高速公路边坡支护工程优化设计研究

沈文钻

摘要：文章结合某高速公路边坡工程实例，通过大型剪切试验获取结构面参数，分析了公路边坡支护优化设计方案。通过现场大型剪切试验结果可知，饱和条件下各试样的抗剪强度参数均有所下降，相同试验条件下试样的残余抗剪强度参数均低于峰值抗剪强度参数，针对已经产生滑动破坏的边坡支护设计时宜采用残余抗剪强度参数。使用现场实测参数优化后，可节约边坡支护成本。

关键词：剪切试验;抗剪强度;边坡支护;优化设计

中图分类号：U416.1⁺4文献标识码：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.014

文章编号：1673-4874（2021）01-0051-03

0引言

边坡稳定性问题是影响工程建设的一个重要内容。随着国家基础设施建设的快速发展，山区高速公路建设工程数量也在逐渐增多，高速公路开挖边坡的稳定性问题也越来越受到重视。据统计，顺层边坡开挖后更易出现破坏，该类型边坡的支护工程设计更需要引起重视。目前，已有较多的专家、学者对顺层边坡的稳定性问题进行了分析，采取的主要手段包括物理模拟、数值模拟、公式计算等[1-4]，影响顺层边坡稳定性的主要因素包括岩体结构特征、地下水影响等[6-7]。结构面强度是控制岩质边坡稳定性的一个重要因素，准确获取结构面参数，对边坡稳定性分析及支护结构设计具有重要影响[8-10]。本文结合某高速公路工程，通过现场大型剪切试验获取结构面参数，从而优化公路边坡支护工程，节省工程投资。

1工程概况

根据调查，某高速公路沿线出露的地层岩性主要包括长石砂岩、泥岩、砂质泥岩、砂岩、砂砾岩等。该高速公路沿线岩层倾角较缓，一般在15°～25°之间，局部倾角>30°。该高速公路开挖后，形成顺层边坡，如何合理选取边坡支护设计参数，在保证边坡安全的同时降低支护措施的造价是研究的重点内容。一般情况下，边坡支护主要根据当地经验参数取值，但经验参数取值往往较小，不利于节省工程投资，因此获取结构面抗剪强度参数作为边坡支护参数是十分重要的。由于现场取样原因，室内试验的岩样体积小，且在取样过程中强度较低的结构面会受到影响，造成试验结果偏小。为了参数准确，采用现场大型剪切试验获取结构面抗剪强度。

2结构面剪切试验

2.1试点选取

现场大型剪切试验的试验点选取需要具有足够的代表性，同时，也需要具备试验的可行性。根据设计文件，该高速公路开挖后临空的岩性组合主要为砂岩、砂岩夹泥岩以及泥岩地层。因此，选取3个典型的试验点，对砂岩、砂岩夹泥岩、泥岩3种地层进行天然、饱和状态下的剪切试验。

2.2应力确定

试验加载的最大应力为顺层边坡受剪区域上部所受的岩体自重应力的1.2倍，同时需要综合考虑岩体强度、应力和设备的测量精度，需要保证设计最大荷载和试样不破坏。结合当地工程经验，预先估计岩体的粘聚力c、内摩擦角φ值，初步估计试验岩体的抗剪强度，从而合理制定剪切荷载加载方案。

2.3试验方法

现场大型剪切试验主要分为以下5步：

（1）首先需要在现场制备原位试样，根据相关规范安装试验仪器，包括加载系统、测量系统等。法向、剪切荷载合力作用点需通过剪切面中心（剪切缝或结构面厚度1/2处）。

（2）试样法向荷载需要分级施加，4～5级最佳。根据正应力和岩体强度确定，当法向位移趋于稳定后方可加载剪切荷载。施加剪切荷载的过程中，正应力应为常数。

（3）根据初步预估的剪切荷载，分8～10级施加。若剪切位移增量大于前一级位移增量的1.5倍时，应降低剪切荷载级差。剪切荷载分级施加根据时间控制，当不存在软弱夹层时，一级剪切荷载加载5min 后，可加载下一级;当存在软弱夹层时，应适当延长时间，以10～15min为宜。加载前后均需要读取位移值，临近剪切破坏时，应提高荷载、位移的读取频率，峰值读数应不少于10组。

（4）当试样剪切破坏后应当继续施加剪切荷载至荷载稳定，若剪切荷载无法趋于稳定或者剪切位移突变时需要测量峰值剪切荷载。在逐渐减少剪切荷载至0的过程中，应当维持法向应力保持稳定，测量回弹位移。

