路基高邊坡穩定性分析及施工質量控制技術研究

高浩雄

(廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 511450)

1 工程概況

以云浮羅定至茂名信宜(粵桂界)高速公路TJ14標段路基高邊坡為研究對象來分析邊坡塌方成因、穩定性及施工控制技術。TJ14標段主線線路全長10.980 km，起點樁號為K111+620，終點樁號為K122+600，建設標準為雙向四車道，設計速度為100 km/h。公路主線位于信宜市，地質條件較復雜，沿線出現了大量高邊坡。K118+255～K118+500的路塹高邊坡右側第1級邊坡的揭露坡面節理裂隙較為發育，局部順層坡面，需變更設計方案，以維持路塹高邊坡的整體穩定性。本路段地處低緩丘陵，地形起伏較大，坡體地面標高約203.6～263.8 m，自然坡角最大約25°～30°。山體植被發育，生長各種灌木、蕨類植物。坡體組成物質表層為粉質粘土，厚度約4.20～7.10 m，其下為砂質粘性土，厚度約4.40～22.50 m，再下基巖為全風化混合巖，厚度約9.40～22.50 m，其下強風化混合巖，厚度約9.90 m，其下中風化混合巖，未揭露，擬以K118+361為研究對象，展開后續分析。

2 高邊坡順層崩塌原因

2.1 內在因素的影響

(1)地層特性

地層特性是引起路基高邊坡塌方最重要因素之一，相關統計數據表明，60%以上高邊坡塌方事故均與地層巖性密切相關。一般情況下，相對于新地層而言，老地層發生高邊坡塌方的可能性更大；相對于硬質巖層而言，軟質巖層發生高邊坡塌方的可能性更大。云茂高速公路TJ14標段樁號K118+255～K118+500沿線的路塹高邊坡右側第一級邊坡淺層巖性主要為粘性土和全風化混合巖，巖質松散、極易碎，硬度小，路基以深路塹通過該地層，出現塌方可能性較大。

(2)地質構造

路塹高邊坡容易沿著軟弱結構面(節理、裂隙、斷層等)崩塌破壞。地質構造的存在會使地層中的完整巖體變得破碎，不僅在一定程度上降低了巖體本身的強度特性，還給邊坡的崩塌提供了崩塌界面。云茂高速大斷裂形成的斷裂束數目較多、次級線性斷裂構造也較發育，可能導致高邊坡巖體存在斷裂、節理等，而斷裂、節理面中填充物多為鈣質，受力容易碎開，從而導致邊坡崩塌。

(3)巖石成分及風化程度

巖石成分會直接決定巖石的基本力學特性。如粘土遇水膨脹，易崩解；云母是片狀結構，容易順層劈裂。同時，巖石風化會破壞其完整性，產生一定數量的裂隙，使巖體呈碎塊狀或松散狀。其中微風化和弱風化巖石對高邊坡的穩定性影響不大，全風化和強風化巖質高邊坡更容易崩塌。

2.2 外在因素的影響

(1)降雨

強降雨往往是導致路基高邊坡崩塌的“導火線”。在降雨期間，雨水可能順節理、裂隙滲進邊坡巖土體，一方面會使邊坡巖土體的容重增加，作用在潛在滑動面上的豎向荷載也增加；另一方面，邊坡巖土體在雨水作用下抗剪強度和抗拉強度降低，容易沿著軟弱結構面滑動而導致邊坡塌方。

(2)邊坡開挖

如果路塹高邊坡在開挖期間未能及時封閉坡面，在凍融循環、干濕循環、強降雨等因素的影響下，可能加劇邊坡巖土體風化程度，并形成新風化面，從而導致邊坡巖土體抗剪強度降低而坍塌。

3 高邊坡穩定性計算

3.1 高邊坡計算方法

針對路塹高邊坡穩定性計算，《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)中主要介紹了兩種方法：(1)對于普通的碎裂結構巖體邊坡或土質邊坡宜采用簡化畢肖普法；(2)規模較大或邊坡破壞機制復雜的路塹高邊坡宜采用簡化畢肖普和數值計算法綜合評估高邊坡的穩定性。

(1)簡化畢肖普法

簡化畢肖普法模型簡單，計算精度高，屬于剛體極限平衡法的范疇，該方法是將滑坡體劃分成n個寬度相同的垂直條塊，假設各條塊間只存在水平條間力和豎向條間力且均等于0，并以滑動圓弧的圓心為力矩中心點，計算得到抗滑力矩與下滑力矩的比值(邊坡安全系數)，計算公式如下。

式中：W為第i條條塊的重力，kPa；bi為第i條條塊的寬度，m；ci為滑面粘聚力，kPa；φi滑面內摩擦角，°；αi圓弧底面傾角，°；ui為孔隙水壓力，kPa。

(2)數值計算法

隨著計算機技術的飛速發展，數值計算法在巖土計算領域地應用日益普遍，一般包括有限元法、有限差分法、離散元法等，其中有限元法的應用最廣泛。有限元法用于分析邊坡穩定性時，能將其安全系數與滑動面位移、應力、塑性區等聯系起來，能更好地分析路基高邊坡失穩變形機制。

3.2 高邊坡計算參數及計算結果

采用理正巖土6.5軟件對K118+361斷面的路塹高邊坡變更設計前的穩定性展開分析，考慮了兩種計算工況：正常工況：邊坡處于天然狀態。非正常工況：邊坡處于暴雨或連續降雨狀態，降雨強度取25 mm/h。

