某高速公路顺层岩质边坡稳定性分析及支护措施研究

摘要 文章以某高速公路K23+010～K23+180段顺层边坡为研究对象，在充分查明其地质结构特征的基础上，研究了该段边坡的破坏模式，并对其整体稳定性进行了定性和定量评价，在此基础上采用锚索抗滑桩和锚索框架梁为主的预加固措施，对该边坡进行治理，并对施工过程中应注意的事项做了初步分析总结，旨在为类似边坡工程设计和施工提供思路。

关键词 顺层边坡；边坡加固；抗滑桩；锚索；施工工艺

中图分类号 U416.14 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）17-0055-04

0 引言

自然界中具有层状构造的沉积岩出露面积可达陆地的75%，因此在实际工程中，由于边坡的层状构造特征及软弱夹层面的影响，导致边坡沿层间错动而产生滑动失稳现象，是山区高速公路中普遍存在的一种边坡病害，为边坡工程设计及施工增加了潜在风险[1]。根据工程实践证明，当开挖坡面与岩层坡面二者走向的夹角小于30°且倾向接近时的边坡为顺层边坡[2]。

1 工程概况

1.1 地形地貌

该项目处于川东平行岭谷区，四川盆地东部华蓥山脉与大巴山脉的交汇处。地势北东高、南西低，多为低山丘陵地貌，以狭长高耸平行排列中低山岭与开阔的丘陵谷地相间排列，组成典型的隔挡式地形。

线路处于背斜一翼，属于单斜地层，线路走向与背斜脊线近平行，导致线路左侧开挖边坡皆为顺层坡，场区地形、地貌如图1所示：

1.2 地层岩性

地质调绘及钻孔揭露：工程区分布地层主要为侏罗系中统沙溪庙组长石砂岩、砂质泥岩；第四系全新统残坡积层，现将各层岩性由新至老概述如下：

（1）第四系全新统残坡积层（Q4el+dl）

粉质黏土：黄褐色，软塑状～可塑状，干强度中等，韧性中等，刀切面稍有光泽，无摇振反应，局部含泥质残积碎块，表层含植物根系，钻孔揭露厚度在0～2.5 m之间。

（2）侏罗系中统沙溪庙组（J2s）

砂质泥岩：紫红色，泥质结构，中～厚层状构造，主要由黏土矿物组成，局部夹砂质团块或条带。强风化层岩体破碎，成碎块状，碎块手捏易碎；中风化层岩体较完整，通过钻探揭露多成柱状、短柱状。

长石砂岩：青灰色，灰白色，细～中粒结构，中～厚层状构造，钙、泥质胶结，主要由长石、石英组成，云母、岩屑次之。

1.3 气象、水文条件

项目区属亚热带湿润季风气候，四季分明，冬短夏长，气候温和，雨量充沛。大强度降雨是该地区地质灾害的主要诱发因素。

1.4 水文地质条件

工程区无常年性地表径流通过，地表水较为匮乏。根据区内地层岩性组合及地下水赋存条件，场区地下水类型可分为第四系松散岩类孔隙水、基岩风化裂隙水，通常水量很小，局部所夹砂岩地层内水量稍多。据地表及钻探显示，总体上场区地下水不发育。

2 工点场区特征

该工点设计起止里程K23+040～K23+220，左侧为顺层边坡，全长180 m，顺层边坡工点全貌如图2所示：

现场调查发现原边坡覆盖层厚度约0.3 m，局部基岩裸露，地形横向坡度约21°，工点现场调查如图3所示：

3 地基土参数取值

根据工程地勘报告，场地各层地基岩土体的物理、力学指标建议值，详见表1所示：

根据现场实际情况，结合《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013），将场区砂质泥岩层面、砂质泥岩裂隙面及砂泥岩接触面判定为软弱结构面，其结合程度判定为结合很差；长石砂岩层面及其裂隙面判定为硬性结构面，其结合程度判定为结合差[3]。场区结构面抗剪强度的建议取值见表2所示：

4 稳定性验算

4.1 分析工况

路堑边坡稳定性分析方法及稳定安全系数参照《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）规范[4]，具体取值如表3所示：

4.2 稳定性分析

4.2.1 单一滑面的极限平衡法稳定性分析

顺层滑移破坏是最常见的破坏模式之一，目前应用最为广泛的是极限平衡法，该方法适用于单一滑面的情况，当岩层走向与边坡坡面走向一致时，分析方法如图4所示，计算见式（1）。

k=R/S=Gcosθtanφ+cl Gsinθ （1）

式中，c——岩层间的黏聚力（kPa）；φ——岩层间的内摩擦角（°）；θ——层面的倾角（°）；l——层面的长度（m）；G——岩体自重（kN）。

4.2.2 计算模型

根据相关学者多年的工程经验总结，对于贯通性良好的沉积性顺层边坡的临界破坏范围（水平方向）一般取开挖高度的5～10倍；对于似层面或外倾贯通性较好的结构面边坡则一般取开挖高度的3～6倍。对于拟计算边坡，计算模型见图5所示：

