路堑深挖路堑设计理论基础和方法

罗秋福

（华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210000）

我国南方丘陵地带较多，在道路设计和施工过程中，道路工程难免会遇到深路堑边坡开挖及支护工程，而由于受南方雨水较多影响，深路堑边坡工程安全稳定性对道路工程运营安全具有关键作用，一旦处理不当极易引起边坡滑坡隐患。本文根据深挖路堑边坡在不同地质条件下采用多种方法，合理选用边坡坡率，确保边坡稳定，保证道路的运营安全。

1 公路边坡分类和变形类型

公路边坡的分类：根据填挖分为路堤边坡（填方）和路堑边坡（挖方），同时现行的《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）规定：①对土质挖方高度超过20m、岩质挖方超过30m边坡称为深路堑（路堑高边坡）；②填方边坡高度超过20m 的路堤称为高路堤。

同时按照边坡岩土构成分为土质边坡、岩质边坡及二元结构边坡，按岩体地质构造分为均质或类均质土结构边坡、近水平层状结构边坡、顺倾层状结构边坡、反倾层状结构边坡、破碎状结构边坡及块状结构边坡。按照变形深度分为坡面变形（深1m～2m）、边坡变形（深＜10m，变形在边坡范围内）及坡体变形（深≥10m，变形超越边坡范围）。按照变形范围分为局部变形、整体变形。按变形性质分为坡面冲刷、风化剥落、表层溜塌、危岩、落石、滑坡及倾倒。

2 路堑边坡的稳定性影响因素

路堑边坡的稳定性影响因素：岩土体性质、地形地貌、地质构造、气候水文、地震、工程活动等。

2.1 岩土体性质

①土质或类土质由于力学性质低，易发生坡体病害；②岩体完整程度差（风化严重或裂隙、节理、断层发育）的岩体边坡，易发生坡体病害；③岩体完整程度好（石灰岩、花岗岩、玄武岩、石英岩等整体的硬质岩）的岩体，强度高且坡体病害少。

2.2 地形地貌

坡体的地形地貌是坡体自身的岩土体综合性质对外界的直观反映，对坡体的工程性质具有良好的借鉴作用。

2.3 地质构造

指构成坡体的不同岩层及构造结构面（包括接触分界面）的产状、性质、含水状况，在边坡上的分布位置及其与开挖面之间的关系。它控制了边坡可能发生变形的类型、位置和规模（详见表1）。

表1 不同坡体结构类型特征表

2.4 气候水文

水的影响：主要地表水、地下水动态变化，一是形成动水压力或静水压力等对坡体稳定性有着直接影响；二是岩土体饱水状态下，抗剪强度降低，降低边坡稳定性。“治坡先治水”是边坡治理的首选，一般来说，由于北方降雨量较小，坡体有较长的时间保持稳定，但边坡对降水相对敏感。由于长期的能量蓄积，往往会出现比南方多雨地区规模更大的坡体变形。

风化：南方地区的坡体的风化程度明显较北方厚。如广东地区风化花岗岩深度大多为40m～50m，甚至超过100m，山体形态比较浑圆，多产生边坡冲刷、坡体滑塌。青海、甘肃等地区的花岗岩，则往往突兀峰林，多崩塌形成危岩。

2.5 地震

地震的竖向和水平向地震，这种额外附加力会在短时间内急剧降低坡体的稳定性，造成坡体岩土体结构的损伤，形成超孔隙水压力，这是造成坡体发生病害的直接原因。

2.6 人类活动

坡体的开挖、加载，造成坡体形态的改变，应力的调整和渗流场的变化，一旦这种改造超过了坡体的自身调整能力，就会造成坡体病害。公路施工属于人类工程活动之一，路堑高边坡变形有以下几个方面原因：

a.对地质工作重视不够，没有贯彻“地质选线”的原则，对已经存在的古老滑坡和潜在滑坡（如岩堆地段、顺层地段）没有认识或认识不足，将路线布设在这些地段，甚至大填大挖，造成老滑坡复活或新生滑坡。

b.边坡的地质重要性和路线方案的决定性不够重视，“重桥隧、轻路基”的指导思想还存在，对高边坡重视不够，过分强调节约工程投资，本来可以做隧道、外移桥或半路半桥的，为节省投资而大挖方，结果造成高边坡变形，有时其治理费用比桥隧还多。

c.设计深度不足，或坡形坡率设计不符合当地岩土条件，或没有排水与加固工程，或加固工程不足以保证稳定。

d.不科学的施工组织和施工方法也是边坡失稳变形的重要原因：雨季大开挖大量雨水渗入坡体，软化坡体岩土；大爆破施工破坏岩体完整性；开挖后长期暴露而不防护和加固，甚至一挖到底不加固。

2.7 路堑高边坡稳定性评价

高边坡稳定性评价遵循“定性分析为基础、定量计算为手段”的原则。定性分析是进行定量分析的前提（定性判断破坏形式和稳定性状态），有效的定量分析是进行高边坡治理措施的依据。两者相辅相成，互相验证，是边坡稳定性分析的两大支柱。

