高速公路路基邊坡防護設計問題研究

張 馳

（北京建達道橋咨詢有限公司華中設計分公司,湖南 長沙 410000）

0 引言

隨著高速公路建設里程的增加，沿線所遇的地質條件和氣候條件更具復雜性，以路基邊坡為例，可能存在安全性差、穩定性不足等問題，若缺乏行之有效的處理措施，易影響車輛的安全通行。鑒于此，亟須加強對高速公路路基邊坡防護設計的研究，梳理設計思路，掌握設計策略，提高設計水平。

1 工程概況

某高速公路工程全長87.55 km，路基設計寬度33.5 m。沿線地形條件特殊，工程建設中涉及大量的高填深挖路段，如何保障路基和挖方邊坡的防護設計效果是值得重點探討的內容。路基邊坡防護設計中，需根據各段地形的實際特點制定針對性的防護方案。

2 公路路基邊坡穩定性力學機理

受巖土重力、人為因素的影響，在路基兩側形成邊坡，未經處理時此部位的穩定性欠佳，可能引起路基變形、失穩滑塌等問題，不利于公路的正常運營和車輛的安全通行。公路路基邊坡的結構如圖1所示。

圖1 公路路基邊坡結構示意圖

坡體內部因土體的重力作用而產生切向應力。此部分作用力超過土的抗剪強度時將引起剪切破壞，表現出公路路基滑坡問題。初期，肉眼可見公路路基邊坡存在裂縫且有下沉的變化趨勢，觀察坡腳周邊的地面可見其有小幅度的隆起。若滑坡未得到及時的處理，裂紋持續發展，土體滑動現象愈發明顯，可見其沿著某滑動面持續下滑，最終引起嚴重的滑坡事故。在分析公路路基邊坡的滑坡問題時，極限的滑坡狀態屬于重點考慮對象，此時具有剪應力等同于抗剪力的關系，具體如下：

式中，f1——剪應力；Cn——抗剪強度峰值；L1——主滑段長度。

土體的抗剪強度因邊坡滑坡而快速降低，滑體發生滑動，存在不平衡剪力，即：

式中，f2——不平衡剪力；C0——殘余抗剪強度。

滑體滑移的加速度，如下：

式中，a——滑體滑移的加速度；g——重力加速度；W——滑體的重量。

3 高速公路路基邊坡防護設計原則

（1）條件允許時，盡可能做到“就地取材，綜合施工”，提高現有資源的利用水平，減少工作量[1]。

（2）路基邊坡的養護尤為關鍵，需立足現場的地形條件、巖土體特性、氣候條件等，經可行性分析后選擇最佳的施工技術和材料。

（3）根據因地制宜的原則制定施工方案，確保建設成型的高速公路路基邊坡有效適應現場的各類特殊環境，使邊坡始終保持穩定。

（4）在保證高速公路路基邊坡施工質量的同時，還需注重對周邊環境的防護，例如減小工程建設對植被的破壞；同時，追求高速公路路基邊坡的美觀性，使其與當地自然環境融為一體，減少突兀感。

4 高速公路路基邊坡防護設計問題及方案

4.1 高速公路路基邊坡破壞現狀及原因

4.1.1 邊坡坍方

坍方是高速公路路基邊坡發生率較高的病害，且屬于水毀的多發性現象。按照成因和破壞規模的不同，有剝落、碎落、崩塌、滑坍等多種路基邊坡坍方形式。其中，剝落常見于易風化的巖土坡面，與邊坡開挖后未及時得到防護有關，缺乏防護的坡面裸露至外界從而發生風化，巖土體愈發松散，呈散粒狀后順坡滑落。崩塌主要集中在陡坡頂部裂隙發育的部位，巖塊由于下方基礎失去支撐而失穩崩落，或沿著層面、節理、局部斷層帶發生傾倒。滑塌產生的巖土塊大量堆積在坡腳，并且存在溝蝕沖積物堆積現象時，將引起堆塌破壞，形態上看可見堆塌體以半錐體形為主。

4.1.2 高速公路深層失穩破壞

從破壞形態的角度來看，破壞面有平面、曲面、楔形等形式，通常指的是發生于坡面2 m以下的深處演化，隨著演化的持續進行而出現剪切滑移破壞現象。由于滑下的土方量較大（嚴重時高達數十萬方），深層失穩破壞普遍造成極為嚴重的危害，出于質量考慮和安全考慮，需盡可能規避此類深層破壞。

