高速公路路塹高邊坡應力狀態分析與防護研究

李金華

（上海建工集團工程研究總院，上海 201114）

0 引言

隨著國家基礎設施建設和配套設施建設進程的不斷推進，特別是公路建設項目在實施過程中產生了越來越多的問題。高速公路工程項目實際建設中會面對非常復雜的地質環境與氣候條件，極易出現高挖路塹滑坡病害，亟需通過專業的方法解決[1]。本文通過以某市高速公路項目為研究對象，分析影響高挖路塹邊坡穩定性的因素，分析其原因，并提出針對性的應對措施。

本文以某市雙向四車道的高速公路為工程對象，整個路基采用瀝青混凝土鋪設完成，且寬度約為24.5m，由于地形的原因，該路段的K5+823—K5+957 部分的路塹軸部開挖為20～25m，施工完成后，路塹邊坡較陡。由于施工時間為夏季，在雨水作用下，極易發生滑坡現象，需要進行邊坡防護。

1 高速公路路塹高邊坡形變、失穩原因分析

高速公路路塹高邊坡出現形變、失穩以及滑坡的原因通常都是較為復雜的。如內在的地形地貌、場地巖土特性、地質水文狀況等；外在的地震、勘察深度、施工質量以及其他外力因素等可能會對高邊坡狀態造成影響[2]。通過對該高速公路路塹高邊坡進行現場勘察，工作人員最終確定以下4 個會致使高速公路路塹邊坡發生形變和滑坡問題的因素。

（1）地質方面原因。該高速公路工程路塹高邊坡后側坡體較陡，上層有比較厚的積土層，積土層風化深度在15～25cm，且風化程度不一。過于松散的土質致使該坡體自身的穩定性非常差。因此可以說地質條件差是該邊坡出現失穩狀況的重要原因之一。

（2）水文方面原因。該路段兩側植被茂密，含有非常豐富的地下水，再加上降雨量充沛，致使邊坡土體水含量出現飽和現象，公路邊坡整體抗剪強度隨之下降，土體的抗剪強度明顯下降，最終引發邊坡出現變形和滑坡現象。

（3）地質勘查深度不足。在高邊坡施工階段，前期的地質勘查深度直接影響相關工作人員對于邊坡潛在滑坡問題的判定。無論是設計單位還是施工單位都是在制定設計施工方案時都是依據地質勘查資料來開展相關工作的。如果地質勘查深度不足，那么就可能導致地質勘查工作中水層層數、水量、水壓等數據缺失或者準確性不足，繼而給整個工程造成安全隱患[3]。

（4）人類活動或其他外力影響。在高速公路路塹高邊坡是過程中，通常是按照施工要求逐級進行開挖，然后逐級進行防護施工；完成之后再對下級邊坡繼續施工。所以在邊坡開挖過程中，施工外力比如爆破、抗滑樁打入巖體等都有可能會對坡體的穩定性造成影響。

2 計算模型

通過對該工程段進行現場勘查后發現，路塹邊坡土體在自重應力場的作用下，在施工過程中極易產生應力釋放現象，導致其位移場和應力場變化明顯。通過對本區段進行資料有查閱和現場評估，對該路段進行劃分處理，共包括3 大類7 層地質。從該路段的主剖面來看，水平長度約為200m，垂直高度為150m，路段參數均滿足有限元分析規定的精度要求，最終形成有限元計算模型，如圖1 所示。

圖1 有限元計算模型

3 應力狀態與穩定性分析

通過歷史的經驗發現，剪應力集中部位是邊坡的破壞的起點，然后根據破壞點的應力釋放結果以及不同層次的集中程度逐步向外部擴散，最終導致邊坡裂縫和滑移變形等現象的發生，因此，通過對邊坡的應力狀態進行研究可對邊坡的穩定性和破壞性進行預估[4]。通過對有限元進行模擬分析后發現：路塹高邊坡在天然狀態下，由于邊坡巖層的產狀向臨空面傾斜，在自重應力和溝谷卸荷的不斷作用下，坡體砂巖第2 層和第4層的拉應力較為集中，使該部位的巖層始終保持拉應力。引發此種原因的重要因素是由于近水平巖層地質結構受重力的不斷作用，向外部臨空方向釋放力，形成差異變形導致。

由于整個邊坡的坡比在不斷地變化，巖體內部的應力值也不斷地變化，主要包括坡體拉應力變化和剪應力變化兩個方面。在對本工程對象進行有限元模擬分析時，左側坡度定義為1:0.5，由于不同路段的開挖高度不同，因此，分析模型定義了1:0.5、1:0.75、1:1 和1:1.5四種不同的坡度情況。根據相關數據統計，邊坡易破壞的區域主要是剪應力集中的區域，然后以區域為中心將應力向外釋放，在坡體形成破裂面，并形成深度的滑坡和破壞。以該高速工程為研究對象，其應力情況具體分析如下。

（1）從該高速公路路塹高邊坡工程來講，邊坡土體在自重應力場的環境下，使巖體拉應力在坡體第2 層與第4 層集中發生，并從此處開始引發層面的斷裂和滑坡現象。邊坡應力矢量圖如圖2 所示。

