陡傾泥巖路塹邊坡失穩模式研究

摘要：文章根據研究區路塹邊坡地質情況，對路塹高邊坡的穩定性進行了定性及定量分析評價，結合項目的施工監測數據，對邊坡施工過程中的位移趨勢進行分析，提出了在坡腳區增設鎖腳錨桿、加強坡面防護的措施，并通過運營監測驗證了該邊坡支護措施是有效的。

關鍵詞：陡傾路塹邊坡；結構面；失穩模式；赤平投影

中圖分類號：U416.1+4" " " "文獻標識碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.010

文章編號：1673-4874（2024）11-0031-03

引言

我國西部地區公路建設過程中常出現大量的深挖路塹邊坡，公路路塹邊坡失穩模式也是許多專家學者研究的重要課題。邊坡穩定性的整體分析是邊坡設計的核心工作，對于不同巖土地質情況，邊坡呈現的破壞模式并不一致［1］。定性的邊坡分析模式主要包括現場調查法、工程類比法等，定量的方法則主要依靠巖土參數數據，對邊坡進行定量的計算分析，以得到相關的穩定安全系數等參數具體指導邊坡設計［2］。公路路塹邊坡的穩定性直接關系到后期運營安全，而建設期的邊坡支護形式關系到建設期的成本控制［3］。因此，在設計公路路塹邊坡時，應根據實際工程的地質條件，因地制宜，采用合理的支護形式，確保公路建設質量與安全的和諧統一。目前雖有許多學者對邊坡穩定性進行了諸多研究，但因巖性、地層類別、地質構造特征等地質條件存在差異［4-5］，對公路陡傾路塹高邊坡進行研究仍很有必要。

本文根據研究區路塹邊坡地質情況，對路塹高邊坡的穩定性進行了定性及定量分析評價，再結合項目的施工監測數據，通過對邊坡施工過程中的位移趨勢進行分析，提出了在坡腳區增設鎖腳錨桿，并加強坡面的防護措施，在邊坡建設完成后的運營監測證實邊坡支護措施是有效的。

1工程概況

擬建公路走向約為西北-東南走向，線路在K0+180～K0+320段落穿越一處山體，區域內大部分為原始地形，部分區域有人工開挖及回填跡象。公路建設后，公路左側地形切坡后將形成傾向為230°，高度約為25 m的泥巖質路塹邊坡。據上，本段公路路塹邊坡典型剖面圖見圖1。

根據地質成果資料，項目區邊坡為剝蝕丘陵地貌，原始地形坡度為30°～45°，鉆孔揭露區域內第四系覆蓋層較薄，厚度≤4 m，主要由粉質黏土組成，局部地區分布有人工填土，下伏基巖主要為泥巖，巖層產狀為226°∠65°，強風化段巖體稍破碎，中風化段巖體質量較好。邊坡范圍分布有兩組構造裂隙，據現場出露巖層觀測，裂隙產狀分別為130°∠32°及310°∠45°。場地內未見滑坡等不良地質作用，現狀地形無拉裂跡象，現狀地形穩定。

2路塹邊坡整體穩定性分析

陡傾泥巖順向邊坡的破壞模式按照內部結構面分布特征不同，可分成平面滑動破壞、圓弧滑動破壞、楔形體破壞和壓潰破壞。在邊坡范圍泥巖強度較低情況下，陡傾泥巖邊坡在開挖后若不及時防護，坡腳泥巖區風化后邊坡易發生坡腳區域壓潰破壞。邊坡穩定性分析目前已有較多理論，針對公路巖質路塹邊坡整體穩定性分析較為常用的理論為赤平投影分析［6］。赤平投影通過二維平面的圖形來表達邊坡內坡面、結構面的空間關系，通過相對關系來定性判別巖質邊坡的整體穩定性。該段公路路塹邊坡的赤平投影分析如圖2所示。

通過對圖2的分析可知，邊坡坡向與兩組裂隙的傾向呈現大角度相交，邊坡坡向與巖層傾向為小角度相交，邊坡屬順向坡。邊坡坡率采用1∶1進行放坡后，邊坡角度緩于巖層傾角，定性分析邊坡不會沿層面進行滑動。但考慮到該項目邊坡開挖卸載高度較大，開挖后邊坡巖體卸載后極易導致巖體內部原本閉合的裂隙張開，邊坡應力重分布后，坡腳區域應力較大，在降雨、風化疊加條件下導致邊坡產生表層滑移。現場調查發現本路段周邊主要為原始地形，無建構筑物，邊坡設計采用坡率法放坡加邊坡坡面防護，在巖層段采用1∶1坡率進行放坡，土層段采用1∶1.5進行放坡，相鄰級邊坡之間設寬度為2 m的分級平臺。根據地區經驗，考慮到邊坡范圍的泥巖屬易風化巖體，邊坡坡面防護措施采用錨桿植被混凝土進行坡面防護，錨桿按照2 m間距正方形布置，錨桿長度為5 m，坡面設置泄水孔。

