黄土路基高边坡稳定性分析及生态防护技术研究

要启亮

（太原市炳坤公路勘察设计咨询有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

随着国家中西部大开发战略的不断实施及“一带一路”发展战略的逐步推进，我国高速公路建设事业蓬勃发展，高速公路逐步向中西部山区迈进，由于其地形沟壑纵横，使之建设大量的路基高边坡。对于山西省而言，其地处黄土高原，在路基施工过程中产生大量的黄土路基高边坡，由于黄土大孔隙发育、垂直节理发育、含钙质成分较多，且具有强烈的水敏性等特殊的工程性质，使得黄土路基高边坡在施工及运营过程中极易受外荷载及地下水、地表水的影响而产生剥落、崩塌、不均匀沉降等病害，严重影响施工安全，增加运营养护成本。

近年来，国内外学者们针对黄土路基高边坡开展了一系列的技术研发，提出了大量较为实用的技术方法。孙德荣[1]结合辽西地区湿陷性黄土路基的工程案例，深入分析了黄土路基在各工况下的病害情况，并提出了湿陷性黄土路基的处理措施；蔡同俊[2]利用室内模型试验、现场试验、理论分析等手段深入研究了黄土路基的压实特性，并提出了其压实标准，为黄土路基施工技术奠定了良好的支撑；李金云[3]等人结合黄土路基的工程案例，利用数值模拟、现场试验等手段分析了强夯处置后的应力应变规律，为黄土路基施工控制提供了理论基础；屈耀辉[4]等人结合郑西高铁黄土路基工程案例，提出了湿陷性黄土路基沉降控制的技术体系；许兴旺[5]依托郑西、西宝、大西高铁黄土地基，对黄土路基地基沉降变形控制参数、技术进行全面研究。但是，目前针对黄土路基高边坡的稳定性研究方面的成果较少，且其防护技术多种多样，良莠不齐，使得黄土路基高边坡防护工程施工中问题不断暴露。因此，本文依托山西某高速公路路基高边坡的工程案例，利用数值模拟手段分析其稳定性，在此基础上提出适用于黄土路基高边坡的生态防护技术，为类似工程提供参考意义。

1 工程背景

山西某高速公路设计为双向四车道，其设计速度为80 km/h，该项目地处吕梁山脉，且位于山西-陕西黄土高原北部地带，其沿线地形地貌复杂，受长期地表径流的冲刷侵蚀作用，其沟壑纵横。项目区海拔高度在920～1280 m之间，其相对高差一般为80～100 m之间，最大高差达150 m，从而形成了以沟谷地形为主的黄土丘陵地带，项目区地形地貌情况如图1所示。

项目区深层地质情况主要以泥岩、砂岩为主，其埋深普遍大于40 m；而浅部地质情况主要以第四系上更新统冲击质黄土（Q3al）为主，其厚度高达35～40 m。根据现场地质勘查资料显示，项目区黄土分布较为均匀，呈浅黄色，土质疏松，大孔隙、虫洞发育，垂直节理较发育，且带有弱湿陷性。

受项目区地形地貌的影响，本项目沿线高填方路基35处，深挖路堑12处，其中高填方路基最高填土高度达42 m，共分为5个台阶，每个台阶高度为8 m，坡率均为 1∶2；平台宽度为3.5 m，其采用2.5%的外倾横坡，平台上布设有浆砌片石截水沟。

图1 某高速公路沿线地形地貌情况

2 黄土路基高边坡稳定性分析

2.1 数值模型的建立

为深入分析黄土路基高边坡的稳定性，本文利用大型数值分析软件，选取典型路基断面，建立二维数值模型，对黄土路基高边坡施工完成后的塑性区分布及竖向位移情况进行全面分析。鉴于该路基为对称结构，本文选取右半幅路基作为研究对象，其土体材料采用弹塑性本构模型材料Plane42单元，其遵从Drucker-Prager屈服准则；各材料的物理力学参数如表1所示。

表1 隧道模型材料物理力学参数

在模型边界条件方面，黄土路基高边坡左右施加水平约束条件，底面施加水平和竖向约束条件，上部取实际地表情况，不施加约束条件。本项目数值模拟过程中采用“alive”、“kill”命令来实现模拟单元的生死功能，在数值模拟开始时，先施加初始重力场。

2.2 数值计算结果分析

为全面获取施工完成后黄土路基高边坡的稳定情况，本文利用上述模型计算分析了其塑性区分布情况及竖向位移情况，所得计算结果如图2、图3所示。

图2 黄土路基高边坡塑性区分布图

图3 黄土路基高边坡竖向位移图

从图2中可以看出，黄土路基高边坡沿坡顶-坡脚方向呈现出明显的弧形塑性区，尤其在坡脚处，其塑性值最大，可见黄土路基高边塑性区发展主要受剪应力分布的控制，该特征与黄土路基高边坡的应力场特征非常吻合。此原因主要在于受自重应力及外部荷载作用的影响，黄土路基高边坡临空面向下滑移，使其沿坡顶-坡脚弧线方向产生潜在滑动面。