圖2 邊坡應力矢量圖

（2）高速公路邊坡實際開挖作業中很容易導致自重拉應力穩定性的缺失，且其變化特征呈現出規律性。以坡面為基準，其與呈現出正交關系，而與臨空面周邊的方向呈現平行關系。此時當前坡面處于單向應力狀態。而且隨著坡度比的變化，導致開挖應力場狀態也隨之發生變化。統計數據表明，如果開挖深度不超過70m，假如坡度變大，那么自重拉應力必然會朝向開挖區進行傾斜；與此相反，假如邊坡施工挖掘深度已經超過了70m，那么自重拉應力就會向開挖區相反的方向擴散，也就是說此時拉應力作用于坡體的程度逐步降低。剪應力方面，如果坡度較陡，坡腳周邊區域是剪應力集中區域；反之，則剪應力從底部區域向上進行擴散。

4 邊坡防護技術思路

邊坡加固和防護存在些許差異，按照防護的原理，主要分為工程防護與綜合防護兩種種類。

4.1 工程防護

工程防護具體包括4 種不同類型，分別通過不同的材料和方式來完成。抹面防護技術主要應用于材質為軟巖的邊坡，該材質較容易被風化，通過該技術能夠對大氣進行阻隔，降低風化的速度，且使用的主要材料是石灰漿和水泥漿；捶面防護方式與抹面防護技術所運用到的材料并沒有很大差異，主要面向易風化的邊坡材質，但是施工成本和難易程度不同；噴漿技術主要解決巖石易破碎的邊坡問題，而且可有效阻隔雨水滲入[5]。

4.2 綜合防護

公路路塹邊坡防護過程中，加固僅僅是一個維度，還需要其他維度的防護措施參與。目前常用的綜合防護技術主要包括以下4 種類型。

（1）六角空心磚植草護坡技術。其主要適用于坡度不大且強風化的巖質邊坡，通過植草來避免邊坡土壤流失，達到防止滑坡的效果，且具有一定的美觀性，但是成本較高[6]。

（2）三維網植草護坡技術。此技術的實際實施成本和前期的投資較低，并且外形非常美觀。缺點是與其他類型防護技術相比，這種方式后期維護成本相對更高。

（3）架植草護坡技術。該技術通過將漿砌片石和混凝土進行再制造，通過砌筑人字形、菱形等不同形狀的骨架，提升坡體穩定性，并通過內部植草降低滑坡危險系數。

（4）客土噴播技術。該技術將金屬材料的網部署在邊坡中，將混合涂料噴灑之邊坡表面使之凝固，此技術的有點是施工快、效果好，缺點是成本高。

5 邊坡防護方案設計

通過對高速公路高邊坡開挖過程中的應力實施情況研究能夠得出，應力最大值發生于高邊坡坡面所在位置，且應力的分布狀況與坡面通常都存在品行關系。工程實踐表明，在邊坡防護施工作業中，拉應力通常都集中于坡頂，而剪應力通常都集中于坡腳，因此，在應力的作用下，坡面土體與巖層的穩定性會受到影響。

為了解決本工程面臨的邊坡問題，需要以“上拉下擋”為理念的邊坡防護方法來完成，具體內容包括：上拉部分的施工操作主要是在路塹的上層巖體安置錨索與錨栓結構，以提升整個坡面巖體的抗拉強度；下擋部分的施工操作是在路塹邊坡下層區域安置擋土墻，從而有效避免邊坡坡體剪切變形狀況的出現。

錨固是邊坡防護工程施工中的重要工序，施工人員在錨固施工中，需要遵循由上到下的層次開展，等到上層的錨固工程完成后，才能夠繼續實施下一層級的邊坡開挖與錨固作業。這種作業方式能夠最大程度的保證邊坡坡體開挖的結構穩定性，降低邊坡防護施工安全隱患[7]。錨桿孔位定位時，需要根據坡面孔間的距離進行合理設置。而且以低洼區域的處理為工作重點，且孔位深度需在工程許可的區間內，并對錨桿孔施工過程中的相關清理工作進行完善。根據經驗，實際施工成深度需較設計值大5cm。孔徑與深度可能會受到鑿巖機械設備的影響，因此實際施工時需要充分結合工程實際情況與鑿巖機械設備的性能。錨桿孔洞開鑿完成后，其直徑約為35cm，并按照人字形錨桿的形式進行設計，將孔洞與鋼繩間角度控制在15°~30°，這樣能夠使錨固效果更好。邊坡坡底掛網作業應該將格柵網之間的重疊寬度控制在5cm 以內。

另外，在高速公路路塹高邊坡工程施工階段，施工監測也是非常重要的一項保障工程質量的手段，如果必要，可以選擇運用深孔位移監測技術來對邊坡進行監測，并結合邊坡坡體變形數據來對施工方案實施進一步的調整，從而保質保量完成邊坡防護施工。在邊坡護坡工程完成后，高速公路運營期間還可以通過地表位移監測、地下位移監測、地下水位監測等方式來對邊坡整體穩定性進行監測，監測周期通常要多于兩年。對于地質狀況尤為復雜的路段，應該結合高速公路路塹高邊坡防護工程實際情況適度的增加監測期限[8]。

6 結語

高挖路塹滑坡作為目前公路和高速公路建設的常見問題，通過邊坡防護可有效提升邊坡質量的穩定性。通過本文項目可知，不同地區的巖土體的分布通常具有變化性和區域性特征，需要根據實際情況對路塹邊坡進行防護和加固，目前的工程實施方案往往根據以往的經驗獲得，需要專業化的模型參與，提升路塹防護的科學性。因此，我國的公路部門和道路施工單位需要提升路塹邊坡防治的研究力度，降低安全隱患，保障公路安全運營。