山区公路岩质深路堑边坡设计探讨

□文/柏正云 代茂华

山区公路中岩质深路堑边坡较多，其稳定性至关重要，是设计中的重难点。每一个深路堑边坡都需要进行工点设计，由于地质的复杂性和计算方法的有限性，在设计过程中需要综合应用多种分析计算方法。本文以G350线仓山—中江段公路改建工程项目为背景，对山区公路岩质深路堑边坡的设计进行研究。

1 工程概况

项目位于四川省德阳市中江县，路线大体为南北走向，南起中江、大英县界胜利桥，北止于中江大道，全长66.032km，主线为一级公路。K0+000～K47+000段设计速度60 km/h，路基宽23 m；K47+000～K66+032.188段设计速度80 km/h，路基宽30 m。

全线共40 处深路堑边坡，本文以其中一处典型的深路堑边坡为例进行探讨。见图1。

图1 深路堑边坡设计断面

初步拟定一级边坡10 m，坡率1∶0.75；二级边坡10 m，坡率 1∶0.75；三级边坡10 m，坡率 1∶0.75；四级边坡9.55 m，坡率1∶1；边坡平台宽度为2.0 m。

2 地质条件

该段深路堑高约42.5 m，根据地质调绘、钻探和区域地质资料，场地揭示地层：

1）素填土，主要分布于破体表面，黄褐色，湿，松散，以黏性土为主，含铁质、砂团、卵砾石、碎石块等，呈欠压实状态，为新近堆积填土，厚度约0.4 m；

2）黏土，褐红色，可塑，主要由黏粒组成，夹碎岩块、碎石屑，含铁锰质矿物，干强度中等、韧性中等，厚度为1～1.3 m；

3）强风化粉砂岩，褐红色，节理裂隙发育，岩质较软，锤击易碎，岩芯破碎呈碎块状，层位和层厚变化较大，厚度为0.7～2.7 m；

4）中风化粉砂岩，褐红色，节理裂隙较发育，岩质较软，锤击不易碎，岩芯较完整呈短柱或长柱状，层位较深，连续性较好，层厚变化较大，未揭穿，最大揭示厚度为19.2 m；

5）中风化泥质粉砂岩，褐红色，节理裂隙较发育，岩质较软，锤击不易碎，岩芯较完整呈短柱或长柱状，以透镜体的形式存在，厚度为6.2～8 m。

场地分布的地下水主要为上层滞水、基岩裂隙水。

1）松散土层上层滞水分布较广，对路基有较大的影响，主要分布于表层土体中，受大气降水补给，以蒸发、径流方式排泄，具有补给快、表层易形成饱水带的特点，对工程特性影响较大。

2）基岩裂隙水主要为大气降雨入渗及上覆含水层补给，主要赋存于岩石强、中等风化带张开型节理、裂隙中；中等风化带的导水性和富水性主要受构造裂隙控制，具有各向异性；强风化带内风化裂隙较密集，裂隙贯通性较好，可以为地下水的富集提供良好空间，因此强风化带在岩体较破碎的情况下，地下水量较丰富，透水性等较好，常形成局部富水段，对路堑边坡工程有一定影响。总体上，基岩裂隙水发育具有非均一性。

3 破坏模式及计算方法

在岩质边坡中，岩体的失稳与破坏主要受岩体内结构面的控制，它们之间的空间分布位置、组合关系和结构面的物理力学性质等，对边坡的稳定都起着至关重要的作用［2］。一般来说，破坏模式有三种，平面破坏、楔体破坏、倾倒破坏；可采用赤平投影法来进行初步的定性判断，平面破坏和倾倒破坏可以采用不平衡推理法进行定量计算，而楔体破坏的定量计算虽然也有三维楔形体分析法，但是其计算参数较难获取且由于结构面的复杂性和变异性较大，计算结果往往差别很大[2]。

边坡稳定性计算方法应根据边坡类型和可能的破坏形式，按下列原则确定[1]：

1）规模较大的碎裂结构岩质边坡和土质边坡宜采用简化Bishop法计算；

2）对可能产生直线形破坏的边坡宜采用平面滑动面解析法进行计算；

3）对可能产生折线形破坏的边坡宜采用不平衡推力法计算；

4）对结构复杂的岩质边坡，可配合采用赤平投影法和实体比例投影法分析及楔形滑动面法进行计算；

5）当边坡破坏机制复杂时，宜结合数值分析法进行分析。

该边坡表层坡度较陡，覆盖层为黏土及强风化粉砂岩且厚度较薄，此二元结构层安全性隐患较大，可采用简化Bishop法进行安全系数的计算；下部的中风化层为完整的岩层，结构面较为复杂，可能沿薄弱结构面产生滑动，也可能存在楔形体滑动面，定量计算不再适用，可采用赤平投影法分析，其中强风化粉砂岩和中风化粉砂岩结构面及中风化粉砂与中风化泥质粉砂岩结构面容易形成直线或折线形滑动面，可采用不平衡推力法进行安全系数的计算。

4 边坡稳定性分析

采用赤平投影法对本段深路堑边坡进行定性分析。

区内岩层产状55°∠4°。主要发育两组节理裂隙，节理1为91°∠88°，节理2为190°∠84°。裂隙一般发育，呈闭合-微张，无充填或少许泥质充填，无充水，结合一般。人工开挖道路右侧岩质边坡坡向为226°。根据结构面及边坡走向，作极射赤平投影，见图2。

