公路路基高边坡防护设计探讨

王昕远

（江苏纬信工程咨询有限公司，江苏 南京 210014）

边坡是路基的重要组成部分之一，当土质边坡的高度超过20 m、岩质边坡超过30 m，便可将之称为高边坡。由于边坡较高，从而给结构稳定性带来一定影响，为避免高边坡出现整体失稳的情况，要选取有效的防护措施。基于此，对高边坡防护进行合理设计显得尤为必要。

1 工程概况

某公路工程第三合同段中，主线路基的高边坡防护工程共有两处，其中一处位于桩号K12+545-K12+770的右侧，全长约为225 m，该处最大的挖方高度为55.5 m。地勘资料显示，该处边坡的基岩裂隙较为发育，岩芯存在强烈的风化现象，呈砂土状，厚度在1.9 m左右；另外一处位于桩号K20+350-K20+465的左侧，长度约为115 m，最大挖方高度为42.5 m，该处边坡的中线地面标高为42.55~62.43 m，基岩裂隙一般发育，岩芯呈短柱状。为确保路基高边坡施工的安全性，要做好防护设计工作，结合边坡的实际情况，选取最为适宜的防护措施。

2 公路路基高边坡防护设计

按照路基高边坡的地质条件，结合岩土工程特性，通过类比的方法，选取适宜该边坡的防护措施，主要包括柔性防护网、预应力锚索以及排水系统等，具体的设计方法及要点如下。

2.1 高边坡柔性防护网

2.1.1 明确设计内容

在路基高边坡防护中采用柔性防护系统时，要对设计内容加以明确，具体如下：以工程现场的地形地貌、坡面潜在的灾害特征、场地施工条件、进度要求、周边建筑物状况等作为主要依据，对柔性防护网进行合理选型和现场布置设计。

2.1.2 做好设计准备

（1）在柔性防护系统设计前，要做好相应的准备工作，具体如下：对高边坡防护区的地形图全面收集，缺失的地形图可以采用现场测绘的方法获取；在边坡防护区域内，开展地质勘察工作，调查危石的位置、分布范围等，并对落石可能出现的形态及移动方式加以分析。

（2）依据收集到的相关资料及信息，对柔性防护系统在该防护区内应用的经济性和安全性做全面分析，结合现场条件，通过计算选取出最优的防护类型，据此完成施工图纸的设计。

2.1.3 主要构件选择

在柔性防护网设计中，选择构件是较为重要的环节之一，直接关系到防护网作用的发挥。组成柔性防护网的主要构件有钢丝绳网、钢丝网、钢柱、基座、减压环、支撑绳、钢丝绳锚杆等，具体的选择要点如下。

（1）选择钢丝绳网时，要确保钢丝绳的质量与现行GB/T 8919—1996制绳用钢丝规范标准的规定要求相符，抗拉强度不低于1 770 MPa，直径为8.0 mm的钢丝绳最小断裂拉力在40 kN以上，直径为6.0 mm的最小断裂拉力在20 kN以上；菱形网的长度可根据工程需要合理选择，网目边长的最大误差不得超过20 mm；网块的尺寸可以按设计实际要求适当调整。

（2）钢丝网可以选用直径在2.2 mm以上的热镀锌钢丝编制，网孔为50 mm×50 mm，用于编制钢丝网的钢丝性能应当符合现行YB/T 5294—2009一般用途低碳钢丝规范标准的规定要求。

（3）钢柱可以按照柔性防护网的高度，用相应规格的工字钢加工制作，确保钢柱的高度与防护网的高度相同。

（4）基座为钢结构构件，它是钢柱的定位座，通过连接件，使钢柱与基座铰接到一起，具体结构如图1所示。

图1 钢柱基座及连接件结构示意图

（5）减压环可以按照与之相连的钢丝绳直径和设计能量，选取适宜的型号。常用的型号有3种，分别为A型、B型和C型，吸收能量的能力依次为30 kJ、50 kJ和110 kJ；减压环的启动荷载取决于相连钢丝绳的断裂拉力，临界形变荷载应当不小于50 kN；本工程中选用的减压环外径为448 mm，如图2所示。

图2 减压环示意图

（6）支撑绳为钢丝绳，分为横向和纵向，前者的直径应不低于16 mm，后者不低于12 mm。编制支撑绳使用的钢丝绳质量必须符合现行GB/T 8919—1996规范标准的规定要求。

（7）钢丝绳锚杆选用双股形式，直径不小于16 mm，长度以2.0 m左右为宜，其结构如图3所示。

图3 钢丝绳锚杆结构示意图

2.2 预应力锚索

2.2.1 锚索构造

本工程中使用的预应力锚索为圆柱形结构，主要由以下几个部分构成：锚头、自由段、锚固段等。

（1）锚头由锚具、钢垫板、腰梁以及砼封锚等构件组成，主要作用是固定锚索拉力，通常设置在高边坡的坡面外部。

（2）自由段与坡面锚头相连接，将锚头的拉力传递给锚固段，它在预应力锚索的中间部位，由以下几个部分组成：锚拉筋、注浆体以及防腐构造等。

（3）锚固段包括支架（隔离、对中）、注浆管、导向帽及钢绞线等，可与岩层进行连接锚固，将锚索的拉力传给高边坡中的稳定岩层。为确保锚固段的作用得以全面发挥，在设计过程中，要对入岩的深度及长度合理确定，从而使锚索能够承受最大的设计拉力。

