山區(qū)高速公路的邊坡勘察設計常見問題研究

尹文鋒，蔡鵬

（長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，武漢 430010）

1 引言

隨著我國基礎交通設施建設的持續(xù)推進，山區(qū)高速公路工程得到了快速發(fā)展，同時，也帶動了經(jīng)濟的快速發(fā)展和區(qū)域交流范圍的擴大。如果技術人員在勘察設計中對邊坡破壞理論、邊坡破壞形式以及邊坡存在的問題沒有足夠的了解，則不能針對邊坡的失穩(wěn)破壞提出相應的解決方案和技術指導，最終造成設計失誤、項目建設滯后、工程造價提高，嚴重時還會發(fā)生安全事故，導致人員傷亡[1]。針對此現(xiàn)象，我國相關學者進行了一系列的分析研究。如嚴廣義等[2]結(jié)合工程經(jīng)驗提出了山區(qū)公路工程勘察期間會存在的地質(zhì)問題，并針對不良地質(zhì)路段的邊坡勘察重點進行了歸納總結(jié)；袁從華等[3]以某山區(qū)高速公路為研究對象，通過現(xiàn)場調(diào)查和理論計算，分析了邊坡巖土體強度隨降雨量的增加而弱化的規(guī)律，并提出抗滑樁加固邊坡的處置措施，以降低邊坡發(fā)生破壞的可能性。因此，研究山區(qū)高速公路的邊坡勘察設計常見問題及解決措施具有十分重要而現(xiàn)實的工程意義。

2 山區(qū)公路邊坡破壞形態(tài)及失穩(wěn)機理

2.1 公路邊坡失穩(wěn)類型

山區(qū)公路邊坡失穩(wěn)類型主要包括整體破壞和局部破壞兩大類。整體破壞包括邊坡整體崩塌、坍塌等，會阻礙甚至中斷交通；局部破壞包括邊坡坡面侵蝕、剝落、溜坍等，對高速公路的正常通車影響較小，具體分類如圖1 所示。

圖1 山區(qū)公路邊坡破壞類型

2.2 公路邊坡破壞機理

由于山嶺地區(qū)存在地形地貌變化大、地質(zhì)條件復雜、區(qū)域氣候差異明顯等特點，使山區(qū)高速公路邊坡失穩(wěn)破壞的原因較為復雜。公路邊坡被破壞的現(xiàn)象是由各種綜合原因?qū)е碌模⒎且粋€因素決定的，本文通過對邊坡破壞案例進行梳理，總結(jié)了以下3 個方面的因素。

2.2.1 地質(zhì)因素

山區(qū)高速公路的主要特點有：地形復雜、地質(zhì)變化多樣、邊坡較高坡度較陡、巖土體參數(shù)（包括容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角等）不一致。地質(zhì)條件對邊坡穩(wěn)定性的影響包括：地層中存在斷層、節(jié)理、片理等結(jié)構(gòu)面，且結(jié)構(gòu)面的走向、角度會對邊坡穩(wěn)定性造成一定的影響。

2.2.2 水的因素

依據(jù)以往數(shù)據(jù)可知，山區(qū)雨水較為充沛，降雨量大，在雨季更容易發(fā)生公路滑坡，所以，在研究公路邊坡問題時，必須考慮水的因素。水會通過路面結(jié)構(gòu)層滲到路基內(nèi)，使邊坡土體的力學性能發(fā)生改變，使土體的抗剪強度降低，減小邊坡土體的抗滑力，并且使邊坡土體的天然重度增大，水壓力升高，最終導致邊坡的下滑力增加。

2.2.3 人為因素

人為因素貫穿公路工程的全生命周期，在設計初期，邊坡參數(shù)、基本地質(zhì)情況、排水等數(shù)據(jù)都需要勘察精準，在勘察過程中也要著重注意鉆孔布置和勘察方法，根據(jù)勘察數(shù)據(jù)進行合理設計。此外，還需要考慮公路的載重量、車流量等，在設計過程中，要結(jié)合實際情況爭取實現(xiàn)最大價值。

3 山區(qū)公路邊坡地質(zhì)勘察設計常見問題

3.1 工程案例

某山區(qū)高速公路全長44.5 km（含2 處互通立交），路線（右線）起訖樁號為K3+140～K47+640，路基寬度為26 m，道路采用雙向四車道，設計速度為100 km/h。道路全線橫坡設置為2%，全線最大縱坡為6.7%。路面材料為瀝青混凝土。工程所處區(qū)域地質(zhì)較為穩(wěn)定，無單層及活動斷層。邊坡坡度較陡，高度較高。坡體主要為巖質(zhì)邊坡，裂隙較發(fā)育。項目所在地的特殊土為軟土、可溶性巖石。其中，軟土地基承載力不滿足路基填筑要求，需要進行處理，且溶洞發(fā)育情況不明。

3.2 邊坡勘察可能存在的問題

目前，山區(qū)高速公路在開展工程勘察作業(yè)時，主要采用的方式還是傳統(tǒng)的人工槽探、坑探、鉆探，以點帶面地進行地層劃分。這樣的方式有很多弊端，不僅影響勘察效率，而且成本比較高。如果山區(qū)內(nèi)存在一些特殊的地質(zhì)情況，會造成勘測結(jié)果精準度不高，可能造成誤判，在設計和施工、運營過程中造成重大安全隱患。

