山區公路巖質深路塹邊坡設計探討

□文/柏正云 代茂華

山區公路中巖質深路塹邊坡較多，其穩定性至關重要，是設計中的重難點。每一個深路塹邊坡都需要進行工點設計，由于地質的復雜性和計算方法的有限性，在設計過程中需要綜合應用多種分析計算方法。本文以G350線倉山—中江段公路改建工程項目為背景，對山區公路巖質深路塹邊坡的設計進行研究。

1 工程概況

項目位于四川省德陽市中江縣，路線大體為南北走向，南起中江、大英縣界勝利橋，北止于中江大道，全長66.032km，主線為一級公路。K0+000～K47+000段設計速度60 km/h，路基寬23 m；K47+000～K66+032.188段設計速度80 km/h，路基寬30 m。

全線共40 處深路塹邊坡，本文以其中一處典型的深路塹邊坡為例進行探討。見圖1。

圖1 深路塹邊坡設計斷面

初步擬定一級邊坡10 m，坡率1∶0.75；二級邊坡10 m，坡率 1∶0.75；三級邊坡10 m，坡率 1∶0.75；四級邊坡9.55 m，坡率1∶1；邊坡平臺寬度為2.0 m。

2 地質條件

該段深路塹高約42.5 m，根據地質調繪、鉆探和區域地質資料，場地揭示地層：

1）素填土，主要分布于破體表面，黃褐色，濕，松散，以黏性土為主，含鐵質、砂團、卵礫石、碎石塊等，呈欠壓實狀態，為新近堆積填土，厚度約0.4 m；

2）黏土，褐紅色，可塑，主要由黏粒組成，夾碎巖塊、碎石屑，含鐵錳質礦物，干強度中等、韌性中等，厚度為1～1.3 m；

3）強風化粉砂巖，褐紅色，節理裂隙發育，巖質較軟，錘擊易碎，巖芯破碎呈碎塊狀，層位和層厚變化較大，厚度為0.7～2.7 m；

4）中風化粉砂巖，褐紅色，節理裂隙較發育，巖質較軟，錘擊不易碎，巖芯較完整呈短柱或長柱狀，層位較深，連續性較好，層厚變化較大，未揭穿，最大揭示厚度為19.2 m；

5）中風化泥質粉砂巖，褐紅色，節理裂隙較發育，巖質較軟，錘擊不易碎，巖芯較完整呈短柱或長柱狀，以透鏡體的形式存在，厚度為6.2～8 m。

場地分布的地下水主要為上層滯水、基巖裂隙水。

1）松散土層上層滯水分布較廣，對路基有較大的影響，主要分布于表層土體中，受大氣降水補給，以蒸發、徑流方式排泄，具有補給快、表層易形成飽水帶的特點，對工程特性影響較大。

2）基巖裂隙水主要為大氣降雨入滲及上覆含水層補給，主要賦存于巖石強、中等風化帶張開型節理、裂隙中；中等風化帶的導水性和富水性主要受構造裂隙控制，具有各向異性；強風化帶內風化裂隙較密集，裂隙貫通性較好，可以為地下水的富集提供良好空間，因此強風化帶在巖體較破碎的情況下，地下水量較豐富，透水性等較好，常形成局部富水段，對路塹邊坡工程有一定影響。總體上，基巖裂隙水發育具有非均一性。

3 破壞模式及計算方法

在巖質邊坡中，巖體的失穩與破壞主要受巖體內結構面的控制，它們之間的空間分布位置、組合關系和結構面的物理力學性質等，對邊坡的穩定都起著至關重要的作用［2］。一般來說，破壞模式有三種，平面破壞、楔體破壞、傾倒破壞；可采用赤平投影法來進行初步的定性判斷，平面破壞和傾倒破壞可以采用不平衡推理法進行定量計算，而楔體破壞的定量計算雖然也有三維楔形體分析法，但是其計算參數較難獲取且由于結構面的復雜性和變異性較大，計算結果往往差別很大[2]。