邊坡穩定性通常由巖體強度及結構面兩個方面綜合控制。根據前述分析，邊坡按照45°放坡后不易產生沿層面滑動。為探明邊坡巖體強度控制的穩定性，擬按照本項目地質成果提供的項目區巖土層參數對巖體強度控制的邊坡穩定性進行計算。相關巖土參數如表1所示。

巖體強度控制的邊坡穩定性安全系數是抗滑力矩與滑動力矩的比值，通過多次迭代計算不同半徑圓弧所得的穩定系數，取最小值作為邊坡的安全穩定系數。計算方式采用Bishop條分法對邊坡進行條分，考慮土條側面力，通過傳遞系數法依次計算得到邊坡的穩定系數，條分法邊坡穩定系數計算分析如圖3所示。穩定系數Ks一般是邊坡抗滑力矩Mp（kN·m）與下滑力矩Ma（kN·m）的比值。

Ks=MpMa（1）

根據項目地質資料計算的邊坡穩定系數Fs為1.56，＞1.35，按照穩定系數對邊坡穩定狀態進行分類，邊坡處于穩定狀態，指標滿足《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013）的要求。

3路塹邊坡監測

3.1監測數據分析

公路陡傾路塹邊坡的監測是作為巖土信息法設計的延續，可有效彌補勘察資料的不足，邊坡設計應嚴格貫徹逆作法、動態信息法設計。路塹邊坡的監測從邊坡起始卸載開始布點，在邊坡卸載過程中隨著邊坡的下挖，在邊坡分級平臺上新增監測點。監測頻率按照15 d/次，共設置有4組監測點，分別位于邊坡坡頂、邊坡頂部一級平臺、邊坡底部一級平臺，路面層。在施工開挖至設計路面標高時，共有7期監測成果，如表2所示。

邊坡在第4次監測周期時，已按照逆作法施工開挖至路面標高，由于突發雨季，邊坡坡腳一級邊坡在開挖后未及時支護。15 d后，坡腳一級平臺處的水平變形及豎向變形速度加速，坡腳一級平臺未及時支護的邊坡出現一定的鼓脹變形，現場監測點水平位移最大值為20.6 mm，豎向位移最大值為17.7 mm均位于坡腳一級平臺位置。經現場調查，表層裸露的中風化泥巖出現一定程度的風化，坡面巖層經風化后整體較為破碎，局部地區被水浸泡區域出現泥化特征，坡腳一級平臺下方的坡面出現一定的鼓脹變形。

結合監測數據及現場情況，分析坡腳一級邊坡出現鼓脹變形的原因主要為邊坡形成后未及時進行坡面防護，泥巖在降水及施工期間擾動等多因素作用下，裸露的泥巖軟化，強度降低，導致在邊坡表層出現局部鼓脹的趨勢。為減小邊坡的變形趨勢，需結合邊坡出現剪脹后的物理力學參數對坡腳一級邊坡采取加強防護措施。

3.2坡腳一級邊坡防護措施

為加強邊坡沿坡腳區的穩定性，考慮對坡腳一級邊坡的巖土強度參數進行部分折減，當邊坡穩定安全系數達到基本穩定狀態時，取此狀態下對應的巖層物理力學參數進行坡腳一級的支護措施設計。經對此段邊坡進行反算后表明，巖體飽和狀態下的粘聚力為50 kPa、內摩擦角為25°時，邊坡的穩定安全系數為1.08，邊坡達到基本穩定狀態，與現場情況基本吻合，判定標準按照《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013）執行。

因目前邊坡坡形基本形成，受開挖面及征地邊界限制，采用體積較大的支護措施時實施空間受限，在支護措施的選擇上，盡量選擇占地面積較小且便于實施的工程措施。錨桿作為一種用于加固巖質邊坡的支護結構，其原理主要是通過采用錨桿的拉力平衡邊坡內部的下滑力。錨桿受力計算分析如圖4所示。采用錨桿加固后的邊坡穩定系數Fs的計算公式為：

