高速公路邊坡支護工程優化設計研究

摘要 文章以某高速公路的邊坡支護工程優化設計為例，分析對邊坡支護工程優化設計，最有效方法是開展大型剪切試驗獲取結構面參數并分析。根據研究結果，相同飽和試驗條件下，殘余抗剪強度參數比峰值抗剪強度參數低。對因受自然災害破壞而產生松動、滑動的支護結構設計須結合殘余抗剪強度參數計算分析。結合實地現場數據開展設計對大幅降低高速公路邊坡支護部分設計的投資成本意義重大。

關鍵詞 高速公路;邊坡支護工程;優化設計;剪切試驗;結構面參數

中圖分類號 U416.14 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0132-03

引言

邊坡支護工程建設對確保高速公路邊坡穩定性至關重要。高速公路邊坡支護工程每類設計方案都涉及順層邊坡開挖問題。順層邊坡開挖過程中最易出現較大破壞，影響邊坡穩定性因素有：

（1）開挖高速公路地區的巖石分布情況、是否存在地下水。

（2）結構面強度大小，該文通過某山區高速公路建設實例，對大型剪切試驗結構面參數分析，對高速公路邊坡支護工程設計方案進行優化設計。

1 總體概況

某山區高速公路建設地點附近周圍露出了大量巖石，以泥巖、砂巖、砂礫巖為主。各類巖石有一定的共性：傾斜角度小，角度平緩，角度大致分布于15°～25°。僅少量巖石傾斜角會超過30°[1]，在上述地區建設高速公路時，開挖后會形成順層邊坡，因此研究的重點為如何保證邊坡達到穩定性的同時減少邊坡支護的成本投入，應用合理的建模分析方法得到有效穩定性安全系數。對比試驗室小型剪切試驗，巖石樣本面積、體積較小，采樣過程中會對巖石結構造成破壞，導致試驗結果不準確，為使結果準確，采用現場原位大型剪切試驗獲得結構面的抗剪強度試驗結果。在施加支護的設施優化方面，已有專家學者對多級邊坡這類復雜情況提出利用柔性支護的方法進行支護保護。采用數值模擬分析方法分級加設錨桿，對邊坡產生了明顯的固定效果[2]。在研究改擴建邊坡拓寬施工方案的時候，也通過對比提出了更靈活自由的方案。

2 大型剪切試驗開展

2.1 大型剪切試驗地點選取

在試驗過程中，應嚴格根據試驗指導手冊的指示進行操作，并根據文件內容規章執行。因實驗地點巖石種類以砂巖、砂巖夾泥巖和泥巖地層為主，因而在不受到破壞即天然的狀態下，選取三個典型試驗地點來對具備砂巖夾泥巖和泥巖地層砂巖成分的地區進行大型剪切試驗。

2.2 應力大小測量

試驗過程中，要保證順層邊坡承受的負荷重量不超過其自重的1.2倍還要綜合考慮巖石自身張力，分析質量強度能夠承受的最大強度和進行試驗操作的測量設備的誤差條件[3]，確保在實驗過程中不受任何損壞。結合施工經驗，先估計粘聚力c以及內摩擦角度θ，對巖石承受剪切力大小進行預判，可更精確地設計荷載的加載方案。

2.3 大型剪切試驗具體步驟

進行剪切試驗的具體步驟大致分為5步：

（1）現場制備原位試件。根據相關試驗規程，對需使用的儀器設備進行合理放置安裝，其中包括測量系統的數據加載等。剪切面的確定十分關鍵，由于垂直反向進行剪切的角度與剪切面重合，合成力量的切入點位于剪切面中心，因此，合力的施加要垂直穿過剪切面。

（2）施加反向剪力時，不應一次性突然施加，分成5～6個等級最為適宜，合理依據正向壓力的承受和延續質量強度的能力進行規劃，反向的位移穩定一段時間后，再施加剪切方向的力，在施加剪切負載力的過程中，正向應力應確保恒為常數。

（3）將需檢測的荷載的大小大致分成8～10個層級施加力量，便于合理進行初步預估。某一個級別增加的剪切位移超過前一個級別位移增加數值的1.5倍時，應適當降低每級層級之間的級差。分級大小的確定方法十分靈活，可依據時間長短進行控制，考慮判據為上下級負載間是否存在軟弱力量的夾層，依據軟弱力量夾層的大小適當延長時間來減緩加載的力度，時間間隔為大約10～15 min較為適宜，加載前后需要對位移的大小進行記錄，確保數據準確性，如果鄰近的剪切遭到破壞的時候要相應的提高讀取頻率[3]。

（4）試件剪切破壞后，應當繼續增大剪切力度，直到負載較為穩定時方可停止加力。當實驗負載所加力度不穩定或突變時，就需要多次測量峰值。試驗接近于結束時要逐漸減少剪切負載的數量，接近零點時候要維持反向方向作用力的穩定，抓住時機測量回彈的位置。

（5）試驗完成后，應第一時間測量剪切面受損的破壞面積，準確清晰地描述長度和分布面積的具體數值，以及對數值破壞的具體原因進行分析。

2.4 大型剪切檢測試驗結果分析

對大型剪切試驗的結果進行分析，不同巖層種類組合試樣的殘余強度為峰值的25%～78%，在不受到破壞的自然條件下，砂巖、夾泥巖這兩種巖石組合起來巖層質量強度的變化幅度是所有組合之中最大的，為峰值的25%左右，在趨于飽和的試驗條件情況下，泥巖組合試樣變化最小，大約只有峰值的78%，試驗的具體結果可以從表1看出：

