某高速公路運(yùn)營期病害路塹邊坡穩(wěn)定性分析及其處治

賈偉，汪 斌，朱杰兵，張兵，劉小紅

（1.湖北交投鄂西高速公路建設(shè)管理有限公司，湖北 恩施 445000；2.長江水利委員會長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010；3.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430100）

1 引言

隨著我國高速公路的蓬勃發(fā)展，截至2021年底，我國高速公路通車?yán)锍桃堰_(dá)16.10 萬公里。但隨著全國各地高速公路的建設(shè)已過高潮期，繼而轉(zhuǎn)入高速公路運(yùn)營和養(yǎng)護(hù)期。尤其山區(qū)高速公路運(yùn)營10年以上的公路邊坡病害問題逐漸凸顯，嚴(yán)重威脅高速公路運(yùn)營安全。

眾所周知，高速公路邊坡由于施工建設(shè)期由于刷坡或填方形成路基邊坡，在后期運(yùn)營期受到外部環(huán)境如降雨、凍融、干濕循環(huán)及錨固體的銹蝕等外部環(huán)境影響，邊坡的穩(wěn)定性也會呈現(xiàn)一個衰減的趨勢。本文選取鄂西某高速公路運(yùn)營期路塹邊坡為案例分析，基于深部位移測斜監(jiān)測資料辨識確定的滑動面進(jìn)行了穩(wěn)定性計算分析，研究成果為高速公路邊坡處治方案的決策提供了依據(jù)。

2 路塹高邊坡病害發(fā)展情況

工程場址地處鄂西山地，地貌屬于構(gòu)造剝蝕低山。邊坡區(qū)出露地層為志留系下統(tǒng)龍馬溪組（S1ln）頁巖及炭質(zhì)頁巖。邊坡整體呈緩傾逆向，巖體極破碎，強(qiáng)風(fēng)化層開挖后呈散裂狀，中風(fēng)化層稍完整，揭露后為薄層片狀，但開挖后遇水易軟化，長期飽水狀態(tài)下泥化。

該路塹邊坡最大高度約50m，交工驗收實際為六級邊坡，一級高度8m，該邊坡整體呈緩傾逆向～斜交坡，施工期邊坡設(shè)計坡率較陡，除坡腳砌石擋墻1:0.5外，邊坡坡率介于1:0.50～1:10；坡腳為4m 高片石混凝土擋墻設(shè)計。該高速公路于2014年12月底試運(yùn)營直至2016年3月期間，該路塹邊坡變形一直在繼續(xù)，坡表出現(xiàn)縱、橫向裂縫，坡腳擋墻及邊溝嚴(yán)重擠壓變形，路肩位置路面起拱等病害。試運(yùn)營期間，針對該邊坡變形開裂病害進(jìn)行了第1 次處治：僅第4～第5 級刷坡處治，坡率變?yōu)?:1.0、1:1.5 和1:1.5 削坡減載，同時在擋墻墻體內(nèi)施加了預(yù)應(yīng)力錨索框架梁進(jìn)行加固（圖1）。

圖1 運(yùn)營期第1 次處治完成后邊坡形貌

該高邊坡中后緣采用“卸載+坡腳擋墻增加錨索框架梁”的處治并沒有完全對邊坡的變形進(jìn)行有效的控制。整個邊坡坡體巖體強(qiáng)度和完整性持續(xù)劣化，直到2019年5月，陸續(xù)出現(xiàn)了坡腳路面開裂、隆起，錨噴坡面開裂、脫空，路面局部開裂，中央隔離帶隆起，砌石擋墻局部開裂等病害。

3 高邊坡處治前后穩(wěn)定性分析

3.1 變形體物理力學(xué)參數(shù)敏感性分析

為了給該邊坡開展第2 次病害處治提供依據(jù)，監(jiān)控咨詢單位采用二維極限平衡方法對該病害高邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析，同時驗證設(shè)計加固方案的加固效果。根據(jù)變形體實際所處發(fā)展階段開展了滑動面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行反演并進(jìn)行綜合取值。根據(jù)該變邊坡的坡體淺部及深部變形現(xiàn)狀評價為欠穩(wěn)定狀態(tài)，F(xiàn)s 取1.05，反演兩個主潛在滑動面及斜坡坡體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行反演，結(jié)果見表1所示。

表1 邊坡穩(wěn)定性計算潛在滑動面反演分析結(jié)果

采用表1中力學(xué)參數(shù)，對風(fēng)化碎裂巖體當(dāng)做松散碎石土邊坡進(jìn)行自動搜索滑動面穩(wěn)定性計算分析（圖2）所示，結(jié)果表明自動搜索的圓弧滑動面與實際地質(zhì)勘察給出的淺層剪切帶高度相似和重合，說明該邊坡的破壞模式主要受巖體強(qiáng)度控制，巖體的層理和優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面對變形破壞形態(tài)影響有限。

