公路工程高邊坡設計的關鍵問題探討

鐘賢飛

(中榕規劃設計有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引 言

隨著公路建設不斷向山區推薦，在選線時無法避免山區等特殊地貌，在山地修建公路時，往往需要進行高填深挖，打破原有的力學平衡，出現大量高陡的人工邊坡，大量的高邊坡在強降雨、地震等不良環境作用下，會出現滑坡、崩塌、泥石流等地質災害，因而需要對高邊坡進行合理的設計。在設計中，關鍵的問題是根據地質對邊坡的失穩破壞類型進行判別，從根源選取合理的措施對邊坡進行防護，起到事半功倍的作用。

本文介紹四種常見的地質模型，坡殘積土邊坡、風化土邊坡、巖石邊坡、堆積體邊坡，介紹其失穩破壞的機理，并總結歸納邊坡破壞的類型，然后介紹各類型邊坡設計的要點。

1 高邊坡失穩破壞機理

高邊坡工程設計的前提是應該根據邊坡的工程地質條件，對邊坡失穩破壞的模式和機理進行分析，從而選擇合理的防護措施，以下將介紹常見的四種破壞地質模式。

1.1 坡、殘積土邊坡

此類邊坡由表層覆蓋的坡積土和下伏的殘積土組成，此類邊坡既可以出現淺層滑坡，也可能出現深層滑坡。淺層滑坡主要是表層坡積土自穩性差，在開挖后，沿著殘積土頂面滑動，或者出現表層崩塌破壞，如圖1(a)所示；而深層破壞，則是由于坡體的破壞延伸至殘積土層，滑面侵入下伏的殘積土，如圖1(b)。

圖1 坡、殘積土邊坡破壞機理分析

對于淺層破壞，是由于表層坡積土的松散，顆粒間的粘結作用差，空隙大，且受力不均，導致表層土的自穩性較差，開挖后，在主動或者被動土壓力作用下，坡表土層出現小規模崩塌破壞，或者當坡積土的自重在殘積土頂面的下滑力超過了滑面的抗滑力，而出現滑坡。深層破壞，主要是由于坡體在自重作用下，在深層形成一個最大的剪應力作用面，當該工作面上的剪應力超過土體的抗剪強度后，坡體內部將出現一個塑性區，塑性區發展，最終形成危險的滑面，邊坡將沿其發生滑動破壞，這種破壞表現為均層狀。而如果邊坡開挖后，邊坡以殘、坡積土為主，下伏基巖，而在殘、坡積土與基巖之間為剛性接觸，上層坡體在自重作用下，沿著基巖頂面產生下滑力，而在與基巖的光滑接觸面上，坡體出現較大的下滑力，而抗滑力較小，應力在接觸面上出現重分布，導致在接觸面上出現應力集中，其破壞表現為基底控制型。

1.2 風化土巖邊坡

邊坡在開挖后，清除風化殼，揭露的巖層多為全風化或者強風化的巖層，滑坡和崩滑多沿著強風化與下部輕微風化的接觸面出現，在花崗巖地區尤為常見。此類破壞多發生在風化層與微風化或者微風化的基巖接觸面上，沿著基巖頂面產生較大的下滑力，而在接觸面上，抗滑力較小，應力擴散到接觸面上時，出現應力突變，繼而應力在接觸面上出現重分布，其破壞表現為基底控制型。

1.3 巖石邊坡

巖石邊坡，其破壞多數是因為巖體被結構面切割，或者巖體受不利結構面控制，上部的坡體受到自重作用出現下滑力，而在結構面上的抗滑力遠小于下滑力，導致邊坡沿著不利結構面下滑，或者是，上部巖體被多組結構面切割，而結構面較陡，邊坡開挖后，出現臨空面，巖體失去支撐，在地震、強降雨作用下，出現傾倒型破壞。