（1）不論試件是在天然條件下還是飽和的條件下，研究發現普遍規律，不同巖層種類組合種類的剪切力大小都滿足：砂巖>砂夾泥巖>泥巖。

（2）幾乎所有巖層組合的承受剪切強度的數據在相同的試驗條件下都有以下的規律：殘余剪切強度小于峰值的剪切強度。在自然條件下，殘余剪切粘聚力是峰值粘聚力的35%，這一數據由原來的26.2 kPa降低為9.15 kPa。相反，在飽和的條件下砂巖、夾泥巖的粘聚力c有最大的變化幅度。殘余剪切粘聚力是峰值的36%，這一數據由21.2 kPa減少為5.45 kPa。趨于飽和條件下時，內摩擦角發生了較大的變化，砂巖的摩擦力角度變化最大，殘余內摩擦角只有峰值的27%，由27.8°減少為7.5°。自然狀態條件下的內摩擦角的變化多樣，砂巖、夾泥巖的變化程度最大，殘余內摩擦角只有峰值的44%，由27.6°下降為12.3°，根據分析，可以得到以下結論：當由自然的條件變成趨于飽和的條件時，不同種類的巖石組合的抗剪切強度的數值都會有不同程度的下降。

3 邊坡支護的優化設計分析

以上進行的大型剪切試驗的現場測試中，對邊坡支護設施設計進行計算，分析得到，高速公路要充分考慮試驗參數結果進行取值。飽和條件下的峰值的強度適合應用在沒有發生泥石流等自然災害條件下，即沒有產生變形的邊坡支護設計當中[4]，對已產生滑動變形的邊坡支護，應采用飽和條件下殘余的強度參數進行設計。

從試驗結果中得到，綜合分析巖土體的抗剪切強度參數，重點分析內摩擦角參數變化[5]，內摩擦角會大于當地以往試驗的經驗參數取值，產生原因須進一步研究。該高速公路進行開發后形成的順層邊坡具備進行優化設計的各種角度要求[6]。根據前后試驗結果對比，可將試驗的值取為實際測量參數的40%～82%。如果采用全部采用經驗參數應用于放坡實驗，會使邊緣坡度的坡度較小，從而使施工過程中挖土體積過大[7]，無形中增加了投資成本，不利于投資建設的持續進行。結合剪切試驗所獲得的試驗數據，從結構面上看，承受剪切強度的參數將作為邊坡支護的具體參數，對增加放坡坡度效果良好，避免了放坡坡度較小的弊端，減少邊坡陡度，提高安全穩定性，減少了實際開挖體積量，降低了投資成本[8]。

3.1 優化前邊坡的支護設計方案

在進行邊坡的優化設計方案之前，順層邊的坡度率和坡面增設的保護設施都是根據當地以往實踐經驗得到的數據來進行設計的[9]。根據此次現場調查，該高速公路邊坡總高度為16.0 m，按照工程實施的參數設定，可以采用兩端都放8.0 m的坡，中間留有2.0 m高的平臺，比例控制為1∶2.9，坡面上種植了大量綠植，種類是防護林。這一方案的弊端是開挖土的體量較大，同時，邊坡體自重較大，增加了隱形投資的同時也加大了占地面積。具體的設計方案圖如圖1所示。

3.2 優化后的邊坡支護設計方案

根據現場進行的大型剪切試驗，可以得到順層邊坡巖石結構的剪切強度，它的強度較大，普遍大于經驗參數的值。砂巖內部的摩擦角度為28°，粘聚力是35.1 kPa，砂巖泥層的內摩擦角為27.6°，粘聚力是26.2 kPa。泥巖的內摩擦角是15.9°，粘聚力是22.4 kPa，根據現場試驗得到的試驗結果可以在某種程度上增加邊坡的坡度，原先的1∶2.9改為1∶1.5的同時配合增設一些保護措施，比如錨桿等，實驗發現，由于巖石結構可以顯著增強抗剪切墻穩定性，因此在邊坡結構上增加作用力可以很大程度上降低抗剪切墻的承受重力，延長使用期限[10]。也可以在沿線局部坡度較高的區域上增加土墻，從而達到減少開挖土量的效果。通過初步計算挖土量可以減少10萬m3，投資也可以減少幾百萬元，設計方案圖如圖2所示。

4 總結

為優化邊坡支護結構設計，進行現場剪切試驗，得到不同巖層組合的抗剪強度的參數。結果表明，在自然和飽和條件下，對于不同類巖石組成情況下，剪切墻的抗剪切強度都有不同程度下降，與以往經驗參數數值比較得出實際情況下巖層邊坡的支護結構設計方案有很大優化潛力。對于欠穩定狀態的路線，可以采用放置錨桿等措施提高穩定性，但是具體的布置方式需要考慮實際因素綜合確定。研究為降低投資積累了寶貴的經驗，更為以后的工程建設提供參考。

參考文獻

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收稿日期：2022-01-11

作者簡介：喬俊（1995—），男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：邊坡滑坡及路基路面。