高速公路边坡稳定性分析与防护设计

高速公路边坡稳定性分析与防护设计

胡光伟

摘 要：在对边坡变形特征、变形破坏机制研究的基础上，建立边坡稳定性分析的地质力学模型。应用简化的Bishop分析方法，以边坡潜在滑移面的最小安全系数为控制指标，对边坡的稳定性性能进行了研究。本文将该方法成功地应用于某高速公路某边坡稳定性的分析，在此基础上对该边坡进行了支护设计。实践表明，本文应用的关于边坡稳定性分析方法及支护方案切实可行，经济合理，可以作为类似地质条件的边坡稳定性分析及支护设计提供参考。

关键词：高速公路；边坡；稳定性；地质力学模型；支护；设计

1．引言

随着我国公路建设的飞速发展，高速公路边坡稳定性研究日渐引起公路部门的重视。边坡综合防护设计是高速公路设计的重要内容之一，需综合考虑降雨强度、地下水、地形、土质、材料来源等情况，合理布局，因地制宜地选择实用、合理、经济、美观的工程措施，确保高速公路的稳定和高速行车安全，同时达到与周围环境的协调，保持生态环境的相对平衡，美化高速公路的效果。

长期以来，高速公路边坡的综合防护技术一直是公路修筑中的一个薄弱环节，特别是进入90年代以后，我国高速公路建设方兴未艾，由于缺乏对防护技术的系统研究，没有成熟的经验供设计部门应用，因此只能用低等级公路的防护技术或供鉴铁路部门的经验来实施局部防护，缺乏综合考虑，从而为工程埋下隐患，造成了巨大的经济损失和不良的社会影响，表1为福建省高速公路施工时发生的主要边坡失稳统计[1]。

表1 福建省高速公路主要边坡失稳一览表

路段名称 失稳地点 失稳性质 规模（米） 工程投资（万元）

福全高速 石牌山高边坡 堆积层滑坡 边坡高40 800

福全高速 官秀互通边坡 古滑坡体复活 宽150、长150 600

漳龙高速 新祠互通边坡 顺层滑坡 高70、宽100

漳龙高速 K67+995处边坡 破碎岩滑坡 高100、宽70 350

漳龙高速 K63+770处边坡 堆积层滑坡 高200、宽160 350

漳龙高速 K64+670处边坡 古滑坡体复活 高110、宽200 350

漳龙高速 K64+960处边坡 古崩坡积层失稳 高20、宽60 70

福宁高速 八尺门互通边坡 古滑坡体复活 宽500、长300 5000

三福高速 梅列互通边坡 古滑坡体复活 高70、宽35 1000

三福高速 西芹桥头边坡 古滑坡体复活 高60、长300 1100

本文以重庆渝万高速公路里程K116+500处边坡为例，在通过对其进行全面、细致的地质调查和对其变形特征、变形破坏机制进行深入研究的基础上，建立稳定性分析的地质力学模型，以边坡潜在滑移面的最小安全系数为控制指标，对边坡的稳定性进行了研究，并对其进行了支护设计。通过综合比较提出：锚杆格梁的整体锚固方式从外部加力，增加该边坡的稳定性；以压力注浆方式增加边坡岩体强度，从内部增加边坡的稳定性；以喷播复绿进行坡面防护，同时，考虑到高速公路服务区的特点，在边坡治理的设计上，尽量考虑与景观的协调。实践表明，本文应用的关于边坡稳定性分析方法及支护方案切实可行，经济合理，可以作为类似地质条件的边坡稳定性分析及支护设计提供参考。 2．边坡工程地质概况[2][3]

重庆中石油迅发实业有限公司拟在渝万高速公路里程K116+500处两侧修建工程服务区，服务区位于重庆市垫江县太平镇皂角湾，布设于高速公路两侧。场地原地形地貌为丘坡，经场地开挖后，在场地北边外侧形成长约100 m，高度约2～18 m，岩体类别为II类的岩质边坡。

边坡场地在地质构造上位于卧龙河背斜北西翼。岩层产状为：倾向308°，倾角58°，无断层构造，从场地外人工岩质切坡坡面上测得构造裂隙为：

J1：308°∠58°，隙面平直，闭合状，间距1～2 m，顺层理延伸。

J2：130°∠47°，隙面呈舒缓波状，裂隙宽1～2 m，局部呈闭合状，无充填物，间距2～4 m，延伸3～8 m。

J3：25°∠76°，裂隙闭合弯曲状，无充填物，延伸不长，连续性差。

经钻孔揭露，场地自上而下地层岩土特征为：

（1）第四系全新统人工素填土（Q4ml）：组成物质为粘性土夹砂、泥岩碎块石，结构稍密，石含量一般为30%~50%，粒径多为10~16cm个别可达100 cm以上。为整平场地后局部尚未及时清运的临时碎、块石土堆，厚度达0~2.6 m，堆填时间约2年左右；

（2）侏罗系上沙溪庙组砂质泥岩（J1S）：紫色，粉砂泥质结构，厚层状构造。矿物成份主要为粘土质矿物，局部夹砂质条带，泥质胶结。岩芯中下部较完整，多呈中短柱状。厚度大于5 m，为场地基岩的主要岩性；

（3）侏罗系上沙溪庙组砂岩（J1S）：黄灰色或灰色，细粒~中粒结构，泥钙质胶结。矿物成份主要为长石、石英及云母片屑。岩芯较完整，多呈中长柱状。

场地地表大片出露基岩，基岩上部表层普遍存在强风化层，厚度多在1.0～1.5m，强风化层岩质软，岩芯破碎。无地下水赋存，地震基本烈度为VI度，设计基本地震加速度值为0.05g。

