骨架，提升坡體穩(wěn)定性，并通過內(nèi)部植草降低滑坡危險(xiǎn)系數(shù)。

（4）客土噴播技術(shù)。該技術(shù)將金屬材料的網(wǎng)部署在邊坡中，將混合涂料噴灑之邊坡表面使之凝固，此技術(shù)的有點(diǎn)是施工快、效果好，缺點(diǎn)是成本高。

5 邊坡防護(hù)方案設(shè)計(jì)

通過對高速公路高邊坡開挖過程中的應(yīng)力實(shí)施情況研究能夠得出，應(yīng)力最大值發(fā)生于高邊坡坡面所在位置，且應(yīng)力的分布狀況與坡面通常都存在品行關(guān)系。工程實(shí)踐表明，在邊坡防護(hù)施工作業(yè)中，拉應(yīng)力通常都集中于坡頂，而剪應(yīng)力通常都集中于坡腳，因此，在應(yīng)力的作用下，坡面土體與巖層的穩(wěn)定性會受到影響。

為了解決本工程面臨的邊坡問題，需要以“上拉下?lián)酢睘槔砟畹倪吰路雷o(hù)方法來完成，具體內(nèi)容包括：上拉部分的施工操作主要是在路塹的上層巖體安置錨索與錨栓結(jié)構(gòu)，以提升整個坡面巖體的抗拉強(qiáng)度；下?lián)醪糠值氖┕げ僮魇窃诼穳q邊坡下層區(qū)域安置擋土墻，從而有效避免邊坡坡體剪切變形狀況的出現(xiàn)。

錨固是邊坡防護(hù)工程施工中的重要工序，施工人員在錨固施工中，需要遵循由上到下的層次開展，等到上層的錨固工程完成后，才能夠繼續(xù)實(shí)施下一層級的邊坡開挖與錨固作業(yè)。這種作業(yè)方式能夠最大程度的保證邊坡坡體開挖的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，降低邊坡防護(hù)施工安全隱患[7]。錨桿孔位定位時，需要根據(jù)坡面孔間的距離進(jìn)行合理設(shè)置。而且以低洼區(qū)域的處理為工作重點(diǎn)，且孔位深度需在工程許可的區(qū)間內(nèi)，并對錨桿孔施工過程中的相關(guān)清理工作進(jìn)行完善。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際施工成深度需較設(shè)計(jì)值大5cm。孔徑與深度可能會受到鑿巖機(jī)械設(shè)備的影響，因此實(shí)際施工時需要充分結(jié)合工程實(shí)際情況與鑿巖機(jī)械設(shè)備的性能。錨桿孔洞開鑿?fù)瓿珊螅渲睆郊s為35cm，并按照人字形錨桿的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，將孔洞與鋼繩間角度控制在15°~30°，這樣能夠使錨固效果更好。邊坡坡底掛網(wǎng)作業(yè)應(yīng)該將格柵網(wǎng)之間的重疊寬度控制在5cm 以內(nèi)。

另外，在高速公路路塹高邊坡工程施工階段，施工監(jiān)測也是非常重要的一項(xiàng)保障工程質(zhì)量的手段，如果必要，可以選擇運(yùn)用深孔位移監(jiān)測技術(shù)來對邊坡進(jìn)行監(jiān)測，并結(jié)合邊坡坡體變形數(shù)據(jù)來對施工方案實(shí)施進(jìn)一步的調(diào)整，從而保質(zhì)保量完成邊坡防護(hù)施工。在邊坡護(hù)坡工程完成后，高速公路運(yùn)營期間還可以通過地表位移監(jiān)測、地下位移監(jiān)測、地下水位監(jiān)測等方式來對邊坡整體穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測周期通常要多于兩年。對于地質(zhì)狀況尤為復(fù)雜的路段，應(yīng)該結(jié)合高速公路路塹高邊坡防護(hù)工程實(shí)際情況適度的增加監(jiān)測期限[8]。

6 結(jié)語

高挖路塹滑坡作為目前公路和高速公路建設(shè)的常見問題，通過邊坡防護(hù)可有效提升邊坡質(zhì)量的穩(wěn)定性。通過本文項(xiàng)目可知，不同地區(qū)的巖土體的分布通常具有變化性和區(qū)域性特征，需要根據(jù)實(shí)際情況對路塹邊坡進(jìn)行防護(hù)和加固，目前的工程實(shí)施方案往往根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)獲得，需要專業(yè)化的模型參與，提升路塹防護(hù)的科學(xué)性。因此，我國的公路部門和道路施工單位需要提升路塹邊坡防治的研究力度，降低安全隱患，保障公路安全運(yùn)營。