(1)邊坡巖土體參數

根據該段勘察設計資料及巖土報告，高邊坡巖土體的基本物理力學參數如表1。

表1 邊坡巖土體計算指標

(2)邊坡變更前安全系數

高邊坡變更設計之前采用客土噴播植草，理正巖土計算出的安全系數為1.24，最大水平位移發生在第一級邊坡的坡腳附近，達到了35.2 mm。但是，隨著降雨的增加，邊坡安全系數不斷減小，但減小速率逐漸變慢。即當降雨時間小于150 min，高邊坡安全系數迅速從1.24降低至1.05，降低幅度為15.3%。當降雨時間超過250 min，高邊坡安全系數基本保持在1.02左右不變。出現這種現象的主要原因在于：隨著降雨時間的增加，滲入邊坡內部的雨水量越多，使得坡體的負孔隙水壓力減小較快，邊坡巖土體抗剪強度參數減小，從而導致邊坡安全系數降低。

綜上，高邊坡降雨后安全系數均小于《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)的規定值1.2，同時邊坡潛在滑動面出現在邊坡較淺，坡體存在坡體沿軟弱結構面向下滑移的可能性，故認為該高邊坡施工及運營期間存在一定的安全隱患，需變更設計方案。

高邊坡第一級變更設計之前采用客土噴播植草，第一次變更后采用錨桿框架梁+客土噴播植草。由于高邊坡開挖期間仍出現局部崩塌現象，故第二次變更是將邊坡垮塌部分用M7.5漿砌片石修補后，仍維持原變更方案。高邊坡變更方案對其穩定性的提高主要體現在兩個方面：一方面，錨桿框架梁中的錨桿將內力傳遞至邊坡內部的穩定巖土體，改變邊坡的應力分布狀態；另一方面，漿砌片石修補垮塌部分會提高邊坡表層巖土體完整性，減小雨水入滲對邊坡強度的影響。

每根全長粘結錨桿可視作一個約束點，各約束點均可提供正壓力和上提力，前者可以阻止滑坡體與穩定巖土體分離，后者可以阻止滑坡體的下滑。當這些約束點的數目、位置和強度布置合理時，才能夠充分發揮錨索的錨固作用，使邊坡保持穩定狀態。同時，很多學者也認為錨桿的長度和角度會直接影響錨桿框架梁的加固效果。為了得到最優的錨桿長度和錨固角度，利用理正巖土進行多次試算，得到了正常工況和非正常工況下邊坡的安全系數，如圖1所示。其中錨桿角度分別取12°、15°、18°、20°、22°，錨桿長度分別取3 m、6 m、9 m、12 m、15 m。

圖1 不同錨桿參數下邊坡安全系數

計算結果表明：正常工況和非正常工況下，高邊坡安全系數均隨著錨固角度的增加呈先增加后降低的趨勢。當錨桿傾角為18°時，高邊坡安全系數達到最大值。同時，隨著錨桿長度的增加，錨桿的錨固效果改善，邊坡安全系數持續增加，但增長速率逐漸變緩。即當錨桿程度不超過9 m時，邊坡安全系數與錨桿長度基本呈線性正相關，提高速率較快；當錨桿長度大于9 m時，邊坡穩定性增長幅度不大。錨桿加固長度15 m相對于9 m，施工難度提高，施工成本增加，但邊坡的安全系數僅僅提高了3.1%。因此，該高邊坡在使用錨桿框架梁進行防護時，錨桿最優錨固角為18°，最優長度為9 m，此時邊坡安全系數為1.36，滿足路基設計規范的要求。

(4)高邊坡施工質量控制措施

高邊坡在開展施工之前要按照“集中領導、職責明確、提高效率、有利協調”的原則，建立完善的施工作業組織機構，然后再制定完整質量控制措施等，主要包括以下幾個方面。

邊坡開挖：由于高邊坡表層巖土體較破碎，不宜采用光面爆破和預裂爆破。根據高邊坡所處的地形、地質情況，可通過淺孔爆破和中深孔爆破相結合的方法來開挖邊坡。邊坡爆破完成后，如果還殘存較大巖石塊，可利用機械進行二次破碎，并修整坡面。

錨桿框架梁施工：先施工3孔錨桿開展抗拉拔試驗，以確保錨桿設計錨固力滿足要求。錨桿框架梁加固邊坡應先施工錨桿，再澆筑框架。其中錨桿的施工最為關鍵，其施工質量的好壞直接影響到邊坡的處治效果，錨桿的施工流程主要包括：鉆孔→高壓風清孔→安裝錨桿→灌注水泥砂漿。

客土噴播：噴播植草要選擇適當的施工時間(春秋季最佳)。通常是利用噴射機物將綠化基材、種植土壤、草種等按比例噴射到坡面，噴播完成后覆蓋無紡布來減少邊坡表面水分蒸發，促進種子發芽生長，草種成活率不得低于90%，否則要進行補植。

5 結 語

分析了公路高邊坡塌方的原因、穩定性計算方法及變更前后邊坡安全系數，主要得到以下幾個結論。

(1)高邊坡順層崩塌的原因主要有地層巖性、地質構造、巖石成分及風化程度、邊坡幾何參數、強降雨、施工開挖等因素；

(2)規模較大或邊坡破壞機制復雜的路塹高邊坡宜采用簡化畢肖普和數值計算法相結合來評價其穩定性，并注意強降雨對邊坡安全系數的降低作用；

(3)高邊坡安全系數會隨著錨固角度的增加先增加后降低，且隨著錨桿長度增加持續增加，但增長速率逐漸變??；

(4)高邊坡施工期間應從邊坡開挖、錨桿框架梁施工、客土噴播等方面建立嚴格的質量控制措施。