图2 极射赤平投影

岩层与边坡走向小角度相交，为缓倾逆向坡，属于稳定结构，对边坡稳定性无不利影响；岩层与节理1、节理2的组合交线均位于边坡对侧，说明组合交线的倾向于边坡倾向相反，属于稳定结构，对边坡稳定性无不利影响。节理1、节理2 同开挖边坡面大角度相交，属于较稳定结构，对边坡稳定性影响较小；节理1 与节理2 组合交线位于开挖边坡的同侧，但在边坡投影弧内侧，说明结构面组合交线的倾角大于边坡倾角及开挖倾角，属于较稳定结构，对边坡稳定性影响较小。

边坡基岩主要为粉砂岩、泥质粉砂岩、砂质泥岩为主，岩层属于层状平叠结构，产状接近水平，岩体多呈互层和层间错动带，常为贯穿性软弱结构面。根据赤平投影分析结果易产生平面破坏及楔形破坏。

5 边坡稳定性计算

边坡稳定性计算应考虑天然状态、连降暴雨作用及地震作用[2]。由于该区域地震设防烈度为6 度，故只需考虑两种工况：工况一自重，工况二自重+暴雨。

自重是边坡体受到的重力，地下水位以上按天然重度计算，地下水位以下取饱和重度计算；暴雨对边坡的作用表现为经入渗或径流改变地下水位以及地下水位以上边坡体和潜在滑动面的含水量，从而改变边坡体自重、动水压力和浮托力等荷载以及边坡体和潜在滑动面抗剪强度参数，进而影响边坡体的稳定性。

边坡稳定性计算的参数包括坡体土层重度、黏聚力和内摩擦角。在天然状态时（工况一），地下水位在潜在滑动面以下，自重计算取天然重度，抗滑力计算取天然黏聚力和内摩擦角；连降暴雨时（工况二），整个边坡体因降雨入渗而处于饱和状态，自重计算取饱和重度，抗滑力计算取饱和黏聚力和内摩擦角。根据工作区岩土体物理力学性质试验指标及经验值取值，见表1。

表1 边坡稳定性计算岩土体参数

本次边坡稳定性计算采用理正边坡稳定分析软件，由计算机进行条块划分和潜在滑动面搜索。在天然状态下的边坡稳定安全系数＞1.2；连续暴雨时边坡稳定安全系数＞1.1，边坡处于稳定状态，根据这一判定原则，对边坡稳定性计算。

5.1 覆盖层

采用简化BISHOP 法对覆盖层进行稳定性计算。工况一的边坡稳定安全系数为0.75＜1.2，工况二的边坡稳定安全系数为0.65＜1.1；均处于不稳定状态。

5.2 可能产生滑动的结构面

采用不平衡推力法对可能产生滑动的结构面进行稳定性计算。

1）滑动面1：强风化粉砂岩与中风化粉砂岩结构面。工况一的边坡稳定安全系数为0.88＜1.2；工况二的边坡稳定安全系数为1.001＜1.1；均处于不稳定状态。

2）滑动面2：中风化粉砂与中风化泥质粉砂岩结构面。工况一的边坡稳定安全系数为10＞1.2；工况二的边坡稳定安全系数为8.9＞1.1；均处于稳定状态。

6 设计处治措施

根据以上边坡稳定性分析及计算结果并结合当地类似工程的调查，该深路堑边坡初步拟定的坡形、坡率及平台宽度基本合理。边坡覆盖层有滑塌的风险，强风化粉砂岩与中风化粉砂岩结构面易形成滑裂面且存在楔形破坏的可能，尚无法进行定量的计算，故总体上处于不稳定状态，需进行加固处理。楔形体滑动面很难界定，锚杆加固能有效的预防楔形体的滑动，通过对当地的已建公路项目的调查，40 m以上边坡大都采用了锚杆框架梁进行加固，故本工程对深路堑边坡的一、二、三、四级边坡均采用锚杆框架梁加固。

框架梁采用C30 钢筋混凝土现浇，为矩形框架，截面宽度30 cm，嵌入边坡设计坡面内20 cm。一级坡设置3 排8 m 全长黏结型锚杆固脚，二、三级坡设置3排10 m全长黏结型锚杆强腰，四级边坡采用框架梁锁口。锚杆水平间距3 m，入射角度为20°，钻孔直径90 mm，采用ϕ32 mmHRB400 钢筋，设计拉力 144 kN。另由于地下水位于一、二级坡处，故考虑在坡脚处设置一排仰斜式排水孔，降低地下水位，防止水在坡脚处饱和，产生坡脚小弧滑动面[3]。见图3。

图3 锚杆框架梁加固

对锚杆框架梁加固后的深路堑边坡进行稳定性验算。

6.1 覆盖层

1）工况一的边坡稳定安全系数为1.25＞1.2，工况二的边坡稳定安全系数为1.14＞1.1；均处于稳定状态。

6.2 滑动面1

工况一的边坡稳定安全系数为1.22＞1.2，工况二的边坡稳定安全系数为1.12＞1.1；均处于稳定状态。

7 结论

1）山区公路岩质路堑边坡破坏模式分为平面破坏、倾倒破坏及楔形破坏，其中楔形破坏难以定量计算，只能定性分析，采取加固措施，减小破坏风险。故山区公路岩质路堑边坡稳定性以定量分析为基础，采用赤平投影法，以定量计算为主要手段，根据滑动面的形状：圆弧滑动面采用简化BISHOP法、直线或折线形滑动面采用不平衡推力法。

2）岩质深路堑稳定性需要综合考虑多方面的因素：对土质和强风化岩层的覆盖层进行稳定性计算，此二元结构层安全隐患较大；对边坡中存在的顺坡向的结构面进行稳定性计算，此结构面易形成滑裂面；通过赤平投影法分析是否存在楔形体滑动面，以便确定是否需要加强防护。

3）考虑到岩质路堑边坡结构面的复杂性，建议采用工程类比法，结合当地已建工程经验，采取合理的加固措施。