黃土路基高邊坡穩定性分析及生態防護技術研究

要啟亮

（太原市炳坤公路勘察設計咨詢有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著國家中西部大開發戰略的不斷實施及“一帶一路”發展戰略的逐步推進，我國高速公路建設事業蓬勃發展，高速公路逐步向中西部山區邁進，由于其地形溝壑縱橫，使之建設大量的路基高邊坡。對于山西省而言，其地處黃土高原，在路基施工過程中產生大量的黃土路基高邊坡，由于黃土大孔隙發育、垂直節理發育、含鈣質成分較多，且具有強烈的水敏性等特殊的工程性質，使得黃土路基高邊坡在施工及運營過程中極易受外荷載及地下水、地表水的影響而產生剝落、崩塌、不均勻沉降等病害，嚴重影響施工安全，增加運營養護成本。

近年來，國內外學者們針對黃土路基高邊坡開展了一系列的技術研發，提出了大量較為實用的技術方法。孫德榮[1]結合遼西地區濕陷性黃土路基的工程案例，深入分析了黃土路基在各工況下的病害情況，并提出了濕陷性黃土路基的處理措施；蔡同俊[2]利用室內模型試驗、現場試驗、理論分析等手段深入研究了黃土路基的壓實特性，并提出了其壓實標準，為黃土路基施工技術奠定了良好的支撐；李金云[3]等人結合黃土路基的工程案例，利用數值模擬、現場試驗等手段分析了強夯處置后的應力應變規律，為黃土路基施工控制提供了理論基礎；屈耀輝[4]等人結合鄭西高鐵黃土路基工程案例，提出了濕陷性黃土路基沉降控制的技術體系；許興旺[5]依托鄭西、西寶、大西高鐵黃土地基，對黃土路基地基沉降變形控制參數、技術進行全面研究。但是，目前針對黃土路基高邊坡的穩定性研究方面的成果較少，且其防護技術多種多樣，良莠不齊，使得黃土路基高邊坡防護工程施工中問題不斷暴露。因此，本文依托山西某高速公路路基高邊坡的工程案例，利用數值模擬手段分析其穩定性，在此基礎上提出適用于黃土路基高邊坡的生態防護技術，為類似工程提供參考意義。

1 工程背景

山西某高速公路設計為雙向四車道，其設計速度為80 km/h，該項目地處呂梁山脈，且位于山西-陜西黃土高原北部地帶，其沿線地形地貌復雜，受長期地表徑流的沖刷侵蝕作用，其溝壑縱橫。項目區海拔高度在920～1280 m之間，其相對高差一般為80～100 m之間，最大高差達150 m，從而形成了以溝谷地形為主的黃土丘陵地帶，項目區地形地貌情況如圖1所示。

項目區深層地質情況主要以泥巖、砂巖為主，其埋深普遍大于40 m；而淺部地質情況主要以第四系上更新統沖擊質黃土（Q3al）為主，其厚度高達35～40 m。根據現場地質勘查資料顯示，項目區黃土分布較為均勻，呈淺黃色，土質疏松，大孔隙、蟲洞發育，垂直節理較發育，且帶有弱濕陷性。

受項目區地形地貌的影響，本項目沿線高填方路基35處，深挖路塹12處，其中高填方路基最高填土高度達42 m，共分為5個臺階，每個臺階高度為8 m，坡率均為 1∶2；平臺寬度為3.5 m，其采用2.5%的外傾橫坡，平臺上布設有漿砌片石截水溝。

圖1 某高速公路沿線地形地貌情況

2 黃土路基高邊坡穩定性分析

2.1 數值模型的建立

為深入分析黃土路基高邊坡的穩定性，本文利用大型數值分析軟件，選取典型路基斷面，建立二維數值模型，對黃土路基高邊坡施工完成后的塑性區分布及豎向位移情況進行全面分析。鑒于該路基為對稱結構，本文選取右半幅路基作為研究對象，其土體材料采用彈塑性本構模型材料Plane42單元，其遵從Drucker-Prager屈服準則；各材料的物理力學參數如表1所示。

表1 隧道模型材料物理力學參數

在模型邊界條件方面，黃土路基高邊坡左右施加水平約束條件，底面施加水平和豎向約束條件，上部取實際地表情況，不施加約束條件。本項目數值模擬過程中采用“alive”、“kill”命令來實現模擬單元的生死功能，在數值模擬開始時，先施加初始重力場。

2.2 數值計算結果分析

為全面獲取施工完成后黃土路基高邊坡的穩定情況，本文利用上述模型計算分析了其塑性區分布情況及豎向位移情況，所得計算結果如圖2、圖3所示。

圖2 黃土路基高邊坡塑性區分布圖

圖3 黃土路基高邊坡豎向位移圖

從圖2中可以看出，黃土路基高邊坡沿坡頂-坡腳方向呈現出明顯的弧形塑性區，尤其在坡腳處，其塑性值最大，可見黃土路基高邊塑性區發展主要受剪應力分布的控制，該特征與黃土路基高邊坡的應力場特征非常吻合。此原因主要在于受自重應力及外部荷載作用的影響，黃土路基高邊坡臨空面向下滑移，使其沿坡頂-坡腳弧線方向產生潛在滑動面。