Fs=cl+［ptsin（θ+β）+Wcosθ］tanφ+ptcos（θ+β）Wsinθ（2）

式中：W——巖體重度（kN）；

c——巖體粘聚力；

φ——巖體內摩擦角（°）；

Fs——安全系數；

——滑面長度（m）；

θ——巖層層面傾角（°）；

β——錨桿與水平方向夾角（°）；

pt——錨桿設計拉力（kN）。

經對邊坡坡腳一級邊坡按照折減后的參數進行計算分析，坡腳一級擬采用肋柱式錨桿擋墻進行補強。肋柱縱向間距為2 m，錨桿豎向間距為2.5 m，傾角為20°，錨桿穿過破裂角后錨固長度≥6 m。在坡面上同時增設深層泄水孔，加強路塹邊坡的排水，盡可能排走對路塹邊坡有影響的地下水。為提高耐久性，深層泄水管采用加厚PVC管進行制作，坡腳處增設排水暗溝，有組織排走坡面雨水。邊坡處治完成后，同時對邊坡頂部截水溝有裂縫或展開的區域進行封閉，對截水溝與邊坡坡口間地表采用混凝土進行封水。綜上，邊坡坡腳一級邊坡的加強防護措施布置如圖5所示。

采用肋柱式錨桿對坡腳一級邊坡進行防護后，經計算，延米路塹邊坡增設錨桿后抗滑力為1 260.3 kN/m，下滑力為863.2 kN/m，邊坡穩定系數為1.46，＞1.35，可滿足一級邊坡的穩定性要求，邊坡在理論計算模式下整體安全，可為公路后期運營提供保障。

3.3處治后邊坡監測效果

為加強對處治后陡傾泥巖路塹邊坡變形的控制，在坡腳一級邊坡支護措施實施完成后對邊坡進行連續性監測。在邊坡實施完成至3個月后，得到了邊坡變形連續監測結果，如圖6所示，圖中橫軸為監測期數，豎軸為變形值（mm）。

從圖6可看出，在坡腳一級邊坡的防護措施實施完成后，邊坡水平位移及豎向位移變形增量累計值＜10 mm，變形速率＜0.5 mm/d。坡腳一級邊坡未及時支護時，坡腳一級邊坡巖層軟化，導致邊坡出現變形加速階段；在對坡腳一級邊坡的支護措施進行加強后，邊坡整體變形趨勢變緩，最后趨于平穩，證實了項目的防護措施處治效果達到預期，可滿足公路運營期間的各項指標要求。

4結語

本文通過對陡傾泥巖路塹邊坡失穩模式進行分析，得到如下結論：

（1）因為地質條件的復雜性，巖質邊坡的穩定性是由多方面因素控制的，在不同的結構面分布、巖石強度情況下，邊坡破壞模式差異較大。邊坡的穩定性計算均以前期資料為基礎，可能存在一定的局限性，在項目實際實施過程中，應加強對邊坡地質條件的調查，特別是邊坡的結構面分布，因地制宜制定邊坡的防護措施。

（2）泥巖屬易風化的軟巖，陡傾泥巖質路塹邊坡坡腳是應力集中部位，也是邊坡最薄弱的區域，若邊坡開挖后不及時進行防護，泥巖快速風化后易造成邊坡整體失穩。在較高的軟巖質陡傾路塹邊坡施工過程中應嚴格按照逆作法分段施工，開挖一級支護一級，確保陡傾泥巖質邊坡穩定性。

（3）據邊坡坡腳一級邊坡發生病害后的原因分析，對邊坡采取以肋柱式錨桿擋墻為主的加強治理措施。加強措施實施后邊坡安全系數滿足規范要求，變形監測成果也顯示邊坡整體趨于穩定，變形得到控制，其處理過程可供類似項目參考。

參考文獻：

［1］鄭穎人，陳祖熠，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］鄒序五，史鵬飛，矯偉剛，等.巖質路塹邊坡的穩定性分析［J］.公路交通科技（應用技術版），2010（7）：132-134.

［3］鄒振東，丁振.城市道路邊坡設計的影響因素及防護措施［J］.綠色交通，2017（3）：243-244.

［4］何忠明，吳維.基于應變軟化模型的軟巖高邊坡過程穩定性研究［J］.中南大學學報（自然科學版），2013，44（3）：1 203-1 208.

［5］JTG D30-2015，公路路基設計規范［S］.

［6］邱俊杰，王寧，羅程鴻.砂質高邊坡路塹工程雙排樁支護結構數值分析［J］.路基工程，2020（2）：74-79，86.

作者簡介：羅楨琦（1983—），工程師，主要研究方向：道橋施工與管理。

收稿日期：2024-05-18