3．边坡变形特征及稳定性的计算与分析

根据地质勘察及现场调查分析，该边坡可能的破坏模式为圆弧滑动[4]，因此，本文采用圆弧滑动法中的毕肖普法(Bishop)[5]方法对其变形特征与稳定性进行分析和计算。

Bishop定义边坡稳定安全系数为

iiiiiiiiiisWtgXXWlcmFsincos11 （1）

式中

siiiiFtgmsincos；

ic、i、il分别是第I滑块的粘聚力、内摩擦角和弧长；

iW是第I滑块的自重；

i是条块底面中心的法线（过圆心）与过圆心O的铅直线间的夹角；

iX、1iX是第i滑块的侧面的切向力。

式（1）中iiXX1是未知的。本文为简化起见，令各条块的iiXX1均等于零，则式（1）可简化为： iiiiiiiisWtgWlcmFsincos1 （2）

在建立该边坡稳定性分析的地质力学模型时，将边坡分为两层：第一层强风化泥岩和第二层中风化泥岩，同时考虑地震和暴雨作用引起边坡地下水丰富的情况，计算参数见表1。图1为边坡稳定性分析的地质力学模型。

表2 边坡稳定性分析的计算参数

层号 γ(kN/m3) c(kPa) φ(°)

①层强风化泥岩 23 10 35

②层中风化泥岩 26 100 38

图1 边坡稳定性分析的地质力学模型

充分考虑边坡各种可能的失稳情况[6]，经过多次试算，得到该边坡潜在滑动面的最小安全系数为1.19。文献[7]规定，这种类型的边坡，其最小安全系数应不低于1.3。因此该边坡有失稳的可能，须对其进行相应的支护。

4．边坡支护设计与计算

4.1 支护设计

边坡的支护设计与一般工程设计有很大不同，主要表现为：岩土性质复杂，地质条件变化大，技术措施多样。因此，一般情况下，边坡支护设计中主要遵循的原则是：（1）以安全实用、经济合理、兼顾坡面美观为主要指导原则；（2）满足各种技术措施的相应设计规范要求；（3）满足安全度标准，保证在现有情况下整体的稳定性。目前，对边坡的支护很少采用单一的方法，而是根据边坡坡工程的具体情况，采用多种方法相配合的综合方法，以便取得更好的技术经济效益。

在上述原则的指导下，根据渝万高速公路里程K116+500处边坡的具体情况，本设计采取锚杆格构+压力注浆+挡土墙+坡面喷播复绿+截水沟的综合支护方案。

4.2锚杆的设计计算

按文献[7]要求本边坡的最小安全系数3.10，以此为控制指标，计算得到本边坡的总下滑力196PkN/m，为此，在坡面上设置6排锚杆，倾角015，水平间距3.0m，垂直间距3.0m，采用HRB335型锚筋，锚固体直径D=80mm，则锚杆的轴向拉力为 5.101cos36/PNak kN （3） 本设计中取荷载分项系数3.1Q，则单根锚杆轴向拉力为

9.1315.1013.1akQaNN kN/m （4）

锚杆钢筋截面面积为

63720yasfNA mm2 （5）

其中

2——锚筋抗拉工作条件系数，本边坡工程取0.69；

yf——锚筋抗拉强度设计值（kPa）。

锚杆锚固体与地层的锚固长度为

2.21rbakafDNL m （6）

其中

1——锚固体与与地层粘结工作条件，本边坡工程取1.00；

rbf——地层与锚固体粘结强度特征值（kPa），其值由实验确定。

根据以上计算结果，设计时采用HRB335型1Φ30锚筋，锚固长度不小于3.00m。

5. 结论

1．本文采用了简化的Bishop方法对边坡的稳定性进行了研究，以边坡潜在滑移面的最小安全系数为控制指标，对边坡的稳定性性能进行了分析。并将该方法成功地应用于重庆渝万高速公路重庆段K116+500处边坡稳定性的分析，在此基础上对该边坡进行了支护设计。实践表明，本文应用的关于边坡稳定性分析方法及支护方案切实可行，经济合理，可为类似地质条件的边坡稳定性分析及支护设计提供参考。

2．边坡的支护设计主要遵循的原则是：以安全实用、经济合理、兼顾坡面美观为主同时要满足各种技术措施的相应设计规范要求，而且要满足安全度标准，保证在现有情况下整体的稳定性。对边坡的支护往往是根据边坡坡工程的具体情况，采用多种方法相配合的综合方法，在此原则的指导下，根据渝万高速公路里程K116+500处边坡的设计采取锚杆格构+压力注浆+挡土墙+坡面喷播复绿+截水沟的综合支护方案。

参考文献

[1] 姚国芳. 福建高速公路路堑边坡及滑坡病害防治工作情况介绍. 中国科技咨询中心滑坡防治技术培训班讲义. 2002

[2] 重庆中油垫江服务区拟建场地岩土工程勘察报告. 重庆市勘测院, 2005. 08

[3] 重庆市渝万高速公路垫江服务区边坡工程防护设计. 江苏省交通规划设计院, 2005. 11

[4] 陈仲颐, 周景星, 王洪瑾. 土力学, 清华大学出版社, 1994: 239-274

[5] Bishop, A. W. The Use of the Slip Circle in the Stability Analysis of Earth Slopes. Géotechnique, 5, 7-17(1955)

[6] Thompson, R. J. The Location of Critical Slip Surfaces in Slope-Stability Problems. J. S. Afr. Inst. Min.

Metall. , 93(4):85-95(1993)

[7] 建筑边坡工程技术规范（GB50330-2002）.中华人民共和国国家标准