4.1.3 邊坡破壞原因

（1）路基邊坡防護設計時未全面考慮各項與邊坡有關的影響因素，信息的全面性和準確性降低，設計工作難以順利開展，或是設計方案缺乏可行性。

（2）路基邊坡防護設計時缺乏限制性條件，存在潛在的安全隱患[2]。

（3）高速公路路基邊坡的材料、機械設備選擇不合理，以及各類工程物資與人員的配合不當，未充分發揮出工程資源的利用價值。

4.2 公路路基邊坡防護設計方案

4.2.1 路塹邊坡擋土墻防護設計

以該高速公路的K40+262～K49+126段為例，分析路基左側巖質路塹邊坡的防護設計方案。根據前述提及的幾項邊坡防護設計原則，提出“將板肋式錨桿擋土墻作為支擋防護”的方案，結構組成包含擋土墻、鋼混肋柱、鋼筋拉桿、墻面板，在拉桿與擋土墻自重的聯合作用下，保證擋土效果，確保支擋防護方式在該段巖質陡坡高挖方路段具有可行性。

從現場實際條件出發，結合計算模擬結果確定擋墻、錨桿等的布置位置和具體數量。在邊坡開挖后，將錨桿布置在立面，以1∶0.3的寬高比放坡，于坡壁布置7～9排錨桿，錨桿深入風化巖層穩定層的深度不少于5 m。按4 m的間距依次布置板肋式錨桿擋土墻肋柱，橫截面1 000 mm×600 mm，統一單向布置。肋柱、頂梁施工材料分別采用C30、C20鋼筋混凝土，肋柱頂梁截面的寬高比取1.2∶1，柱腳嵌入深度不少于1.5 m。肋柱施工采取現場澆筑混凝土的方法，澆筑后進行養護，以防結構裂縫的出現。

擋土墻板的單塊板尺寸為3.8 m×1.0 m×0.4 m，施工材料與肋柱一致。施工時，預留板間距0.1 m，以免混凝土結構發生劇烈脹縮[3]。基底埋深1～1.5 m，用C20混凝土底座找平。擋土墻面板與肋柱搭接量控制在0.5 m，保證結構的穩定性。在路塹頂部設計截水溝，在擋墻面板和坡面設泄水孔，使地表水高效流動至急流槽內并向指定區域排放，避免因地表徑流及雨水沖刷而導致擋墻失穩。

4.2.2 抗滑樁防護設計

抗滑樁對路基的防護效果良好，其思路在于對滑床部位施工抗滑樁，發揮出受力樁段的土力作用，維持抗滑坡體的穩定性，防止其發生下滑。實踐表明，在高速公路路基防護中設置抗滑樁具有良好的應用效果。滑面上半部分屬于受力段，樁體埋入滑面下方的部分屬于錨固段，其中受力段的承載性能良好，加之錨固段地層反力的作用，可有效提高樁身的加固效果，確保樁身所在的路基邊坡可維持穩定。若能夠有效控制樁身強度和錨固段地層強度，將有效抑制滑坡引起的下滑力，確保路基邊坡具有足夠的穩定性。

4.2.3 預應力錨索護坡設計

邊坡部分區域呈松散狀，巖體的受力缺乏均勻性，路基邊坡的穩定性較差，所具備的承載性能有限，易影響公路的正常使用。為提高路基邊坡防護效果，采取在路基邊坡防護中應用預應力錨索的方法。設計中，著重考慮非順層坡路段和順層坡路段兩部分，進行針對性的防護設計。其中，在非順層坡路段的錨索設計中，根據坡面的形態合理設計錨索的布置方式，使錨束和坡面呈垂直的關系；對于順層坡，則需調節錨索和坡面的夾角，并嚴格控制巖層傾角，以便充分發揮出錨索在邊坡防護中的作用。在該高速公路工程中，路基邊坡防護所用立柱的斷面尺寸為800 mm×600 mm，同時施作厚度為35 mm的混凝土保護層，保證防護效果。不同立柱布置間距所帶來的加固效果存在差異，因此設計時還需對比分析多種立柱間距的應用效果，從中確定最佳的立柱間距。