2.7.1 工程类比法（定性判断）

项目区现有自然边坡的坡形坡率、坡高与路堑边坡的对比分析：

从项目区类似自然山坡或已有人工边坡发生变形的类型和规模，来判断路堑边坡可能发生的变形类型和规模；

从项目区现有自然边坡的坡体结构，分析路堑边坡可能发生的变形类型及产生的部位；

从作用因素的大小和快慢分析路堑边坡的稳定性，如开挖引起的坡体卸荷和松弛、渗流场、潜在滑面（带）强度降低等；

从已发生的变形分析其发生机制并反演出破坏时的岩土强度参数。

2.7.2 定量计算

二元结构边坡，其最重要的潜在滑面一般为土岩界面，滑面由土岩界面形态决定，采用传递系数法进行计算。

复杂的高大岩体边坡力学条件复杂，可采用赤平投影分析和有限元分析法为基础的数值模拟等综合方法分析。

规范中对路堑边坡的相关规定：

正常工况：边坡处于天然状态下的工况；

非正常工况I：边坡处于暴雨或连续降雨状态下的工况；

非正常工况II：边坡处于地震等荷载作用下的工况。

3 路堑高边坡常见的加固措施

3.1 加固措施的主要原则

地质资料为基础的原则，高边坡设计应以翔实的地质勘查资料为基础。

坡率与工程加固措施相结合，一般边坡以稳定坡率为主，高边坡应综合考虑环保与工程规模，考虑采用陡坡率+工程措施，减小边坡高度，降低用地和开挖规模。

路堑高边坡设计遵循“减载、固脚、强腰、排水”的原则，逐工点设计，根据边坡稳定性分析，提出分级高度、边坡坡率、加固方案等。

路堑高边坡地质条件复杂，岩土体产状多变，要及时根据施工过程中发现的真实地质情况，对设计文件进行必要的补充和完善，故施工过程中动态设计非常重要。

边坡设计应对施工提出严格要求，避免不合理的施工导致边坡失稳。

尽量加强边坡坡面绿化防护，提高环境保护。

3.2 加固措施

3.2.1 支挡工程

主要有挡土墙、抗滑桩、锚索抗滑桩、锚杆锚索框架。挡土墙类型主要有：重力式挡土墙、石笼式挡土墙、悬臂式扶壁式挡土墙。

3.2.2 边坡锚固工程主要结构有锚索抗滑桩、锚索框架、地梁、锚墩几种主要形式。

根据锚固工程的受力特点，分为普通型（无预应力型）与预应力型。预应力型为主动受力工程，普通型为被动受力工程，有本质的区别：①普通型是利用主筋材料及注浆体的抗剪来提高边坡的稳定性；②预应力型主要是利用预应力在滑面的分力，即垂直滑面的正压力增大滑体的摩擦，来平衡滑坡的下滑力，锚索本身提供的抗剪力是不予考虑的。

3.2.3 路堑边坡锚固工程中，预应力型又可分为拉力型、压力性、荷载分散性等

边坡锚固工程中，预应力锚索主要应用于两个方面：

a.平衡滑坡推力：利用滑床下稳定地层提供的锚固力，平衡滑坡推力。

b.边坡预加固：利用潜在滑面稳定地层的锚固力，平衡坡体的潜在下推力，防止坡体开挖后的卸荷松弛。

4 边坡锚固设计的几个关键问题

4.1 岩土体与浆体黏结强度的取值

锚索水泥砂浆体与其周围岩土的粘聚力是参考值，锚索工程施工前必须在施工现场进行拉拔试验，以确定实际的抗拔力以验证设计参数选择是否合理，并根据现场试验结果加以修正，最终确定黏结强度和有效锚固长度。

4.2 设计锚固力和张拉力的确定

边坡预加固主要目的是防止坡体开挖后出现卸荷。

土质（类土质）边坡，超张拉力一般为设计拉力的1.2 倍以上，从而确保锁定拉力不小于设计拉力。

岩质边坡，超张拉力一般为设计拉力的1.1 倍以上，从而确保锁定拉力不小于设计拉力。

锚固长度、锚固段是否必须深入基岩，一般情况下深入10m～12m。

5 存在问题和研究方向

a.由于边坡工程问题的复杂性，工程设计预加固措施可行度仍然较低；

b.边坡的典型工程地质模式缺乏系统归纳，其变形失稳机理有待深入研究；

c.边坡稳定分析的计算模式较为简单且假定较多，计算参数取值依据不足；

d.边坡设计计算理论不完善，定量化计算水平和准确性较低；

e.边坡开挖松弛的力学原理、变形破坏模式和数值模拟研究不够深入；

f.边坡锚固工程的使用条件及其耐久性尚需深入研究。

6 结语

边坡稳定性评价要遵循以定性分析为基础，以定量计算为重要辅助手段来进行综合评价的原则。根据工程地质条件、可能的破坏模式以及已经出现的变形破坏迹象，对边坡的稳定状态做出判断和计算，是边坡稳定性评价的重要内容。