从图3中可以看出，黄土路基高边坡在竖向位移方面基本呈现从上到下逐渐减小的分布规律，其竖向位移最大值为2.76 mm，发生在黄土路基高边坡顶部，发生范围基本全部涵盖了半幅路基。黄土路基高边坡地基顶面竖向位移值为0.46 mm，远小于路基高边坡顶面竖向位移值。此原因主要在于该路基段地基为泥岩、砂岩，其工程性质相对较好，受外荷载后应变值较小，而黄土路基填筑后，由于黄土中粉砂含量较大、大孔隙发育、结构性较强，在外荷载及地下水的影响下产生较大变形，对路基高边坡稳定性产生不利影响。

3 黄土路基高边坡生态防护技术

3.1 生态防护技术方案

目前，传统的黄土路基高边坡防护措施主要采用圬工结构，虽具有施工速度快，早期强度高等特点，但由于黄土地区降雨主要集中在7—8月份的雨季，期间雨水极易深入黄土路基边坡土体内，导致路基填土产生湿陷变形，引发路基高边坡剥落、崩塌等病害；而且，圬工结构表面无法开展绿化工作，导致高速公路路侧人工修筑痕迹过于明显，影响沿线景观。近年来，随着土工合成材料技术的不断发展，土工格室植被防护技术作为一种新型的复合式结构植被防护技术得到技术人员的青睐，尤其在黄土路基高边坡工程中，既能够通过植物根系的发育来加固黄土路基高边坡土体，起到坡面防护的功能，又能够美化路侧景观，提升高速公路整体服务能力[6]。

由于本项目区浅部地质情况主要以Q3黄土为主，其土质疏松，大孔隙、虫洞发育，垂直节理较发育，且带有弱湿陷性，在雨季极易受降雨冲刷作用而产生垮塌，影响路基高边坡的稳定性。为此，本项目结合现场实际情况，采用土工格室植被防护措施对其进行全面防护，其设计结构型式如图4所示。土工格室植被防护的主要设计参数如下：

a）土工格室采用强化的HDPE材料，其壁厚为1.0 mm，高度为15 cm，经高强力焊接后形成三维网状格室，其焊接处抗拉强度应不小于10 kN/m。

b）在坡面防护结构方面，其上部采用土工格室平铺式，其坡度为1∶1.5；而下部均采用土工格室堆叠式，其坡度为1∶0.5。

c）土工格室的固定锚钉均采用带钩的φ12钢筋，其长度为50 cm，锚固深度应不小于35 cm，呈梅花型布设，其间距为1.5 m。

d）坡面台阶处应采用3层复合式结构，第一层为20 cm厚的3∶7片石混凝土；第二层为20 cm厚的20号片石混凝土；第三层为2 cm厚的7.5号水泥砂浆层。

e）坡面宜种植紫穗槐，其根系发达，可较好地固定边坡表面土体，且具有耐寒、耐旱、耐盐碱、抗风沙等优点，能够较好地适用项目区的水文地质条件。

图4 土工格室植被防护结构示意图

3.2 生态防护效果评价

本项目参照上述土工格室植被防护方案的技术要求，依次开展了黄土路基高边坡的坡面修整、土工格室铺设与锚固、土工格室回填土、坡面植被种植等工作，其现场实际情况如图5所示。

为全面评价本项目利用土工格室植被防护黄土路基高边坡的效果，在施工完成后，项目组对该段路基高边坡进行了长达2年的不间断观测，其结果显示：该段路基高边坡在施工及运营过程中整体稳定性较好，未出现坡面剥落、局部溜塌、崩塌等地质灾害，且坡面植被成活率高达95%，路侧景观得到大幅提升，取得了较好的防护效果。

图5 土工格室植被防护现场情况

4 结论

a）利用数值模拟手段对黄土路基高边坡分析后可知，其沿坡顶-坡脚方向呈现出明显的弧形塑性区，塑性最大值发生在坡脚处，可见黄土路基高边塑性区发展主要受剪应力分布的控制；而在竖向位移方面，基本呈现从上到下逐渐减小的分布规律，其竖向位移最大值发生在黄土路基高边坡顶部。

b）利用土工格室植被防护技术后，黄土路基高边坡在施工及运营过程中整体稳定性较好，未出现坡面剥落、局部溜塌、崩塌等地质灾害，且路侧景观得到大幅提升，取得了较好的防护效果。