4.2.4 SNS柔性防護網設計

部分路塹防護設計采用SNS主動柔性防護網，路塹坡度為四級1∶0.75，五級1∶1，深度50余米。地質勘察結果顯示，工程現場的巖石風化明顯，存在危石、局部滑塌等問題，為規避安全隱患，采用柔性防護網進行邊坡的防護。防護網材料采用的是GPS2型SNS柔性主動防護網，具體包含鋼絲網繩、鋼絲格柵、錨桿、支撐繩等。正式施工前，先將坡面、坡頂等各防護區域的松石、危石清理干凈，再于現場測量放線，確定錨桿鉆孔的實際位置，鉆孔后清孔，檢測成孔質量，其中孔深宜超過錨桿設計長度約10 cm。巖體的位置較為特殊或鑿巖設備難以有效適應現場施工條件時，設置人字形錨桿，其由兩根鋼繩組成，將各自錨入孔徑至少為Φ35的錨孔中。錨桿的錨入安排在鉆孔注漿完成后進行，期間加強對孔內漿液飽滿狀態的檢查，若存在空隙隨即安排二次注漿，直至漿液填充至飽滿狀態為止。漿液的養生采取標準養生的方法，期間加強防護，減少外部因素的影響，以免出現錨桿偏位、漿液固結效果差等各類問題。經過養生后，按圖紙要求張開支撐繩并進行拉緊，隨后以綁扎的方法將繩卡連接至外露錨桿環套。待前述工作均結束后，鋪設鋼繩網。為充分保證鋼繩網的穩定性，在該路段邊坡巖層地質條件較差的部位采用雙層鋼繩網，鋪設前檢查材料的質量，判斷抗脫落拉力、抗錯動拉力是否達標，若某項指標不滿足要求或鋼繩有受損的跡象，隨即換新，確保投入使用的鋼繩網均滿足質量要求。鋼繩網的鋪設按照自坡頂至坡腳的順序進行，每完成一張鋼繩網的鋪設后，隨即用縫合繩將其與支撐繩連接，同時用繩卡將鋼繩網分別與縫合繩、支撐繩連接至一體，組成完整的鋼繩網結構。按前述提及的方法逐層鋪設，最終形成完整的柔性防護網。

4.3 植物邊坡防護設計

4.3.1 漿砌片石骨架

高速公路路基邊坡防護采用的漿砌片石骨架有人字形、拱形等多種形式，在該工程中采用的是適應范圍較廣的拱形骨架，例如在各類土質、路堤等部位均有良好的應用效果。骨架植草防護的坡率以1∶1.0～1∶1.5為宜，該工程按照1∶1.5的坡率進行施工，邊坡分級高度取8 m。路基邊坡坡頂設置預制路肩邊緣石，坡腳設漿砌片石基礎。拱形骨架用漿砌片石施工成型，其中拱圈半徑1.5 m，厚度30 cm，每列拱圈間均設40 cm骨架；每隔43.7 m設1道人行踏步，在滿足人員通行要求的同時兼并發揮出排水的作用；每隔10.6 m設一處寬度為2 cm的伸縮縫，向縫內填塞瀝青麻筋。拱圈施工時，先換填種植土（厚度約為15 cm），再以濕法噴播植草的方式加以防護。

4.3.2 土工格柵加筋土植草防護

向土中加入拉筋，提高土體強度，確保土體具有足夠穩定性。土工格柵加筋土植草防護在公路路基邊坡防護中具有良好的應用效果，加筋土可設置成較高的垂直填土邊坡，避免由于工程建設而大量侵占土地，防護結構則屬于柔性結構，可較好地適應地基變形。通常，在放坡困難、用地緊張或填土較高的地區進行公路路基邊坡防護施工時可采用土工格柵加筋土植草防護技術。加筋土的陡坡坡度為1∶0.5，坡面設計成臺階高度為38 cm的小臺階形。土工格柵反包麻袋后，向麻袋內裝耕植土，提供有利于植被生長的條件。土工格柵加筋土植草防護結構，如圖2所示。

圖2 土工格柵加筋土植草防護設計

在該工程中，于填土路基和土石路基的邊坡防護中采用加筋土結構。用于防護施工的填料需具有良好的透水性，使用前進行現場土工試驗，評價填料質量，例如綜合摩擦角需超過35°，最大粒徑在150 mm以內。對于填土路基，填料采用級配良好的砂類土、礫類土；對于土石路基，在保證填料最大粒徑不超過150 mm的同時還要求粒徑超過100 mm的部分占總量的比例不大于30%，如此才可提高格柵與填料的嵌固效果。用于陡邊坡加筋的土工格柵材料可采用HDPE塑料拉伸格柵，在選材時要求此類材料具有良好的防紫外線能力，炭黑含量不低于2%，以免在坡面反包處格柵裸露而出現材料性能異常退化的情況（主要與太陽暴曬有關）。在邊坡的底部用級配碎石施工厚度為30 cm的排水層，避免積水。填挖交界部位的下方設2層土工格柵，保證此部分材料在使用過程中無不均勻沉降現象。

5 結語

綜上所述，經過對某高速公路路基邊坡防護設計的分析，提出設計原則、主要問題及關鍵的設計方法，建議相關單位在進行路基邊坡防護設計時從現場地形、地質、水文等基礎條件出發，進行路基邊坡防護結構形式的選擇與優化，以優質的材料建設防護結構，維持路基邊坡的穩定性。例如，聯合采取植被防護和工程防護措施，建立完善的防護體系，對路基邊坡的防護效果較好，對類似工程有參考價值。