從圖3中可以看出，黃土路基高邊坡在豎向位移方面基本呈現從上到下逐漸減小的分布規律，其豎向位移最大值為2.76 mm，發生在黃土路基高邊坡頂部，發生范圍基本全部涵蓋了半幅路基。黃土路基高邊坡地基頂面豎向位移值為0.46 mm，遠小于路基高邊坡頂面豎向位移值。此原因主要在于該路基段地基為泥巖、砂巖，其工程性質相對較好，受外荷載后應變值較小，而黃土路基填筑后，由于黃土中粉砂含量較大、大孔隙發育、結構性較強，在外荷載及地下水的影響下產生較大變形，對路基高邊坡穩定性產生不利影響。

3 黃土路基高邊坡生態防護技術

3.1 生態防護技術方案

目前，傳統的黃土路基高邊坡防護措施主要采用圬工結構，雖具有施工速度快，早期強度高等特點，但由于黃土地區降雨主要集中在7—8月份的雨季，期間雨水極易深入黃土路基邊坡土體內，導致路基填土產生濕陷變形，引發路基高邊坡剝落、崩塌等病害；而且，圬工結構表面無法開展綠化工作，導致高速公路路側人工修筑痕跡過于明顯，影響沿線景觀。近年來，隨著土工合成材料技術的不斷發展，土工格室植被防護技術作為一種新型的復合式結構植被防護技術得到技術人員的青睞，尤其在黃土路基高邊坡工程中，既能夠通過植物根系的發育來加固黃土路基高邊坡土體，起到坡面防護的功能，又能夠美化路側景觀，提升高速公路整體服務能力[6]。

由于本項目區淺部地質情況主要以Q3黃土為主，其土質疏松，大孔隙、蟲洞發育，垂直節理較發育，且帶有弱濕陷性，在雨季極易受降雨沖刷作用而產生垮塌，影響路基高邊坡的穩定性。為此，本項目結合現場實際情況，采用土工格室植被防護措施對其進行全面防護，其設計結構型式如圖4所示。土工格室植被防護的主要設計參數如下：

a）土工格室采用強化的HDPE材料，其壁厚為1.0 mm，高度為15 cm，經高強力焊接后形成三維網狀格室，其焊接處抗拉強度應不小于10 kN/m。

b）在坡面防護結構方面，其上部采用土工格室平鋪式，其坡度為1∶1.5；而下部均采用土工格室堆疊式，其坡度為1∶0.5。

c）土工格室的固定錨釘均采用帶鉤的φ12鋼筋，其長度為50 cm，錨固深度應不小于35 cm，呈梅花型布設，其間距為1.5 m。

d）坡面臺階處應采用3層復合式結構，第一層為20 cm厚的3∶7片石混凝土；第二層為20 cm厚的20號片石混凝土；第三層為2 cm厚的7.5號水泥砂漿層。

e）坡面宜種植紫穗槐，其根系發達，可較好地固定邊坡表面土體，且具有耐寒、耐旱、耐鹽堿、抗風沙等優點，能夠較好地適用項目區的水文地質條件。

圖4 土工格室植被防護結構示意圖

3.2 生態防護效果評價

本項目參照上述土工格室植被防護方案的技術要求，依次開展了黃土路基高邊坡的坡面修整、土工格室鋪設與錨固、土工格室回填土、坡面植被種植等工作，其現場實際情況如圖5所示。

為全面評價本項目利用土工格室植被防護黃土路基高邊坡的效果，在施工完成后，項目組對該段路基高邊坡進行了長達2年的不間斷觀測，其結果顯示：該段路基高邊坡在施工及運營過程中整體穩定性較好，未出現坡面剝落、局部溜塌、崩塌等地質災害，且坡面植被成活率高達95%，路側景觀得到大幅提升，取得了較好的防護效果。

圖5 土工格室植被防護現場情況

4 結論

a）利用數值模擬手段對黃土路基高邊坡分析后可知，其沿坡頂-坡腳方向呈現出明顯的弧形塑性區，塑性最大值發生在坡腳處，可見黃土路基高邊塑性區發展主要受剪應力分布的控制；而在豎向位移方面，基本呈現從上到下逐漸減小的分布規律，其豎向位移最大值發生在黃土路基高邊坡頂部。

b）利用土工格室植被防護技術后，黃土路基高邊坡在施工及運營過程中整體穩定性較好，未出現坡面剝落、局部溜塌、崩塌等地質災害，且路側景觀得到大幅提升，取得了較好的防護效果。