高速公路路堑高边坡应力状态分析与防护研究

李金华

（上海建工集团工程研究总院，上海 201114）

0 引言

随着国家基础设施建设和配套设施建设进程的不断推进，特别是公路建设项目在实施过程中产生了越来越多的问题。高速公路工程项目实际建设中会面对非常复杂的地质环境与气候条件，极易出现高挖路堑滑坡病害，亟需通过专业的方法解决[1]。本文通过以某市高速公路项目为研究对象，分析影响高挖路堑边坡稳定性的因素，分析其原因，并提出针对性的应对措施。

本文以某市双向四车道的高速公路为工程对象，整个路基采用沥青混凝土铺设完成，且宽度约为24.5m，由于地形的原因，该路段的K5+823—K5+957 部分的路堑轴部开挖为20～25m，施工完成后，路堑边坡较陡。由于施工时间为夏季，在雨水作用下，极易发生滑坡现象，需要进行边坡防护。

1 高速公路路堑高边坡形变、失稳原因分析

高速公路路堑高边坡出现形变、失稳以及滑坡的原因通常都是较为复杂的。如内在的地形地貌、场地岩土特性、地质水文状况等；外在的地震、勘察深度、施工质量以及其他外力因素等可能会对高边坡状态造成影响[2]。通过对该高速公路路堑高边坡进行现场勘察，工作人员最终确定以下4 个会致使高速公路路堑边坡发生形变和滑坡问题的因素。

（1）地质方面原因。该高速公路工程路堑高边坡后侧坡体较陡，上层有比较厚的积土层，积土层风化深度在15～25cm，且风化程度不一。过于松散的土质致使该坡体自身的稳定性非常差。因此可以说地质条件差是该边坡出现失稳状况的重要原因之一。

（2）水文方面原因。该路段两侧植被茂密，含有非常丰富的地下水，再加上降雨量充沛，致使边坡土体水含量出现饱和现象，公路边坡整体抗剪强度随之下降，土体的抗剪强度明显下降，最终引发边坡出现变形和滑坡现象。

（3）地质勘查深度不足。在高边坡施工阶段，前期的地质勘查深度直接影响相关工作人员对于边坡潜在滑坡问题的判定。无论是设计单位还是施工单位都是在制定设计施工方案时都是依据地质勘查资料来开展相关工作的。如果地质勘查深度不足，那么就可能导致地质勘查工作中水层层数、水量、水压等数据缺失或者准确性不足，继而给整个工程造成安全隐患[3]。

（4）人类活动或其他外力影响。在高速公路路堑高边坡是过程中，通常是按照施工要求逐级进行开挖，然后逐级进行防护施工；完成之后再对下级边坡继续施工。所以在边坡开挖过程中，施工外力比如爆破、抗滑桩打入岩体等都有可能会对坡体的稳定性造成影响。

2 计算模型

通过对该工程段进行现场勘查后发现，路堑边坡土体在自重应力场的作用下，在施工过程中极易产生应力释放现象，导致其位移场和应力场变化明显。通过对本区段进行资料有查阅和现场评估，对该路段进行划分处理，共包括3 大类7 层地质。从该路段的主剖面来看，水平长度约为200m，垂直高度为150m，路段参数均满足有限元分析规定的精度要求，最终形成有限元计算模型，如图1 所示。

图1 有限元计算模型

3 应力状态与稳定性分析

通过历史的经验发现，剪应力集中部位是边坡的破坏的起点，然后根据破坏点的应力释放结果以及不同层次的集中程度逐步向外部扩散，最终导致边坡裂缝和滑移变形等现象的发生，因此，通过对边坡的应力状态进行研究可对边坡的稳定性和破坏性进行预估[4]。通过对有限元进行模拟分析后发现：路堑高边坡在天然状态下，由于边坡岩层的产状向临空面倾斜，在自重应力和沟谷卸荷的不断作用下，坡体砂岩第2 层和第4层的拉应力较为集中，使该部位的岩层始终保持拉应力。引发此种原因的重要因素是由于近水平岩层地质结构受重力的不断作用，向外部临空方向释放力，形成差异变形导致。

由于整个边坡的坡比在不断地变化，岩体内部的应力值也不断地变化，主要包括坡体拉应力变化和剪应力变化两个方面。在对本工程对象进行有限元模拟分析时，左侧坡度定义为1:0.5，由于不同路段的开挖高度不同，因此，分析模型定义了1:0.5、1:0.75、1:1 和1:1.5四种不同的坡度情况。根据相关数据统计，边坡易破坏的区域主要是剪应力集中的区域，然后以区域为中心将应力向外释放，在坡体形成破裂面，并形成深度的滑坡和破坏。以该高速工程为研究对象，其应力情况具体分析如下。

（1）从该高速公路路堑高边坡工程来讲，边坡土体在自重应力场的环境下，使岩体拉应力在坡体第2 层与第4 层集中发生，并从此处开始引发层面的断裂和滑坡现象。边坡应力矢量图如图2 所示。