（5）试验完成后，测量试验剪切破坏面面积，描述破坏面情况包括擦痕方向、长度和分布情况等。

2.4现场大型剪切试验结果分析

根据试验结果，不同岩层组合试样残余强度为峰值强度的25%～78%。其中天然条件下，砂岩夹泥岩岩性组合的强度变化幅度最大，约为峰值强度的25%;饱和条件下，泥岩岩性组合的强度变化幅度最小，约为峰值强度的78%。现场大型剪切试验结果见表1。从表1中可知：

（1）不论是天然试样还是饱和试样，不同岩层的抗剪强度参数（包括峰值和残余粘聚力、内摩擦角、摩擦因素）满足以下规律：砂巖>砂夹泥岩>泥岩。

（2）在相同的试验条件下，所有岩层的抗剪强度参数均符合以下规律：残余强度〈峰值强度。天然条件下，砂岩夹泥岩岩性组合的粘聚力c值变化幅度最大，残余粘聚力约为峰值粘聚力的35%，由26.2kPa降为9.15kPa;饱和条件下，砂岩夹泥岩的粘聚力c值变化幅度最大，残余粘聚力约为峰值粘聚力的36%，由21.2kPa降为5.45kPa。饱和条件下内摩擦角φ值变化最大的是砂岩，残余内摩擦角约为峰值内摩擦角的27%，由27.8°降为7.5°;天然状态下内摩擦角φ值变化最大的是砂岩夹泥岩，残余内摩擦角约为峰值内摩擦角的44%，由27.6°降为12.3°。当由天然条件变为饱和条件时，各类型岩层组合的抗剪强度参数均有所下降。

3边坡支护优化设计

根据现场大型剪切试验结果可知，在高速公路边坡开挖支护的过程中应当充分考虑参数取值。针对未发生滑动变形的边坡支护时可选取饱和条件下的峰值强度;当边坡已经产生滑动变形时，则采用饱和条件下的残余强度参数。

从试验结果还得知，岩土体的抗剪强度参数综合内摩擦角大于当地的经验取值，而该高速公路开挖后形成的顺层边坡具备优化设计的条件。根据对比，经验取值约为实测参数的40%～82%。若采用经验参数取值进行放坡，会导致边坡放坡坡度较小，从而导致工程开挖方量过大，进而增加边坡工程投资成本。因此，结合现场大型剪切试验，获取结构面的抗剪强度试验参数作为边坡支护的参数，可在一定程度上增大放坡坡度，减少边坡开挖量，从而降低工程投资。

3.1优化前边坡支护设计

边坡优化设计前，顺层边坡的放坡坡率、坡面防护措施主要根据当地的经验参数进行设计。根据现场调查，高速公路边坡总高为16.0m，按照当地工程经验参数，主要采用两级放坡，坡高为8.0m，中间预留宽为2.0m的平台，放坡坡比为1：2.9，坡面采用土工网植生护坡。该方案土方开挖面较大，同时在支护结构上的作用力较大，支护结构尺寸巨大，工程投资大、占地面积大。结构面的参数取值对边坡支护设计具有较大的影响（见图1）。

3.2优化后边坡支护设计

根据现场大型剪切试验结果可知，顺层边坡岩体结构面抗剪强度参数大于经验参数取值，砂岩内摩擦角为28.0°，粘聚力为35.1kPa;砂岩夹泥岩内摩擦角为27.6°，粘聚力为26.2kPa;泥岩内摩擦角为15.9°，粘聚力为22.4kPa。因此，结合现场情况，可在一定程度上增大边坡的放坡坡度，将坡率由当地的经验参数值1：2.9优化至1：1.5，同时配合锚杆措施。由于岩体结构的抗剪强度参数在一定程度上有所增大，经过计算，在支护结构上的作用力也大幅降低。在公路沿线局部边坡较高的区域设置挡土墙，减少开挖土方量，减少征地面积。经初步计算，采取现场大型剪切试验获取的强度参数进行边坡优化支护后，土石方挖方量减少约10万m³，工程投资降低数百万元（见图2）。

4结语

本文为了优化边坡支护结构设计，采用现场大型剪切试验获取不同岩层的抗剪强度参数，在饱和状态下各岩层的抗剪强度参数均有所下降，但同当地经验参数相比，岩层的实际抗剪强度参数较大，边坡支护结构具备优化条件。通过对比优化前后的支护措施，根据实际抗剪强度参数进行边坡支护设计可降低工程投资，也可为当地工程建设积累经验。

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