4.2.3 工况选择

线路区对应的地震基本烈度为VI度，区域地质构造总体属稳定区[5]。该次采用下面两种工况对边坡稳定性进行计算：

正常工况（天然工况）：边坡处于天然状态下的稳定性计算。

非正常工况（暴雨工况）：边坡处于暴雨状态下的稳定性计算。

4.2.4 计算参数的确定

该次计算选取典型横向剖面K23+040对该段岩质挖方边坡进行稳定性验算。由边坡定性分析可知，边坡的主要破坏模式为沿岩层层面（长石砂、泥岩接触面）发生平面滑移破坏。计算参数选取的合理性，是评价其稳定性的关键，该次计算取值及稳定性计算结果见表4所示：

4.2.5 剩余下滑力计算

取一般工况下的安全系数为1.30，暴雨工况下的安全系数为1.20，则边坡剩余下滑力计算结果如表5所示：

5 边坡治理措施方案

5.1 边坡治理思路

在兼顾彻底性和经济性前提下，治理主要内容包括以下几个方面：

（1）选择对边坡具有有效预加固措施的抗滑桩及坡面锚索。

（2）增设坡顶截水沟并疏通排水通道，防止雨水直接冲刷坡面，减少雨水对边坡稳定性的影响。

（3）对开挖边坡上方裂缝进行排查，通过水泥浆或黏土回填，防止雨水下渗坡体，降低岩体的强度和稳定性。

5.2 主要治理方案

设置17根长12～26 m的矩形抗滑桩，桩身截面尺寸为2.0 m×3.0 m、1.80 m×2.5 m、1.5 m×2.0 m，桩中心距6 m。桩上锚索分别从桩顶以下的1 m处、3 m处设置2根，锚索为6Φ15.2的低松弛钢绞线，锚固力为800 kN。

桩顶以上边坡采用3.0 m×3.0 m锚索框架梁植草防护，坡率1∶1.0，坡高10 m。坡面锚索为4Φ15.2的低松弛钢绞线，锚固力为500 kN。治理方案如图6所示：

5.3 锚索锚固力计算

坡面锚索作用力计算，可简化为图7所示：

预应力锚杆锚固力设计时，应根据边坡稳定性分析确定边坡下滑力，并计算需坡面锚索提供的锚固力，如式（2）：

E=Pd×[sin（α+β）×tanφ+cos（α+β）] （2）

式中，Pd——锚杆（索）设计锚固力（kN）；E——锚杆（索）提供的抗滑力（kN）；α——锚杆（索）与滑动面相交处滑动面倾角（°）；β——锚杆（索）与水平面的夹角（°）；φ——滑动面内摩擦角（°）。

典型计算断面中的坡面锚索为4排，由坡面锚索提供的抗滑力计算数值如表6所示：

锚索提供的抗滑力占总下滑力约30%，满足坡面预应力锚索与坡脚抗滑桩组合加固边坡设计要求，锚索预应力设计值宜为加固前边坡剩余下滑力的0.3～0.5倍[6]。

5.4 faxIXaVmYTCVMewYcaKyH7a6wfaDXTpn3Myur5x8DbA=抗滑桩配筋计算

锚固后边坡设桩处的剩余下滑力为1 479 kN，作为锚索抗滑桩的设计荷载，是抗滑桩配筋计算的依据。

6施工注意事项

（1）按照设计坡比开挖边坡，开挖后应及时施工锚杆（索）框架。

（2）跳槽开挖路堑桩板墙桩井，施工过程中加强对边坡的变形监测。

（3）路堑桩板墙桩体达到设计强度100%后，按照路基施工技术要求进行桩前岩土开挖。

（4）桩前岩土体开挖至桩上最下一排锚索以下1 m位置处，应及时进行桩上锚索施工，为保证锚索桩的安全、可靠，严禁出现桩前岩土体过度超挖现象。

（5）必须待桩上锚索张拉至初始预应力值且锁定后，方可按2～3 m分层开挖桩前岩土体，初始预应力值取设计锚固力的70%。

7 结语

该文深入探讨了顺层岩质边坡的稳定性问题，通过极限平衡法分析顺层边坡单一滑面的影响，优化了坡面锚索与锚索桩的复合支护方案，并详细阐述了坡面锚索锚固力的计算方法及施工要点，为相关工程提供了一定的设计参考。

参考文献

[1]李安洪，周德培，冯君，等.顺层岩质边坡稳定性分析与支挡防护设计[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]何武，张圣亮，冯君，等.含软弱夹层顺层边坡临界破坏范围分析[J].四川建筑科学研究，2021（2）：63-69.

[3]建筑边坡工程技术规范：GB 50330—2013[S].北京.中国建筑工业出版社，2013.

[4]公路路基设计规范：JTG D30—2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[5]公路工程抗震规范：JTG B02—2013[S].北京：人民交通出版社，2013.

[6]赵晓彦，黄金河，周一文，等.坡面锚索与坡脚抗滑桩联合加固边坡设计方法[J].西南交通大学学报，2017（3）：489-495.