高速公路既有高邊坡二次開挖穩(wěn)定性及施工方法分析

趙志

（廣佛高速公路有限公司，廣東 廣州 510168）

高速公路既有高邊坡二次開挖是高速公路道路加寬或者路面改動(dòng)施工中的一項(xiàng)重要工序，在二次開挖施工過程中由于受到施工條件的影響，其中包括周圍巖石應(yīng)力場(chǎng)影響因素、施工活動(dòng)等，從而增加了二次開挖施工難度。隨著城市建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，高速公路施工工程量逐漸增多，這對(duì)高速公路既有高邊坡施工提出了更高的要求，不僅需要具有較高的施工質(zhì)量和施工效率，還要保證施工安全、有序推進(jìn)?，F(xiàn)有施工方法采取的施工技術(shù)和設(shè)備比較落后，且施工理念也比較陳舊，在實(shí)際施工中會(huì)出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)承載性能較差、高邊坡失穩(wěn)等問題，為此，本文針對(duì)高速公路既有高邊坡施工要求，提出了一套二次開挖穩(wěn)定性分析和施工方法，為高速公路施工提供了理論依據(jù)。

一、高速公路既有高邊坡二次開挖穩(wěn)定性分析

（一）構(gòu)建高速公路既有高邊坡受力模型

在構(gòu)建高速公路既有高邊坡受力模型前，首先要按照通用條分法的基本原理劃分高速公路土質(zhì)邊坡，再通過構(gòu)建既有高邊坡受力模型分析邊坡的穩(wěn)定性。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，將高速公路既有高邊坡中失去穩(wěn)定性的滑動(dòng)體從左到右劃分為x條垂直區(qū)域，從中選取第n條進(jìn)行受力分析。第x條邊坡條塊的受力分析如圖1所示。

圖1 第x條邊坡條塊的受力分析圖

圖1中，di表示為邊坡條塊寬度；hg表示為后一邊坡條塊與該條塊的重合范圍；Ti表示為邊坡斜面長(zhǎng)度；ai表示為邊坡條塊底部坡角；Ui表示為條塊底部孔隙水壓力；Ni表示為條塊底部有效法向力。由于在具體施工的過程中，邊坡滑動(dòng)部位的面積、形狀已知，因此劃分邊坡條塊后，條塊的底長(zhǎng)、寬、中心平均高度、底部坡角等參數(shù)均可確定。對(duì)于整體高速公路既有高邊坡而言，需求解出的未知量為：每條條塊的底部切向力及有效法向力；相鄰兩個(gè)條塊分界面上的法向條間力和切向條間力。在分析穩(wěn)定性的過程中，假設(shè)每塊滑體與整個(gè)高速公路既有高邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)均相同。

（二）邊坡二次開挖極限平衡方程計(jì)算

完成構(gòu)建高速公路既有高邊坡受力模型后，根據(jù)需要確定在邊坡靜止?fàn)顟B(tài)下，高速公路既有高邊坡的極限平衡分析方程。

第x條邊坡條塊底部切向力方向平衡方程如式（1）所示：

式（1）中，Q表示為邊坡水平方向地震力，其他物理量與圖1相符。為方便后續(xù)分析出高速公路既有高邊坡的穩(wěn)定性，按照常用思維邏輯簡(jiǎn)化假定。

定義1：簡(jiǎn)化后的假定應(yīng)滿足高速公路既有高邊坡的力學(xué)特征和施工過程中的合理要求，通過上述方式劃分多條邊坡條塊，當(dāng)每條邊坡條塊垂直方向上的安全穩(wěn)定系數(shù)大于劃分條塊的側(cè)面剪應(yīng)力時(shí)，邊坡側(cè)面未達(dá)到極限平衡狀態(tài)。

定義2：根據(jù)Tresca屈服準(zhǔn)則和Mises屈服準(zhǔn)則，當(dāng)邊坡抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低到與安全系數(shù)相同數(shù)值的倍數(shù)后，邊坡會(huì)逐漸達(dá)到極限平衡狀態(tài)。

定義3：考慮到邊坡約束條件，當(dāng)邊坡條塊的寬度足夠小時(shí)，邊坡端點(diǎn)兩側(cè)作用力的合力平行于該條塊頂點(diǎn)位置。

對(duì)于已知的邊坡滑動(dòng)面，條塊側(cè)面的剪切力與法向力均在土質(zhì)邊坡的破壞強(qiáng)度線以下的應(yīng)力圓上。因此，高速公路既有高邊坡中條塊之間的相互作用力存在相互影響。根據(jù)邊坡側(cè)邊的力矩平衡要求得出回力平衡限度，通過式（1）計(jì)算得出高速公路既有高邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)，并調(diào)整得到最終滿足要求的穩(wěn)定參數(shù)數(shù)值，從而完成對(duì)公路土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的分析。

