市政道路高边坡设计及稳定性评价

刘荣华,谭栋杰

(上海市政工程设计研究总院(集团)有些公司,上海 200092)

边坡的失稳通常是由多种因素共同作用的结果,其一是外力的作用破坏了岩体或土体原来的应力平衡；其二是岩体或土体的抗剪强度受外界因素的影响而降低[1]。现以重庆市渝北区中央公园西路北拓段边坡设计工程为例,介绍高边坡评价及支护设计。

根据渝建发[2010]166号[2]“关于进一步加强全市高切坡、深基坑和高填方项目勘察设计管理的意见”,高切坡、深基坑、高填方项目是指因建(构)筑物和市政工程开挖或填筑所形成的边坡以及对工程正常使用或可能造成安全影响的边坡项目,其高度或深度超过了以下范围：

(一)高切坡：岩质边坡高度≥15米,岩土混合边坡高度≥12米且土层厚度≥4米,土质边坡高度≥8米。

(二)深基坑：岩质基坑高度≥12米,岩土混合基坑高度≥8米且土层厚度≥4米,土质基坑高度≥5米。

(三)高填方：填方边坡高度≥8米。

1 工程概况

中央公园西路北拓段(以下简称公园西路)起于现状公园西路,止于悦港北路,设计车速为50km/h,道路等级为城市主干路,道路全长约为2.75km,道路标准路幅宽度为32m,双向六车道。根据重庆市建委渝建发[2010]166号文件精神,中央公园西路北拓段K0+000～K0+240两侧、K1+500～K1+990两侧为路基高挖方路段,最高挖方边坡约为40.04m。中央公园西路北拓段K2+000～K2+700右侧为高填方路段,最高填方边坡约为35.2m。

2 设计原则

(1)遵循“安全第一”的原则。项目片区建设日新月异,基础设施建设齐头并进,形成边坡情况千差万别,但所有边坡支护项目都必须遵行“安全第一”的原则,确保“同步支护、不留后患”,支护后的边坡安全、稳定,不造成次生灾害。

(2)遵循“节约土地,造价合理”的原则。高边坡支护本身需占用一定土地空间,在确保安全的前提下,提高土地利用率,使综合造价趋于合理。

(3)遵循“因地制宜”的原则。边坡支护和所在位置的地形、地貌、地质、气候条件及土地使用要求密切相关,需考虑各种实际情况和影响因素,“因地制宜”的制定支护方案。

(4)遵循“与环境协调统一”的原则。为建设生态宜居园区,在满足“安全”的前提下,尽量采用生态环保的整治方案,创造积极良好的生态环境。

(5)遵循“动态设计、信息法施工”的原则。边坡工程作为专业技术要求高的专项工程,应特别遵循“动态设计、信息法施工”的原则,科学设计、精心施工,使治理工程最终效果最佳。

3 高边坡地质评价及处治措施

3.1 挖方基段K0+000～K0+240两侧

该段为挖方路基段,覆盖层为粉质粘土和素填土,厚0.00～2.30m,下伏基岩为泥岩和泥灰岩,及少量页岩。道路按设计开挖后,左右两侧形成挖方边坡,主要由泥岩、砂岩和少量粉质粘土组成。

左侧按设计岩质坡率1∶0.75,土质坡率1∶1.50分阶开挖后,最大挖方高度为26.28m,部土层为粉质粘土,厚度最大为2.10m,岩土组成为泥灰岩和少量粉质粘土,边坡安全等级为一级,边坡岩体类别为III类；右侧按设计岩质坡率1∶0.75,土质1∶1.00分阶开挖后,最大挖方高度为35.42m,上部土层为粉质粘土,厚度最大为2.30m,岩土组成为泥灰岩和少量粉质粘土,边坡安全等级为一级,边坡岩体类别为III类。

由地勘报告中的赤平投影分析图可知道路左侧边坡倾向为78°,为反向坡,裂隙2为主控外倾结构面,倾角85°,按设计坡率值放坡后边坡坡度小于裂隙倾角,边坡稳定性主要受岩体强度控制,破坏模式主要为风化剥落和局部崩塌掉块。边坡破裂角取61°,等效内摩擦角泥灰岩取55°。

右侧岩质边坡为顺向坡,层面裂隙为主控外倾结构面,边坡可能沿岩层层面产生剪切滑动破坏,裂隙1和岩层层面组合交线倾向坡外,倾向249°,倾角约11°,边坡可能沿裂隙组合交线形成楔形体破坏,按设计坡率值1∶0.75分阶放坡后边坡坡度为53°,大于岩层倾角12°。岩层倾角较小,定性评价该边坡按设计坡率开挖后处于稳定状态,由于边坡有竖向裂隙2存在,若在施工扰动下贯通后,易使边坡面附近岩体采生小规模滑动。