图2 边坡应力矢量图

（2）高速公路边坡实际开挖作业中很容易导致自重拉应力稳定性的缺失，且其变化特征呈现出规律性。以坡面为基准，其与呈现出正交关系，而与临空面周边的方向呈现平行关系。此时当前坡面处于单向应力状态。而且随着坡度比的变化，导致开挖应力场状态也随之发生变化。统计数据表明，如果开挖深度不超过70m，假如坡度变大，那么自重拉应力必然会朝向开挖区进行倾斜；与此相反，假如边坡施工挖掘深度已经超过了70m，那么自重拉应力就会向开挖区相反的方向扩散，也就是说此时拉应力作用于坡体的程度逐步降低。剪应力方面，如果坡度较陡，坡脚周边区域是剪应力集中区域；反之，则剪应力从底部区域向上进行扩散。

4 边坡防护技术思路

边坡加固和防护存在些许差异，按照防护的原理，主要分为工程防护与综合防护两种种类。

4.1 工程防护

工程防护具体包括4 种不同类型，分别通过不同的材料和方式来完成。抹面防护技术主要应用于材质为软岩的边坡，该材质较容易被风化，通过该技术能够对大气进行阻隔，降低风化的速度，且使用的主要材料是石灰浆和水泥浆；捶面防护方式与抹面防护技术所运用到的材料并没有很大差异，主要面向易风化的边坡材质，但是施工成本和难易程度不同；喷浆技术主要解决岩石易破碎的边坡问题，而且可有效阻隔雨水渗入[5]。

4.2 综合防护

公路路堑边坡防护过程中，加固仅仅是一个维度，还需要其他维度的防护措施参与。目前常用的综合防护技术主要包括以下4 种类型。

（1）六角空心砖植草护坡技术。其主要适用于坡度不大且强风化的岩质边坡，通过植草来避免边坡土壤流失，达到防止滑坡的效果，且具有一定的美观性，但是成本较高[6]。

（2）三维网植草护坡技术。此技术的实际实施成本和前期的投资较低，并且外形非常美观。缺点是与其他类型防护技术相比，这种方式后期维护成本相对更高。

（3）架植草护坡技术。该技术通过将浆砌片石和混凝土进行再制造，通过砌筑人字形、菱形等不同形状的骨架，提升坡体稳定性，并通过内部植草降低滑坡危险系数。

（4）客土喷播技术。该技术将金属材料的网部署在边坡中，将混合涂料喷洒之边坡表面使之凝固，此技术的有点是施工快、效果好，缺点是成本高。

5 边坡防护方案设计

通过对高速公路高边坡开挖过程中的应力实施情况研究能够得出，应力最大值发生于高边坡坡面所在位置，且应力的分布状况与坡面通常都存在品行关系。工程实践表明，在边坡防护施工作业中，拉应力通常都集中于坡顶，而剪应力通常都集中于坡脚，因此，在应力的作用下，坡面土体与岩层的稳定性会受到影响。

为了解决本工程面临的边坡问题，需要以“上拉下挡”为理念的边坡防护方法来完成，具体内容包括：上拉部分的施工操作主要是在路堑的上层岩体安置锚索与锚栓结构，以提升整个坡面岩体的抗拉强度；下挡部分的施工操作是在路堑边坡下层区域安置挡土墙，从而有效避免边坡坡体剪切变形状况的出现。

锚固是边坡防护工程施工中的重要工序，施工人员在锚固施工中，需要遵循由上到下的层次开展，等到上层的锚固工程完成后，才能够继续实施下一层级的边坡开挖与锚固作业。这种作业方式能够最大程度的保证边坡坡体开挖的结构稳定性，降低边坡防护施工安全隐患[7]。锚杆孔位定位时，需要根据坡面孔间的距离进行合理设置。而且以低洼区域的处理为工作重点，且孔位深度需在工程许可的区间内，并对锚杆孔施工过程中的相关清理工作进行完善。根据经验，实际施工成深度需较设计值大5cm。孔径与深度可能会受到凿岩机械设备的影响，因此实际施工时需要充分结合工程实际情况与凿岩机械设备的性能。锚杆孔洞开凿完成后，其直径约为35cm，并按照人字形锚杆的形式进行设计，将孔洞与钢绳间角度控制在15°~30°，这样能够使锚固效果更好。边坡坡底挂网作业应该将格栅网之间的重叠宽度控制在5cm 以内。

另外，在高速公路路堑高边坡工程施工阶段，施工监测也是非常重要的一项保障工程质量的手段，如果必要，可以选择运用深孔位移监测技术来对边坡进行监测，并结合边坡坡体变形数据来对施工方案实施进一步的调整，从而保质保量完成边坡防护施工。在边坡护坡工程完成后，高速公路运营期间还可以通过地表位移监测、地下位移监测、地下水位监测等方式来对边坡整体稳定性进行监测，监测周期通常要多于两年。对于地质状况尤为复杂的路段，应该结合高速公路路堑高边坡防护工程实际情况适度的增加监测期限[8]。

6 结语

高挖路堑滑坡作为目前公路和高速公路建设的常见问题，通过边坡防护可有效提升边坡质量的稳定性。通过本文项目可知，不同地区的岩土体的分布通常具有变化性和区域性特征，需要根据实际情况对路堑边坡进行防护和加固，目前的工程实施方案往往根据以往的经验获得，需要专业化的模型参与，提升路堑防护的科学性。因此，我国的公路部门和道路施工单位需要提升路堑边坡防治的研究力度，降低安全隐患，保障公路安全运营。