二、高速公路既有高邊坡二次開挖施工方法

（一）邊坡二次開挖整體施工流程設(shè)計(jì)

將高速公路既有高邊坡二次開挖施工看作一個(gè)系統(tǒng)工程，通過明確對(duì)應(yīng)的建設(shè)管理、勘察設(shè)計(jì)、施工及監(jiān)管部門，形成各部門間的高效技術(shù)交流通道，以實(shí)現(xiàn)信息化的邊坡二次開挖整體施工。在具體施工過程中，二次開挖與一次開挖相比對(duì)穩(wěn)定性的要求更高，因此不僅要保障施工安全順利進(jìn)行，同時(shí)還需要確保施工質(zhì)量。

具體的信息化邊坡二次開挖整體施工流程為：首先，對(duì)高速公路既有高邊坡二次開挖現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地質(zhì)勘查，勘查過程中應(yīng)采用現(xiàn)代化防接觸勘查手段，防止對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)造成二次破壞。其次，通過勘查結(jié)果確定該施工邊坡的具體坡體結(jié)構(gòu)特征，并預(yù)測(cè)其未來(lái)可能產(chǎn)生的破壞問題。再次，在明確可能存在的問題后，將其作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分級(jí)、分區(qū)域開挖加固施工，實(shí)時(shí)記錄施工過程中產(chǎn)生的鉆探信息，為后續(xù)確定檢測(cè)方案提供數(shù)據(jù)參考。最后，根據(jù)檢測(cè)二級(jí)結(jié)果確定各等級(jí)邊坡的穩(wěn)定性，并將信息反饋到施工方案設(shè)計(jì)中，再次修改不完善設(shè)計(jì)內(nèi)容，按照新的施工方案完成對(duì)高速公路既有高邊坡二次開挖。

（二）開挖與支護(hù)

為避免在高速公路既有高邊坡二次開挖處出現(xiàn)沉降方面的質(zhì)量問題，可在高速公路開挖銜接處鋪設(shè)道路格柵，以提高施工過程的穩(wěn)定性。在路基開挖過程中，將舊路基的邊坡挖成臺(tái)階狀，挖除待銜接的道路兩邊的硬路肩，處理好地下水的滲漏工作后進(jìn)行排水設(shè)施的施工，并將路基頂面延伸到80cm～90cm，完成對(duì)高速公路原有路基的預(yù)處理。為避免邊坡傾斜度對(duì)高速公路道路施工工程造成質(zhì)量問題，在原有路基頂層下15cm～25cm處鋪設(shè)一層復(fù)合型格柵，寬度控制在5.0m～6.0m之間，并且要求每延米的橫（道路中車輛行駛正向方向）與縱（垂直道路方向）可承擔(dān)的最大斷裂力可滿足20kN／m～60kN／m的要求?？紤]到可能受到二次開挖滑坡的影響，應(yīng)預(yù)留約20cm的邊坡平臺(tái)，并將平臺(tái)設(shè)置成大于或等于5.0%的排水坡。

在完成高速公路既有高邊坡二次開挖后，結(jié)合公路設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)高計(jì)算施工道路的伸長(zhǎng)系數(shù)，當(dāng)伸長(zhǎng)系數(shù)小于0.5時(shí)，需要在二次開挖路基60m段處再次鋪設(shè)一層格柵進(jìn)行公路施工支護(hù)；當(dāng)伸長(zhǎng)系數(shù)在0.5～0.8之間時(shí)，僅鋪設(shè)60m段處格柵支護(hù)即可；當(dāng)系數(shù)大于0.8時(shí)，無(wú)需持續(xù)鋪設(shè)土木格柵。

三、結(jié)語(yǔ)

為提升高速公路施工的質(zhì)量與效率，本文開展了高速公路既有高邊坡二次開挖穩(wěn)定性分析，并結(jié)合結(jié)果調(diào)整了高速公路的施工方法。此次課題的研究成果，可以保障施工行為的規(guī)范化及施工成果的高質(zhì)量。因此，在同類型工程施工中擴(kuò)展應(yīng)用該施工方法，可以保障道路的施工質(zhì)量。