邊坡穩定性計算方法應根據邊坡類型和可能的破壞形式，按下列原則確定[1]：

1）規模較大的碎裂結構巖質邊坡和土質邊坡宜采用簡化Bishop法計算；

2）對可能產生直線形破壞的邊坡宜采用平面滑動面解析法進行計算；

3）對可能產生折線形破壞的邊坡宜采用不平衡推力法計算；

4）對結構復雜的巖質邊坡，可配合采用赤平投影法和實體比例投影法分析及楔形滑動面法進行計算；

5）當邊坡破壞機制復雜時，宜結合數值分析法進行分析。

該邊坡表層坡度較陡，覆蓋層為黏土及強風化粉砂巖且厚度較薄，此二元結構層安全性隱患較大，可采用簡化Bishop法進行安全系數的計算；下部的中風化層為完整的巖層，結構面較為復雜，可能沿薄弱結構面產生滑動，也可能存在楔形體滑動面，定量計算不再適用，可采用赤平投影法分析，其中強風化粉砂巖和中風化粉砂巖結構面及中風化粉砂與中風化泥質粉砂巖結構面容易形成直線或折線形滑動面，可采用不平衡推力法進行安全系數的計算。

4 邊坡穩定性分析

采用赤平投影法對本段深路塹邊坡進行定性分析。

區內巖層產狀55°∠4°。主要發育兩組節理裂隙，節理1為91°∠88°，節理2為190°∠84°。裂隙一般發育，呈閉合-微張，無充填或少許泥質充填，無充水，結合一般。人工開挖道路右側巖質邊坡坡向為226°。根據結構面及邊坡走向，作極射赤平投影，見圖2。

圖2 極射赤平投影

巖層與邊坡走向小角度相交，為緩傾逆向坡，屬于穩定結構，對邊坡穩定性無不利影響；巖層與節理1、節理2的組合交線均位于邊坡對側，說明組合交線的傾向于邊坡傾向相反，屬于穩定結構，對邊坡穩定性無不利影響。節理1、節理2 同開挖邊坡面大角度相交，屬于較穩定結構，對邊坡穩定性影響較??；節理1 與節理2 組合交線位于開挖邊坡的同側，但在邊坡投影弧內側，說明結構面組合交線的傾角大于邊坡傾角及開挖傾角，屬于較穩定結構，對邊坡穩定性影響較小。

邊坡基巖主要為粉砂巖、泥質粉砂巖、砂質泥巖為主，巖層屬于層狀平疊結構，產狀接近水平，巖體多呈互層和層間錯動帶，常為貫穿性軟弱結構面。根據赤平投影分析結果易產生平面破壞及楔形破壞。

5 邊坡穩定性計算

邊坡穩定性計算應考慮天然狀態、連降暴雨作用及地震作用[2]。由于該區域地震設防烈度為6 度，故只需考慮兩種工況：工況一自重，工況二自重+暴雨。

自重是邊坡體受到的重力，地下水位以上按天然重度計算，地下水位以下取飽和重度計算；暴雨對邊坡的作用表現為經入滲或徑流改變地下水位以及地下水位以上邊坡體和潛在滑動面的含水量，從而改變邊坡體自重、動水壓力和浮托力等荷載以及邊坡體和潛在滑動面抗剪強度參數，進而影響邊坡體的穩定性。

邊坡穩定性計算的參數包括坡體土層重度、黏聚力和內摩擦角。在天然狀態時（工況一），地下水位在潛在滑動面以下，自重計算取天然重度，抗滑力計算取天然黏聚力和內摩擦角；連降暴雨時（工況二），整個邊坡體因降雨入滲而處于飽和狀態，自重計算取飽和重度，抗滑力計算取飽和黏聚力和內摩擦角。根據工作區巖土體物理力學性質試驗指標及經驗值取值，見表1。