1.4 崩、滑、流堆積邊坡

對于主要是由崩塌體組成的邊坡，根據崩塌體的特點，在邊坡開挖后，邊坡的坡腳被清除，崩塌體失去支撐而出現臨空面，導致崩塌堆積體失穩，其滑面多為自然穩定角或者是穩定的結構面構造面，或者是崩塌體的堆積面。其破壞可以是均勻型、基底控制型、或者是固定滑面型。而對于由滑坡體組成的邊坡，在邊坡開挖過程中，滑坡體在坡腳的支撐被去除，使滑坡體原有的力學平衡被破壞，激活滑坡體。對于泥石流的堆積體，其含水量較高，且地下水較為豐富，而巖土體的強度低，易出現滑塌破壞。

2 邊坡設計要點分析

在邊坡工程中，常用的工程措施有路線規避、放坡、坡面防護(圬工或生態)、支擋工程、錨固、坡體改良、生態防護等，而在實際的工程中，并非選取一種措施，往往是多種措施聯合使用，而措施的選擇需結合邊坡的破壞類型才能確定，因此，在設計前，應判斷邊坡可能的破壞類型。

根據前文的分析，將邊坡地質模型繼續深化，從破壞形態出發，總結出邊坡破壞的四種典型斷面，并根據破壞的特征，總結治理措施，并提出相應的設計要點。

2.1 均勻層狀地層邊坡治理

根據計算和工程實例，均勻層狀的邊坡在坡腳位置易出現應力集中現象，且破壞類型多為剪切破壞，因而設計的關鍵點應該是改善緩解邊坡坡腳應力集中的現象，通過采取工程措施，比如擋土墻，以提高坡腳抗剪切變形的能力，同時還應結合刷坡、或者在邊坡中上部設置抗滑樁、錨桿(索)，還要結合完善防排水措施。

2.2 基巖控制型邊坡治理

基底控制型邊坡，覆蓋層下面為微風化或者中等風化的基巖，比如坡表土體為堆積層、風化層等，邊坡的破壞主要是沿著基巖頂面滑移，因此邊坡設計的關鍵是如何減小下滑力，并提高滑動面的抗滑力，典型設計如圖2所示。

圖2 基巖控制型邊坡治理示意圖

2.3 結構面控制型邊坡治理

此類邊坡多為受結構面控制的土質或者巖質邊坡，邊坡結構面發育，被多組結構面切割，巖土體破碎，坡體沿著結構面出現滑移，也會出現前部坡體滑動后后部坡體失去可靠支撐繼而出現滑移，因而此類邊坡設計的要點應該是控制不穩定巖體沿著結構面滑移，并提高坡腳的抗滑力。典型設計方案如圖3所示。

圖3 結構面控制型邊坡治理示意圖

2.4 固定滑面邊坡防治

對于如老滑坡等一些巖石邊坡或者受結構面控制的土質或者土巖邊坡，坡體在滑坡推力作用下沿著結構面滑移，此類邊坡設計的要點就是減少坡體沿著結構面的下滑力，并增加坡腳或者坡體內部的抗滑力，可以通過刷坡卸載或者錨固以減小下滑力，設置擋墻、抗滑樁、反壓等提高抗滑力，典型斷面設計如圖4所示。

圖4 固定滑面控制型邊坡治理示意圖

3 結 論

本文從坡殘積土邊坡、風化土邊坡、巖石邊坡、堆積體邊坡等四種邊坡地質模型出發，介紹各自的失穩破壞的機理，歸納邊坡破壞的類型，然后介紹各類型邊坡設計的要點，具體結論如下：

(1)邊坡設計的前提是判別邊坡的地質模型和失穩破壞的類型，然后從機理出發選取合理的工程措施；

(2)邊坡設計應堅持以防為主，防治結合的治理思想，堅持工程措施與防排水措施并重，工程措施應從坡頂、坡中、坡腳全面考慮，有重點的進行防護設計。