高速公路邊坡加固的優化設計方法研究

畢曉明

（杭州市交通規劃設計研究院有限公司，杭州 310030）

1 引言

高速公路是我國國家路網的重要組成部分，是一個國家交通運輸發達程度的重要標志。伴隨著我國交通事業的快速發展，高速公路從發達省會城市、東部沿海地區向丘陵地區以及偏遠山區延伸。在山地丘陵復雜的地質條件地區修建高等級公路，會給高速公路邊坡設計帶來很大困難，很大程度上影響著高速公路質量，也給后期高速公路的安全運營帶來隱患[1，2]。尤其是在地形地貌類型復雜，天氣變化多端的西部地區，路網建設中遇到的邊坡問題尤為突出。因此，邊坡的加固防護問題對于項目安全順利施工以及公路后期安全營運十分關鍵。對于高速公路邊坡的防護加固手段，以往的設計和施工都總結出了許多方法與經驗，但是準確分析邊坡穩定性，針對實際工程需要，提出經濟、有效的邊坡加固方案，是現階段急需解決的問題。

2 高速公路邊坡分類及其特點

目前，國內外對于邊坡的分類的依據標準有很多，常見的邊坡分類所依據的標準包括形成原因、地層巖性、邊坡的失穩模式。按照公路邊坡的形成原因將邊坡劃分為自然邊坡和人工邊坡。根據邊坡組成成分不同，可以將邊坡分為巖質邊坡和土質邊坡。按照邊坡的幾何特征，例如，高度和坡度，可以將邊坡做出一般型分類，分類見表1、表2。

表1 不同高度的邊坡分類

表2 不同坡度的邊坡分類

3 邊坡穩定性影響因素分析

3.1 內在因素

內在因素是邊坡失穩的根本原因，其主要表現為邊坡內部巖體抗剪強度降低以及促使邊坡失穩的力增大。當促使邊坡失穩的力大于邊坡內部巖體抗剪強度時，邊坡就會變形失穩。反之，當邊坡內部巖體抗剪強度足夠大時，邊坡處于相對穩定的狀態。影響邊坡穩定的主要原因有以下幾個方面：邊坡所處的地形地貌、邊坡內部巖體巖性、地質構造、巖體結構面等。

3.1.1 地形地貌

高速公路邊坡的幾何形態，如邊坡高度、邊坡坡度，這些邊坡幾何形態對邊坡穩定性的影響是很大的。坡度較陡、高度較高的邊坡容易發生失穩。邊坡的臨空面受到坡面形狀的影響，凸形邊坡比凹形邊坡更可能發生滑坡。因此，不利的地形地貌也會導致邊坡發生失穩破壞，在邊坡加固中對邊坡的幾何形態等進行優化有利于邊坡穩定性提高。

3.1.2 地層巖型

邊坡穩定還受到邊坡所處的地層巖性的影響。不同時代的地層巖體的礦物組成不同，會導致邊坡巖體的物理性質和力學強度也有著顯著的差異。由礦物的膠結作用形成的巖石，質地堅硬，遇水穩定性也較好，其抗剪強度較大，抗風化能力較強，抵御雨水侵蝕的能力較強，其穩定性較好，易形成較陡或較高的邊坡。而含有長石、綠泥、蒙脫石等礦物的巖土體及易發生風化，完整性較差，抗剪強度較低，受雨水侵蝕作用影響較大，存在滑坡的風險。

3.1.3 巖體結構

巖質邊坡內部比土質邊坡要具備更強的結構性。巖質邊坡內部巖體結構的穩定性是其邊坡穩定性的決定因素，邊坡內部結構面之間的聯通程度以及結構面是否發育都會影響邊坡的穩定性，巖質邊坡內部軟弱結構面的發育是導致邊坡滑塌的重要因素之一。同時，邊坡內部結構面的傾向也會很大程度上影響邊坡穩定性，當邊坡坡面走向與邊坡內部結構面的傾向一致時，邊坡容易沿結構面順層滑動；當邊坡內部結構面的傾向相反時，邊坡發生失穩的可能性較小。另外，巖質邊坡結構面的存在也為邊坡內部地下水的活動提供了便利，這顯然對邊坡穩定性不利。

3.1.4 地質構造

邊坡的地質構造主要是指邊坡褶皺的強烈程度、內部巖層產狀、斷層走向和節理裂隙。邊坡穩定很大程度上受到內部巖體地質構造的影響，邊坡內部巖體的褶皺往往會引起邊坡滑塌。反向傾斜結構的邊坡具有較好的穩定性，但垂直層面走向發育的邊坡穩定性較差。另外，節理裂隙的發育會大大降低巖質邊坡的完整性，從而降低邊坡穩定性。

3.2 外在因素

邊坡穩定性還受到外在因素的影響，包括自然環境影響、人類活動的影響以及地震爆破等因素影響[3]。

3.2.1 自然環境的影響

根據相關數據，大多數邊坡的失穩破壞都與水的活動有關。水主要通過以下兩個方面對邊坡穩定性產生影響：一方面是水的存在會與巖體產生物理化學作用，當水中含有CO2等氣體時，會與巖體產生化學反應，同時，水對巖體還會產生軟化作用。另一方面，水的存在還會對邊坡產生一定的力學效應，包括產生的靜水壓力，動水壓力以及沖刷作用。

