公路路基高邊坡防護設計探討

王昕遠

（江蘇緯信工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210014）

邊坡是路基的重要組成部分之一，當土質邊坡的高度超過20 m、巖質邊坡超過30 m，便可將之稱為高邊坡。由于邊坡較高，從而給結構穩定性帶來一定影響，為避免高邊坡出現整體失穩的情況，要選取有效的防護措施。基于此，對高邊坡防護進行合理設計顯得尤為必要。

1 工程概況

某公路工程第三合同段中，主線路基的高邊坡防護工程共有兩處，其中一處位于樁號K12+545-K12+770的右側，全長約為225 m，該處最大的挖方高度為55.5 m。地勘資料顯示，該處邊坡的基巖裂隙較為發育，巖芯存在強烈的風化現象，呈砂土狀，厚度在1.9 m左右；另外一處位于樁號K20+350-K20+465的左側，長度約為115 m，最大挖方高度為42.5 m，該處邊坡的中線地面標高為42.55~62.43 m，基巖裂隙一般發育，巖芯呈短柱狀。為確保路基高邊坡施工的安全性，要做好防護設計工作，結合邊坡的實際情況，選取最為適宜的防護措施。

2 公路路基高邊坡防護設計

按照路基高邊坡的地質條件，結合巖土工程特性，通過類比的方法，選取適宜該邊坡的防護措施，主要包括柔性防護網、預應力錨索以及排水系統等，具體的設計方法及要點如下。

2.1 高邊坡柔性防護網

2.1.1 明確設計內容

在路基高邊坡防護中采用柔性防護系統時，要對設計內容加以明確，具體如下：以工程現場的地形地貌、坡面潛在的災害特征、場地施工條件、進度要求、周邊建筑物狀況等作為主要依據，對柔性防護網進行合理選型和現場布置設計。

2.1.2 做好設計準備

（1）在柔性防護系統設計前，要做好相應的準備工作，具體如下：對高邊坡防護區的地形圖全面收集，缺失的地形圖可以采用現場測繪的方法獲取；在邊坡防護區域內，開展地質勘察工作，調查危石的位置、分布范圍等，并對落石可能出現的形態及移動方式加以分析。

（2）依據收集到的相關資料及信息，對柔性防護系統在該防護區內應用的經濟性和安全性做全面分析，結合現場條件，通過計算選取出最優的防護類型，據此完成施工圖紙的設計。

2.1.3 主要構件選擇

在柔性防護網設計中，選擇構件是較為重要的環節之一，直接關系到防護網作用的發揮。組成柔性防護網的主要構件有鋼絲繩網、鋼絲網、鋼柱、基座、減壓環、支撐繩、鋼絲繩錨桿等，具體的選擇要點如下。

（1）選擇鋼絲繩網時，要確保鋼絲繩的質量與現行GB/T 8919—1996制繩用鋼絲規范標準的規定要求相符，抗拉強度不低于1 770 MPa，直徑為8.0 mm的鋼絲繩最小斷裂拉力在40 kN以上，直徑為6.0 mm的最小斷裂拉力在20 kN以上；菱形網的長度可根據工程需要合理選擇，網目邊長的最大誤差不得超過20 mm；網塊的尺寸可以按設計實際要求適當調整。

（2）鋼絲網可以選用直徑在2.2 mm以上的熱鍍鋅鋼絲編制，網孔為50 mm×50 mm，用于編制鋼絲網的鋼絲性能應當符合現行YB/T 5294—2009一般用途低碳鋼絲規范標準的規定要求。

（3）鋼柱可以按照柔性防護網的高度，用相應規格的工字鋼加工制作，確保鋼柱的高度與防護網的高度相同。

（4）基座為鋼結構構件，它是鋼柱的定位座，通過連接件，使鋼柱與基座鉸接到一起，具體結構如圖1所示。

圖1 鋼柱基座及連接件結構示意圖

（5）減壓環可以按照與之相連的鋼絲繩直徑和設計能量，選取適宜的型號。常用的型號有3種，分別為A型、B型和C型，吸收能量的能力依次為30 kJ、50 kJ和110 kJ；減壓環的啟動荷載取決于相連鋼絲繩的斷裂拉力，臨界形變荷載應當不小于50 kN；本工程中選用的減壓環外徑為448 mm，如圖2所示。

圖2 減壓環示意圖

（6）支撐繩為鋼絲繩，分為橫向和縱向，前者的直徑應不低于16 mm，后者不低于12 mm。編制支撐繩使用的鋼絲繩質量必須符合現行GB/T 8919—1996規范標準的規定要求。

（7）鋼絲繩錨桿選用雙股形式，直徑不小于16 mm，長度以2.0 m左右為宜，其結構如圖3所示。

圖3 鋼絲繩錨桿結構示意圖

2.2 預應力錨索

2.2.1 錨索構造

本工程中使用的預應力錨索為圓柱形結構，主要由以下幾個部分構成：錨頭、自由段、錨固段等。

（1）錨頭由錨具、鋼墊板、腰梁以及砼封錨等構件組成，主要作用是固定錨索拉力，通常設置在高邊坡的坡面外部。

（2）自由段與坡面錨頭相連接，將錨頭的拉力傳遞給錨固段，它在預應力錨索的中間部位，由以下幾個部分組成：錨拉筋、注漿體以及防腐構造等。

（3）錨固段包括支架（隔離、對中）、注漿管、導向帽及鋼絞線等，可與巖層進行連接錨固，將錨索的拉力傳給高邊坡中的穩定巖層。為確保錨固段的作用得以全面發揮，在設計過程中，要對入巖的深度及長度合理確定，從而使錨索能夠承受最大的設計拉力。