以3-3'剖面为例对边坡稳定性进一步验算,验算公式采用《建筑边坡工程技术规范》(GB50332-2013)附录A中A.0.2公式。岩层层面为潜在滑面,倾角为12°,天然状态下层面为硬性结构面,抗剪参数c取90kPa,φ取27°；受后缘裂隙充水饱和后,层面按软弱结构面考虑,饱和抗剪参数c取35kPa,φ取15°,泥灰岩饱和重度取26.2kN/m3。考虑后缘沿裂隙2充水高度8m。

3-3′剖面稳定性验算简图

岩体体积(m3)面积(m2)重度(kN/m3)荷载(KN)结构面倾角(°)粘聚力(kPa)内摩擦角(°)下滑力(kN/m)抗滑力(kN/m)稳定系数462.4334.9326.2001235152832.003637.711.41

验算结果表明：按照设计意图开挖后,稳定性系数Fs=1.41>1.35,表明该边坡滑面饱和工况下处于稳定状态。

建议边坡按设计坡率值放坡后,加强边坡截排水系统,防止地表水下渗形成后缘裂隙充水的情况。建议按设计坡率值放坡后,对岩质边坡采用防风化处理,土质边坡采用格构护坡,并进行绿化。

3.2 挖方路基段K1+500～K1+990m两侧

该段为挖方路基段,覆盖层为粉质粘土和素填土,厚0.60～6.30m,下伏基岩为泥岩和砂岩。道路按设计开挖后,左右两侧形成挖方边坡,主要由泥岩、砂岩和少量粉质粘土组成。

左侧按设计岩质坡率1∶0.75,土质坡率1∶1.00分阶开挖后,最大挖方高度为15.90m,上部土层为粉质粘土和素填土,厚度最大为7.10m,为岩土混合边坡,边坡安全等级为一级,边坡岩体类别为III类；右侧按设计岩质坡率1∶0.75,土质1∶1.00分阶开挖后,最大挖方高度为26.30m,上部土层为素填土,厚度最大为2.30m,岩土组成为泥灰岩和少量素填土,边坡安全等级为一级,边坡岩体类别为III类。

左侧边坡上部土层岩土界面平缓,边坡开挖主要破坏模式为土体内部的圆弧滑动破坏；由下部岩质边坡赤平投影分析图可知道路左侧边坡倾向为78°,为反向坡,裂隙2为主控外倾结构面,倾角85°,按设计坡率值放坡后边坡坡度小于裂隙倾角,边坡稳定性主要受岩体强度控制,破坏模式主要为风化剥落和局部崩塌掉块。边坡破裂角取61°,等效内摩擦角泥灰岩取55°。

右侧岩质边坡为顺向坡,层面裂隙为主控外倾结构面,边坡可能沿岩层层面产生剪切滑动破坏,按设计坡率值1∶0.75分阶放坡后边坡坡度为53°,大于岩层倾角12°。岩层倾角较小,定性评价该边坡按设计坡率开挖后处于稳定状态,由于边坡有竖向裂隙2存在,若在施工扰动下贯通后,易使边坡面附近岩体采生小规模滑动。建议边坡按设计坡率值放坡后,加强边坡截排水系统,防止地表水下渗形成后缘裂隙充水的情况。

建议按设计坡率值放坡后,对岩质边坡采用防风化处理,土质边坡采用格构护坡,并进行绿化。

3.3 填方路基段K2+000～K2+700m右侧

该段为填方路基段,覆盖层为粉质粘土和素填土,厚0.30～8.80m,下伏基岩为泥岩、页岩和砂岩。按设计坡率值放坡后,最大填方边坡高度为35.72m,主要由素填土组成,边坡安全等级为一级。路基横向地形平缓,倾角一般小于10°,局部达15°,且原地表开挖成向内倾斜2～4%的反向台阶,台阶宽度不得小于2m,当地表坡度陡于1∶2.5且路堤边坡高度大于8m时,为避免路基不均匀沉降过大造成路面拉裂破坏,除要求开挖台阶外,还应在路面底面以下铺设2～3层土工格栅。当为半填半挖路基时,格栅应伸入挖方段不小于4m。边坡不会形成整体滑移,按设计坡率值1∶1.50放坡后,边坡整体稳定,边坡的主要破坏为水土流失和雨水冲刷形成冲沟。

地表经上述处理后,填方边坡整体稳定,填方区存在鱼塘的,则应在放干鱼塘水后对软土地基进行换填处理。建议按设计坡率值放坡后,土质边坡采用格构护坡,并进行绿化。

4 结语

由于边坡岩土介质的复杂性、可变性和不确定性,地质勘察参数难以准确确定,加之设计理论和设计方法带有经验型和类比性,因此边坡工程的设计往往难以一次定性,需要根据施工中反馈的信息和监控资料不断进行校核、补充和完善设计。这是目前边坡工程处治设计中较为科学的动态设计方法,这种设计法要求提出特殊的施工方案和监控方案,以保证在施工过程中能获取对原设计进行校核、补充和完善的有效资料和数据。