3.3 邊坡設計可能存在的問題

進行該項目的邊坡設計時，需要對沿線情況進行深度研究。本項目可能存在高填方路堤和深挖方路塹，設計前，如果沒有對邊坡性質(zhì)以及土質(zhì)情況等進行深入分析與研究，可能會導致邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。

山區(qū)高速公路的邊坡設計一般包括高度、坡度、加固措施和排水系統(tǒng)等。在設計中，容易出現(xiàn)以下問題。

3.3.1 坡高不合理

路堤的填土高度和路塹的挖土深度會對項目的造價產(chǎn)生影響，同時，還會影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。坡高較低，地下水較為豐富的地段，當雨季來臨時，會使路基土的含水量快速增加，形成水損害，造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，影響行車安全。

3.3.2 坡度不合理

道路邊坡的坡率有時會受到道路紅線的控制，因此，坡率較陡，此時會增加邊坡失穩(wěn)的可能性，導致自然災害的發(fā)生。當邊坡坡率較緩時，會占用較大面積的耕地、林地等，增加項目的造價。

3.3.3 防護加固措施選擇不當

在選擇防護加固措施的過程中，要因地制宜，結(jié)合山區(qū)的實際情況，考慮綜合的地形特點、水文特點、當?shù)丨h(huán)境、當?shù)厝宋牡惹闆r，設計更符合實際的方案，充分發(fā)揮方案的作用。

4 提高山區(qū)公路邊坡勘察設計水平的措施

4.1 對特殊路段加強勘察

由于地層結(jié)構(gòu)較為復雜，不同地質(zhì)條件下可能存在巖溶、軟土等地層，且發(fā)育形態(tài)不同，因此，給地質(zhì)勘察增加了難度。傳統(tǒng)的勘察技術已經(jīng)不能滿足人們對技術信息的需求，因此，人們開始使用地球物理勘探和遙感技術對特殊地層進行勘察。地質(zhì)雷達的工作原理是利用超高頻脈沖電磁波傳遞廣譜電磁，當發(fā)射的高頻電磁波在地層中的介電常數(shù)存在較大差異時，電磁波開始反射，然后被天線接收，最后通過傳播速度和行程對溶洞位置和范圍進行計算。該方法的工作原理如圖2所示。遙感技術工作原理是通過電磁波來探測目標。該方法的優(yōu)點是可以更好地反映地質(zhì)構(gòu)造的空間特征，同時，成像視域廣闊、信息量大。

圖2 地質(zhì)雷達工作原理圖

4.2 優(yōu)化設計邊坡坡率和高度

對邊坡坡高和坡率進行計算時，應考慮生態(tài)理念、行車舒適性以及安全性等因素。邊坡的坡高及坡率對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起到了決定性作用。通過從業(yè)多年的設計經(jīng)驗，對依托項目的邊坡高度進行取值，每級邊坡高度為10 m，平臺寬度為2 m，在滿足安全系數(shù)的前提下，對邊坡坡率進行取值。通過規(guī)范可知，填方邊坡可選坡率為1∶1、1∶1.5、1∶1.75、1∶2。路塹開挖時應采用臺階式，可選坡率為1∶0.75、1∶1、1∶1.5。當邊坡高度較高，應進行卸載時，需在坡體中部開挖6～8 m 寬的平臺，從而使滑動面上的土體重量減少，減少坡腳處的應力集中，邊坡橫斷面設計圖如3 所示。

圖3 山區(qū)高速典型斷面邊坡防護措施

4.3 加強邊坡防護設計

對公路邊坡進行防護設計時，主要原則為“減載、固腳、強腰”，并對其進行穩(wěn)定性計算，對安全系數(shù)進行分析。當安全系數(shù)不相同時，對邊坡采取的防護措施也不相同。

1）當安全系數(shù)＞1.2 時，表明邊坡較為穩(wěn)定，對于此類邊坡進行防護設計時，應保證坡率不變，加強坡面的防護和排水。

2）當安全系數(shù)范圍為1～1.2 時，表明邊坡穩(wěn)定性較差，需進行必要的防護。在進行設計時，應先對坡率進行放緩，同時進行卸載，以提高安全系數(shù)。當卸載受限時，應對邊坡進行支擋和削方。

3）當安全系數(shù)＜1 時，說明該邊坡的穩(wěn)定性很差，應對其進行支擋加固。如邊坡采用錨索框架梁進行加固，同時，利用方格骨架進行防護，最終保證邊坡的穩(wěn)定系數(shù)大于規(guī)定值。

5 結(jié)語

本文對山區(qū)高速公路邊坡破壞類型、失穩(wěn)機理、勘察設計存在的問題及解決方案展開了深入研究，主要得到以下4 方面的結(jié)論：

1）山區(qū)公路邊坡失穩(wěn)破壞主要分為整體破壞和局部破壞。邊坡失穩(wěn)破壞并不是單一影響因素造成的，而是多種因素共同影響的結(jié)果。

2）目前，山區(qū)公路邊坡勘察存在勘察效率低、勘察成本高、無法查明地下是否存在軟弱巖土體等問題，可采用地球物理勘探和遙感技術等新興勘察技術來加強特殊路段勘察工作。

3）山區(qū)公路邊坡設計問題一般體現(xiàn)在邊坡高度、邊坡坡度、邊坡加固措施、邊坡排水系統(tǒng)設計等方面。

4）邊坡的坡高及坡率確定時應對力學計算、生態(tài)理念、行車舒適性及安全性等因素綜合考慮，同時，邊坡加固設計應當遵循“減載、固腳、強腰”的原則。