设置在高边坡上的预应力锚索，能够将预应力传递给边坡，从而使边坡与稳定岩层之间形成一个共同受力的有机整体，达到防护加固的效果。

2.2.2 计算方法

在高边坡预应力锚索设计中，计算是较为重要的一个环节，计算结果的准确性，直接关系到锚索加固防护作用的发挥。为此，必须选择正确的方法对预应力锚索进行计算，可将高边坡的失稳破坏模式作为确定锚索计算方法的主要依据，路基高边坡较为典型的失稳破坏模式有以下几种：滑动、落石、崩塌等，上述模式中，滑动最为常见，并且发生的频率也比较高。因此，可利用滑动失效来确定预应力锚索的计算方法。

（1）路基高边坡滑动失效的类型比较多，如圆弧滑动、错位滑动、顺层滑动等等，虽然滑动的形式有所不同，但失效机理却基本一致，即沿边坡上的滑动面整体失效破坏。在预应力锚索设计计算过程中，要以避免边坡出现整体滑动失效为前提。

（2）从物理力学的角度上讲，导致高边坡滑动面发生整体失效的主要原因是，边坡中的软弱岩土体会逐步形成滑动剪切面，受到重力作用的影响，当滑动力超过岩体的摩擦阻力后，便可出现整体下滑破坏的现象。边坡上滑动面的形成，除与岩土体本身有关之外，还与节理裂隙、断层等因素密切相关。而预应力锚索的作用是以人为的方式，为滑动面增加约束，提升摩擦力，避免整体滑动失效的情况发生。因此，在预应力锚索设计计算中，可以选用有限条分法对锚索的锚固效率加以确定。

（3）可以按照有限条分法的相关公式，计算预应力锚索的锚固效率。为使锚索的锚固效率得到最大限度发挥，根据边坡可能出现的滑动面，对锚索的数量、安设位置、间距以及倾斜角度等合理设置。锚索与边坡滑动面之间的交角要尽可能大些，以免锚索的施加增大边坡滑动的几率。

2.2.3 设计要点

（1）在对预应力锚索的锚固力设计时，可将高边坡上所需考虑的全部荷载作为侧压力的计算依据，结合支护结构，合理确定锚固力。为进一步增大边坡的安全储备，设计的锚固力以锚索允许锚固力的0.5倍左右为宜。

（2）设计锚筋数量时，可按照锚固力，并结合锚索的材料特点，采用相应的公式，计算出锚索的具体数量。计算时，需要的参数包括设计锚固力、锚筋抗拉系数、预应力钢筋的抗拉强度以及锚索的截面积（单根）。

（3）在设计预应力锚索的锚固长度时，依据现行规范的规定要求，内锚固段的长度应控制在10 m以内，不得超出，实际长度可利用拉拔试验及类比的方法合理确定。经验类比法的效果较好，该方法以同类工程的经验作为主要依据，通过比较为锚固长度的确定提供参考。当设计荷载为2 000~3 000 kN时，预应力锚索内锚固段的长度可以取6.0~7.0 m。

（4）高边坡防护中应用预应力锚索时，要合理确定布设间距，当间距＞4.0 m时，必须对锚索的独立效应予以充分考虑，而间距≤4.0 m时，要考虑率群体效应。本工程中预应力锚索比较长，故此选择高强低松弛钢绞线。

2.3 高边坡排水系统

在影响路基高边坡结构稳定性的各种因素当中，水的影响程度较为严重，所以高边坡防护，必须做好排水设计，以此来降低水对边坡的破坏。

2.3.1 设计思路

在设计高边坡排水系统时，要结合工程所在地的地形地貌特征及降雨情况，按照整体规划、综合设置的思路，使设计出来的排水系统具有导水、汇水以及排水等多种功能。同时，遵循拦、分、防的原则，设计排水设施，降低水对边坡结构稳定性的影响，达到防护效果。

2.3.2 设计方法

为使排水系统的作用得以全面发挥，在具体设计时，可以利用坡顶的截水沟有效排除上方的地表径流，并通过平台截水沟，将坡面的水流快速排出；借助急流槽将边坡上的排水设施连接到一起，形成一个完整的排水系统，对流向路基和坡面的水进行分段截流，引入到附近的荒地和低洼的沟谷当中。需要注意的是，当公路所在地的地下水位较高，并且降雨量大，可在合理设计高边坡表面排水的基础上，做好路基内部、中央分隔带以及桥涵排水，与边坡排水形成完整的排水系统。

3 结束语

在公路路基高边坡防护设计中，要依据工程实际情况，选取适宜的防护措施。为确保防护作用的发挥，必须对防护措施合理设计，这是提高路基高边坡结构稳定性最为有效的途径之一。