3.2.2 人類工程活動的影響

隨著人類工程活動領域不斷擴展，人類的工程活動會對邊坡穩定性產生顯著的影響。采用不恰當的設計方案、施工方法會導致邊坡原有的內部平衡被破壞，導致邊坡失穩。因此，應當優化邊坡設計，規范施工流程，將人類活動對邊坡穩定性的影響降到最低。

3.2.3 地震爆破等因素影響

地震以及爆破等對邊坡穩定性的影響極大。這是由于地震或爆破帶來振動使得邊坡內部結構發生破壞，導致原有結構面持續發育，導致邊坡失穩。另外，地震還會誘發土質邊坡的液化，導致邊坡發生液化滑移。地震以及爆破等引起的邊坡失穩往往是特殊地層結構、地下水以及振動等多方面作用的結果，在邊坡優化設計過程中，應當引起足夠重視。

4 高速公路邊坡加固技術

4.1 高速公路邊坡工程加固

工程加固技術可分為工程加固措施與工程防護措施。

1）砌石防護。當邊坡坡度較陡、邊坡坡體表面土質松散、邊坡易發生失穩時，可采用砌石防護的措施。

2）錨固技術。錨桿支護技術在公路邊坡、隧道、采礦等地下硐室施工中得到了廣泛應用。錨桿支護是利用金屬或其他材料制成的桿件，打入破碎巖體表面預先鉆好的孔中，利用錨頭、桿體等結構并結合混凝土砂漿，將破碎巖體與內部穩定巖體結合在一起的一種加固技術[4]。錨固技術通過桿體強度，大大改善了巖體的抗拉能力差的問題，對于節理裂隙發育的邊坡具有很好的加固效果。

3）抗滑樁防護。抗滑樁是指穿過邊坡滑體深入滑床的結構物，抗滑樁通過抵抗滑坡體的滑動，防止邊坡沿滑動面滑動失穩，在淺層和中厚層的滑坡的加固中應用較為廣泛。但對具有滑坡風險的邊坡施作抗滑樁時，應當避免施工振動而引起的滑坡。

4）注漿加固。注漿漿液在壓力的作用下，通過巖體內部注漿孔周圍的節理裂隙向四周滲透，對邊坡內部破碎巖體起到凝結作用，增強破碎巖體的整體性。除此之外，注漿形成的柱體對邊坡巖土體起到錨固作用，提高了邊坡的抗滑能力。

5）格構加固技術。格構加固技術是指將格構梁與錨桿或錨索結合形成的新型邊坡加固技術。對于坡度較陡，結理裂隙發育，破面松散，有落石頭、小型崩塌風險巖質邊坡，可采用格構加固技術進行加固。格構梁通過錨點處的錨桿或錨索將邊坡下滑力、邊坡巖體松動力分散傳遞到錨固體內部，能夠充分發揮錨固體的整體作用。

4.2 高速公路邊坡生態加固

目前，高速公路建設中的邊坡植物加固越來越受到重視，利用植被或植被與巖土技術相結合形成的邊坡生態加固技術在工程實踐中得到越來越多的應用。與傳統的工程加固相比，邊坡生態加固技術不僅可以減少水資源浪費、防止水土流失，還可以凈化空氣、保護環境、提高行車安全以及運營安全，具有良好的綜合效益。隨著環境保護理念的深入人心，高速邊坡加固也從傳統工程加固方式向新型加固方式轉變。植物生態加固新技術，與傳統的工程加固措施相結合形成了邊坡工程生態加固新體系。根據邊坡所處的自然環境不同，在邊坡生態加固技術中采用的施工方法和施工工藝也有所不同。

1）人工種草護坡。人工種草護坡是通過植物根系與土體的相互作用起到加固土體，減少水土流失的一種生態防護措施。這種防護措施適用于對于穩定、高度較矮、坡面重沖刷較小的邊坡，一般不用于巖石邊坡防護。

2）平鋪草皮護坡。平鋪草皮護坡機理與人工種草護坡相同，平鋪鋪草皮護坡適用于邊坡坡度較陡，沖刷較為嚴重邊坡的防護。平鋪草皮護坡還有具有人工種草護坡不具備的優勢，鋪草皮坡面護坡可以對施工結束后的邊坡進行實時的坡面防護，防止出現坡面的風化。

邊坡生態加固應當根據當地氣候類型和土壤特征選擇鄉土樹種，強調因地制宜的原則，防止生物入侵現象的出現。

5 結語

如果在實際工程中單純采用工程加固的方法，在后期的高速公路運營過程中則會產生很多問題。僅進行工程加固對可能會導致已完工的邊坡外觀顏色暗沉，缺乏生機，工程加固措施還與環境景觀極不協調，不能滿足現代高速公路對環保綠化以及景觀的需求，也不利于行車安全、行車舒適。此外，單純采用工程加固對邊坡進行處理的造價相對較高，雖然它加固效果較好，但也具有一定的局限性。

對于邊坡生態加固，由于植物護坡整體栽培期較長，在植物生長初期，覆蓋率低，根系稀疏分布。然而，與傳統工程加固措施相比，植被與工程措施相結合的邊坡防護措施具有傳統工程加固措施無法比擬的優勢。邊坡生態加固能迅速恢復工程建設破壞的生態環境，且邊坡生態加固成本低，也避免了傳統工程加固措施隨時間推移出現老化、強度降低問題。