表1 邊坡穩定性計算巖土體參數

本次邊坡穩定性計算采用理正邊坡穩定分析軟件，由計算機進行條塊劃分和潛在滑動面搜索。在天然狀態下的邊坡穩定安全系數＞1.2；連續暴雨時邊坡穩定安全系數＞1.1，邊坡處于穩定狀態，根據這一判定原則，對邊坡穩定性計算。

5.1 覆蓋層

采用簡化BISHOP 法對覆蓋層進行穩定性計算。工況一的邊坡穩定安全系數為0.75＜1.2，工況二的邊坡穩定安全系數為0.65＜1.1；均處于不穩定狀態。

5.2 可能產生滑動的結構面

采用不平衡推力法對可能產生滑動的結構面進行穩定性計算。

1）滑動面1：強風化粉砂巖與中風化粉砂巖結構面。工況一的邊坡穩定安全系數為0.88＜1.2；工況二的邊坡穩定安全系數為1.001＜1.1；均處于不穩定狀態。

2）滑動面2：中風化粉砂與中風化泥質粉砂巖結構面。工況一的邊坡穩定安全系數為10＞1.2；工況二的邊坡穩定安全系數為8.9＞1.1；均處于穩定狀態。

6 設計處治措施

根據以上邊坡穩定性分析及計算結果并結合當地類似工程的調查，該深路塹邊坡初步擬定的坡形、坡率及平臺寬度基本合理。邊坡覆蓋層有滑塌的風險，強風化粉砂巖與中風化粉砂巖結構面易形成滑裂面且存在楔形破壞的可能，尚無法進行定量的計算，故總體上處于不穩定狀態，需進行加固處理。楔形體滑動面很難界定，錨桿加固能有效的預防楔形體的滑動，通過對當地的已建公路項目的調查，40 m以上邊坡大都采用了錨桿框架梁進行加固，故本工程對深路塹邊坡的一、二、三、四級邊坡均采用錨桿框架梁加固。

框架梁采用C30 鋼筋混凝土現澆，為矩形框架，截面寬度30 cm，嵌入邊坡設計坡面內20 cm。一級坡設置3 排8 m 全長黏結型錨桿固腳，二、三級坡設置3排10 m全長黏結型錨桿強腰，四級邊坡采用框架梁鎖口。錨桿水平間距3 m，入射角度為20°，鉆孔直徑90 mm，采用?32 mmHRB400 鋼筋，設計拉力 144 kN。另由于地下水位于一、二級坡處，故考慮在坡腳處設置一排仰斜式排水孔，降低地下水位，防止水在坡腳處飽和，產生坡腳小弧滑動面[3]。見圖3。

圖3 錨桿框架梁加固

對錨桿框架梁加固后的深路塹邊坡進行穩定性驗算。

6.1 覆蓋層

1）工況一的邊坡穩定安全系數為1.25＞1.2，工況二的邊坡穩定安全系數為1.14＞1.1；均處于穩定狀態。

6.2 滑動面1

工況一的邊坡穩定安全系數為1.22＞1.2，工況二的邊坡穩定安全系數為1.12＞1.1；均處于穩定狀態。

7 結論

1）山區公路巖質路塹邊坡破壞模式分為平面破壞、傾倒破壞及楔形破壞，其中楔形破壞難以定量計算，只能定性分析，采取加固措施，減小破壞風險。故山區公路巖質路塹邊坡穩定性以定量分析為基礎，采用赤平投影法，以定量計算為主要手段，根據滑動面的形狀：圓弧滑動面采用簡化BISHOP法、直線或折線形滑動面采用不平衡推力法。

2）巖質深路塹穩定性需要綜合考慮多方面的因素：對土質和強風化巖層的覆蓋層進行穩定性計算，此二元結構層安全隱患較大；對邊坡中存在的順坡向的結構面進行穩定性計算，此結構面易形成滑裂面；通過赤平投影法分析是否存在楔形體滑動面，以便確定是否需要加強防護。

3）考慮到巖質路塹邊坡結構面的復雜性，建議采用工程類比法，結合當地已建工程經驗，采取合理的加固措施。