圖2 邊坡自動搜索滑動帶形態(tài)

3.2 計算結(jié)果及分析

采用上述計算模型和參數(shù)，結(jié)合極限平衡方法分別在正常工況和非正常工況下計算該邊坡在以下3 種方案：①施工處治前邊坡；②整個坡面按照1:2～1:2.5 的坡率削坡清方后邊坡；③刷坡+微型樁重力擋墻處治后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。其中正常工況為自重條件（天然狀態(tài)），安全系數(shù)取1.25，非正常工況為自重+暴雨條件（飽和狀態(tài)），穩(wěn)定安全系數(shù)取1.15。在安全儲備Fs=1 和Fs=1.25 安全儲備的設(shè)計安全系數(shù)下計算得到的不同條塊的剩余下滑力（表2）。

表2 邊坡 3-3'斷面處治前后深層穩(wěn)定性計算結(jié)果

三種不同處治后邊坡在正常工況和暴雨工況下的計算結(jié)果見表2，可以看出：

（1）按處治前坡面形態(tài)下的天然工況和暴雨工況下穩(wěn)定性計算結(jié)果表明天然工況和暴雨工況下欠穩(wěn)定（穩(wěn)定性系數(shù)小于1.15），如圖3所示；按照規(guī)范設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)邊進(jìn)行剩余下滑力計算，主斷面總剩余下滑力天然工況和暴雨工況下分別為588kN/m 和724kN/m。

圖3 處治前邊坡深層穩(wěn)定性計算條塊圖

（2）按照設(shè)計坡率刷坡后（無支護(hù)），天然工況和暴雨工況下主斷面穩(wěn)定性系數(shù)分別為Fs=1.232、1.112，均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨工況下安全儲備不夠，需要工程設(shè)防。

（3）按照設(shè)計坡率刷坡后+微型樁擋墻支護(hù)后邊坡，天然工況和暴雨工況下3-3'斷面穩(wěn)定性系數(shù)分別為Fs=1.502、1.322，均處于穩(wěn)定狀態(tài)（圖4）。從而，驗證了刷坡清方+微型樁擋墻處治后邊坡穩(wěn)定性大大增加。

圖4 處治后邊坡深層穩(wěn)定性計算條塊圖

（4）按照以上三種不同處治方式下在暴雨工況下的條塊間的法向滑坡推力計算結(jié)果對比（圖5），當(dāng)采用了刷坡清方+微型樁擋墻處治后，滑坡體前緣各條塊間的推力大大降低。對比刷坡后有無鋼軌樁兩種處治方案下的條塊間作用力，可以看出有剛性支撐后，坡體內(nèi)的作用力轉(zhuǎn)移到了后緣，從而減輕了前緣的作用力。

圖5 病害邊坡處治后條塊間水平推力分布圖

4 病害處治

根據(jù)設(shè)計單位與監(jiān)控咨詢單位成果報告，該邊坡的處治方案：整個坡面按照1:2～1:2.5 的坡率削坡，坡腳緊鄰邊溝處設(shè)置重力式擋墻，病害最嚴(yán)重的一級邊坡?lián)鯄Χ?85 米坡腳緊鄰邊溝處設(shè)置仰斜式鋼軌抗滑C30 混凝土擋土墻，墻高8m，承臺內(nèi)設(shè)置3 排鋼軌樁，鋼軌選用P50 重型鋼軌，樁長6.25m，三排樁間距垂直路線方向間距為1.2m，水平向間距0.9m，呈梅花形布置。

通過施工尾期及完工后2 個月的測斜孔不同埋深處的側(cè)向變形與前次（前期）側(cè)向變形對比可以看出側(cè)向相對變化位移極小（相對上月變化量僅為0.87mm），說明處治后邊坡巖土體基本收斂，深層坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 小結(jié)

（1）要重視病害邊坡的穩(wěn)定性專項分析與第三方咨詢工作。有必要開展邊坡處治前后的邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果的對比分析，合理地給出滑坡下滑力設(shè)計計算與復(fù)核。

（2）運(yùn)營期病害邊坡的處治必須建立在邊坡破壞機(jī)制的深入分析基礎(chǔ)上，找出病害癥結(jié)所在，一次根除完整、安全可行、經(jīng)濟(jì)合理處治方案。

（3）通過該邊坡運(yùn)營期的2 次處治過程中的監(jiān)測監(jiān)控與技術(shù)咨詢服務(wù)工作，總結(jié)得失，認(rèn)真梳理實施過程中經(jīng)驗和教訓(xùn)，具有重要的意義。