設置在高邊坡上的預應力錨索，能夠將預應力傳遞給邊坡，從而使邊坡與穩定巖層之間形成一個共同受力的有機整體，達到防護加固的效果。

2.2.2 計算方法

在高邊坡預應力錨索設計中，計算是較為重要的一個環節，計算結果的準確性，直接關系到錨索加固防護作用的發揮。為此，必須選擇正確的方法對預應力錨索進行計算，可將高邊坡的失穩破壞模式作為確定錨索計算方法的主要依據，路基高邊坡較為典型的失穩破壞模式有以下幾種：滑動、落石、崩塌等，上述模式中，滑動最為常見，并且發生的頻率也比較高。因此，可利用滑動失效來確定預應力錨索的計算方法。

（1）路基高邊坡滑動失效的類型比較多，如圓弧滑動、錯位滑動、順層滑動等等，雖然滑動的形式有所不同，但失效機理卻基本一致，即沿邊坡上的滑動面整體失效破壞。在預應力錨索設計計算過程中，要以避免邊坡出現整體滑動失效為前提。

（2）從物理力學的角度上講，導致高邊坡滑動面發生整體失效的主要原因是，邊坡中的軟弱巖土體會逐步形成滑動剪切面，受到重力作用的影響，當滑動力超過巖體的摩擦阻力后，便可出現整體下滑破壞的現象。邊坡上滑動面的形成，除與巖土體本身有關之外，還與節理裂隙、斷層等因素密切相關。而預應力錨索的作用是以人為的方式，為滑動面增加約束，提升摩擦力，避免整體滑動失效的情況發生。因此，在預應力錨索設計計算中，可以選用有限條分法對錨索的錨固效率加以確定。

（3）可以按照有限條分法的相關公式，計算預應力錨索的錨固效率。為使錨索的錨固效率得到最大限度發揮，根據邊坡可能出現的滑動面，對錨索的數量、安設位置、間距以及傾斜角度等合理設置。錨索與邊坡滑動面之間的交角要盡可能大些，以免錨索的施加增大邊坡滑動的幾率。

2.2.3 設計要點

（1）在對預應力錨索的錨固力設計時，可將高邊坡上所需考慮的全部荷載作為側壓力的計算依據，結合支護結構，合理確定錨固力。為進一步增大邊坡的安全儲備，設計的錨固力以錨索允許錨固力的0.5倍左右為宜。

（2）設計錨筋數量時，可按照錨固力，并結合錨索的材料特點，采用相應的公式，計算出錨索的具體數量。計算時，需要的參數包括設計錨固力、錨筋抗拉系數、預應力鋼筋的抗拉強度以及錨索的截面積（單根）。

（3）在設計預應力錨索的錨固長度時，依據現行規范的規定要求，內錨固段的長度應控制在10 m以內，不得超出，實際長度可利用拉拔試驗及類比的方法合理確定。經驗類比法的效果較好，該方法以同類工程的經驗作為主要依據，通過比較為錨固長度的確定提供參考。當設計荷載為2 000~3 000 kN時，預應力錨索內錨固段的長度可以取6.0~7.0 m。

（4）高邊坡防護中應用預應力錨索時，要合理確定布設間距，當間距＞4.0 m時，必須對錨索的獨立效應予以充分考慮，而間距≤4.0 m時，要考慮率群體效應。本工程中預應力錨索比較長，故此選擇高強低松弛鋼絞線。

2.3 高邊坡排水系統

在影響路基高邊坡結構穩定性的各種因素當中，水的影響程度較為嚴重，所以高邊坡防護，必須做好排水設計，以此來降低水對邊坡的破壞。

2.3.1 設計思路

在設計高邊坡排水系統時，要結合工程所在地的地形地貌特征及降雨情況，按照整體規劃、綜合設置的思路，使設計出來的排水系統具有導水、匯水以及排水等多種功能。同時，遵循攔、分、防的原則，設計排水設施，降低水對邊坡結構穩定性的影響，達到防護效果。

2.3.2 設計方法

為使排水系統的作用得以全面發揮，在具體設計時，可以利用坡頂的截水溝有效排除上方的地表徑流，并通過平臺截水溝，將坡面的水流快速排出；借助急流槽將邊坡上的排水設施連接到一起，形成一個完整的排水系統，對流向路基和坡面的水進行分段截流，引入到附近的荒地和低洼的溝谷當中。需要注意的是，當公路所在地的地下水位較高，并且降雨量大，可在合理設計高邊坡表面排水的基礎上，做好路基內部、中央分隔帶以及橋涵排水，與邊坡排水形成完整的排水系統。

3 結束語

在公路路基高邊坡防護設計中，要依據工程實際情況，選取適宜的防護措施。為確保防護作用的發揮，必須對防護措施合理設計，這是提高路基高邊坡結構穩定性最為有效的途徑之一。