濕陷性黃土高邊坡處治方法探討

趙 鵬

(中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089)

0 引 言

濕陷性黃土高邊坡的處治是關系到整個項目施工期、運營期的安全性的重要影響因素。如何經濟合理的處治濕陷性黃土高邊坡一直是工程設計中的一個重難點。吳海剛研究認為，黃土高邊坡的處治重點為路塹平臺，并提出了重平臺防護、弱坡面防護，并設置寬平臺的處治原則；何浪、王振文等人通過有限元對黃土高邊坡的穩定性進行了模擬分析，結果表明整體邊坡的坡腳位置存在明顯的應力集中現象，引起邊坡剪切破壞的主要原因是這些在坡腳形成的剪應力增高帶。且在動力作用下路塹坡頂的穩定性最差；呂菲等人通過野外人工降雨試驗及數值模擬分析，研究了降雨對黃土邊坡穩定性的影響，結果表明通過設置適當的防排水措施，可有效的提高黃土邊坡的穩定性；王鮮等人通過室內模擬實驗，對降雨的沖刷破壞機制進行了研究，結果表明降雨對黃土邊坡的沖刷破壞機制可分為：降雨沖擊、吸水軟化和面溝切割；葉萬軍等人對黃土邊坡的綜合坡率進行了研究并推導出了理論公式。陳蘇等人通過黃土邊坡離心試驗，對邊坡開挖過程中，黃土路塹邊坡的應力變化過程進行了研究，研究表明黃土路塹的開挖卸載導致的黃土路塹邊坡失穩是一個多因素耦合作用的結果；高德彬等人利用大量的工程實例，構建了基于CRB推理的黃土高邊坡穩定性預測模型。上述研究均表明，通過適當的坡率與寬平臺組合，并設置有效的防護、排水設施可得到經濟、高效的濕陷性黃土高邊坡處治措施。

1 依托工程

本次研究以G85銀昆高速公路寧夏段為依托，通過實地勘察和理論分析對沿線的濕陷性黃土高邊坡的處治措施進行了研究。該工程區域可劃分為黃土梁卯溝壑、黃土臺塬、沖洪積平原及河谷階地四個地貌單元，沖洪積平原地貌位于工程區北部，河谷階地地貌位于工程區中部，工程區南部主要為黃土梁卯溝壑和黃土臺塬地貌。區內地質環境條件脆弱，氣候干旱，植被稀少，黃土厚度大，在降雨等因素影響下，易引發滑坡、崩塌等地質災害。全線共有路塹高邊坡12處，最大路塹邊坡高度81.56 m，最低路塹邊坡高度30.91 m。

2 地質條件

經地質調查及鉆探結果揭露情況，工程區揭露工程巖土體類型主要為第四系地層，表現為黃土堆積和河谷沖洪積堆積。上更新統疏松黃土(馬蘭黃土)在沿線黃土梁峁頂部、黃土臺塬上部分布較廣。

區內黃土呈淡黃色、土黃色，為粉土，粒度組分：顆粒直徑0.079～0.013 mm的含量一般大于60%以上。粗粒組礦物成分以石英、長石為主，占60%以上；細粒組為粘土礦物，成分有伊利石、高嶺石、蒙脫石等。粘土礦物和鈣質起膠結作用，但易溶于水，故黃土易發生潛蝕現象。其具有大孔隙、垂直節理發育，孔隙度在60%以上。區內大部分地區的黃土干容重小于1.45 g/cm3，天然含水量5%～10%，由于黃土具親水性，隨著土中含水量的增加，其內聚力顯著降低，在水中易崩解。其濕陷程度為中等-嚴重，濕陷類型為自重濕陷。

3 路塹邊坡設計

根據地質勘察結果，通過理正巖土軟件對不同坡率組合的邊坡形式的安全系數進行計算。并結合周邊項目的實施經驗及相關試驗研究，確定最佳的坡率組合。

3.1 巖體物理力學指標

根據《公路工程地質勘察規范》、《公路路基設計規范》、《公路土工試驗規程》、《巖土工程勘察規范》等相關規范的要求，對相關路塹邊坡進行鉆芯取樣并進行土工試驗。試驗結果見表1。

表1 巖體物理力學性質指標表

3.2 坡率組合設計

參考了大量工程實例后，本次研究采用三種坡率組合方案，即第一種為陡坡率、寬平臺的方案；第二種為集中設置寬平臺的方案；第三種為緩坡率的方案。具體坡率組合情況見表2。

表2 坡率組合一覽表

根據上述坡率組合情況，分別在三種工況下，對5處坡高40～50 m的路塹邊坡進行安全系數計算及數值分析，在三種坡率組合安全系數大致相等的條件下，得到滿足規范要求的坡率組合情況見表3。

表3 坡率組合對比表

根據表3的計算結果，對其余7處高邊坡進行計算驗證，其結果均表明采用第二種坡率組合方案的綜合坡率最優，每級邊坡的坡腳處為應力集中點。結合現場施工經驗及吳海剛、何浪等人的研究成果，采用第二種坡率組合的邊坡形式，其防護設施、排水設施的工程量及實施效果均優于其余兩種坡率組合。

3.3 寬平臺設計優化

根據第二種坡率組合形式對全線12處高邊坡的穩定性進行計算，得到了各處濕陷性黃土路塹高邊坡的寬平臺位置及寬度，其結果見表4。

表4 寬平臺設置一覽表

為便于設計與施工，經過計算與分析，將全線的寬平臺設置原則統一為：路塹邊坡高度低于32 m時，不設置寬平臺；路塹邊坡高度在32～56 m時，第三級平臺加寬9 m；路塹邊坡大于56 m時，路塹邊坡每三級設置一處10 m寬平臺。

4 邊坡處治措施優化

針對濕陷性黃土路塹高邊坡坡腳的應力集中現象，在深挖路塹第一級邊坡的坡腳處均設置一道外露2 m的矮路塹墻以加固坡腳；同時為防止雨水對坡面的沖刷破壞，每級邊坡均采用拱形骨架護坡防護，并在拱圈內種植細莖冰草、葦狀羊茅、沙棘等草灌木； 一般路塹邊坡平臺均采用混凝土硬化并設置平臺排水溝，寬平臺處于平臺中間位置穴植灌木，其余地方均采用混凝土硬化并設置平臺排水溝；自然降水通過坡頂截水溝、拱形骨架、平臺排水溝匯集至急流槽，經線外排水溝引出濕陷性黃土路塹范圍。

5 結 論

(1)針對本工程的濕陷性黃土路塹高邊坡，集中設置寬平臺的邊坡坡型組合的綜合邊坡坡率優于其余兩種邊坡坡型組合。

(2)濕陷性黃土路塹高邊坡的坡腳處為應力集中點，應重視對坡腳的加固防護。

(3)針對濕陷性黃土的特點，應做好路塹坡面及平臺的防排水措施，通過設置排水溝、截水溝、骨架等措施將自然降水引出路塹范圍，并做到“遠接遠送”。

(4)可針對不同的路塹邊坡高度，將繁雜的寬平臺設置位置及設置寬度問題，歸納為一個統一的設計處治原則。