高邊坡設(shè)計與加固問題研究

張 杰

（廣東盛翔交通工程檢測有限公司，廣東 廣州 511400）

高邊坡是多種地質(zhì)災(zāi)害與工程事故的主要原因，因此一直可以得到地質(zhì)工程、公路建設(shè)等領(lǐng)域的高度重視。在近些年來的研究中，我們國家已經(jīng)掌握了較多高邊坡的防治方法，積累了較多的成功經(jīng)驗，在高邊坡加固治理中取得了很大的成效。但總的來說，高邊坡設(shè)計與加固工作會涉及較多的專業(yè)知識且會受到多種因素的影響，這加大了高邊坡設(shè)計與加固的難度。為此，深入分析研究高邊坡設(shè)計與加固的相關(guān)要點知識十分必要，需要給予高度的重視。

1 高邊坡穩(wěn)定性的影響因素

高邊坡穩(wěn)定性極易受到很多因素的影響，主要有土質(zhì)邊坡、巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性、地質(zhì)構(gòu)造、自然環(huán)境這四個方面的因素。圖1為典型的高邊坡。

圖1 典型高邊坡

從土質(zhì)邊坡這一方面來說，如果土坡的原有狀態(tài)發(fā)生了變化，勢必導(dǎo)致原有土層結(jié)構(gòu)的平衡被打破，地質(zhì)災(zāi)害和地震爆破也會導(dǎo)致高邊坡穩(wěn)定性受到影響。另外，在靜水力或者含水量這些因素的影響下，土坡結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度會發(fā)生變化，且此時土坡會受到測壓應(yīng)力的影響，土體結(jié)構(gòu)同樣會發(fā)生變動。除此之外，當(dāng)?shù)叵禄踊蛘咚畨螌吰轮械臐B流力形成影響作業(yè)時，高邊坡易出現(xiàn)失穩(wěn)的問題。

從巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性這一角度來說，其中的影響因素主要有兩類，一是原有地形構(gòu)造對坡體形成影響，尤其是山區(qū)的地形構(gòu)造更容易對坡體形成影響。二是當(dāng)夾層順向坡因為穩(wěn)定性不足時會出現(xiàn)滑移，這容易導(dǎo)致坡體出現(xiàn)崩落和熔隙，此時整個坡體結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)扭曲和壓裂等現(xiàn)象。除此之外，在受到砂泥巖和膨潤土等因素的影響時，例如在受到膨潤土的影響時，坡體會很容易便出現(xiàn)失穩(wěn)變形等現(xiàn)象。

從地質(zhì)構(gòu)造這一角度來說，可以分為順向坡、反向坡和切向坡這三種情況。當(dāng)坡體的層面結(jié)構(gòu)更加傾向于河流或者湖泊時，則很容易出現(xiàn)順層失穩(wěn)和變形。如果地層的層面和山體相接近，并傾向于山體方向，則同樣會出現(xiàn)坡體失穩(wěn)和變形的問題。在切向坡這一種情況中，坡體的變形和失穩(wěn)會直接受到坡體同層產(chǎn)狀之間的構(gòu)造關(guān)系，滑動面會很容易出現(xiàn)在層面、節(jié)理面、不整合接觸面的軟弱面上。

從自然環(huán)境這一角度來說，對高邊坡穩(wěn)定性影響最大的自然環(huán)境因素包括地下水、氣候因素、地震和其他因素。當(dāng)有過多的雨水滲入裂隙中時，坡體和巖土的單位體積重量不僅會增加，而且剪應(yīng)力也會隨之增大，巖土和坡體空隙的水壓力會不斷增加。在氣候因素方面，主要受到降雨量這一因素的影響，當(dāng)有較大降雨量時坡體質(zhì)量會增加，極易出現(xiàn)坡體失穩(wěn)和凍融這兩種問題。地震因素也會對高邊坡穩(wěn)定性造成較大的影響，當(dāng)發(fā)生地震災(zāi)害時坡體結(jié)構(gòu)會變得更為松動，此時出現(xiàn)弱面錯位的風(fēng)險更大，高邊坡穩(wěn)定性隨之降低。

在實際開展高邊坡設(shè)計工作時，要對高邊坡穩(wěn)定性有一個翔實的評價，結(jié)合實際情況來開展針對性的設(shè)計。從當(dāng)前高邊坡穩(wěn)定性的研究來看，可以將高邊坡穩(wěn)定等級劃分為四種，一是基本穩(wěn)定邊坡，二是穩(wěn)定邊坡，三是欠穩(wěn)定邊坡，四是不穩(wěn)定邊坡。表1是高邊坡的穩(wěn)定等級的詳細(xì)說明。

表1 高邊坡的穩(wěn)定等級

2 高邊坡設(shè)計問題與要點

在高邊坡設(shè)計過程中，要重點考慮的內(nèi)容包括三點，一是高邊坡穩(wěn)定系數(shù)與安全系數(shù)，二是理論破裂角，三是力學(xué)參數(shù)選擇。

分析高邊坡的穩(wěn)定系數(shù)與安全系數(shù)，要對有關(guān)的參數(shù)和規(guī)范有深刻的理解。例如穩(wěn)定系數(shù)可以反映出高邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，在確定穩(wěn)定系數(shù)時要始終以我們國家?guī)r土勘察的相關(guān)規(guī)范作為依據(jù)，如果重點工程則穩(wěn)定系數(shù)要確定為1.30～1.50，一般工程的取值是1.05～1.15，而普通工程的取值為1.15～1.30。在確定安全系數(shù)時，如果甲級工程則安全系數(shù)要設(shè)定為1.25，乙級工程設(shè)定為1.15，丙級設(shè)定為1.05。邊坡安全系數(shù)分為輕微危險、低危險和高危險，來分別取安全系數(shù)為＞1.0、＞1.1、＞1.2。在理論破裂角的確定過程中，可以分為兩種來考慮，一種是巖質(zhì)邊坡，另一種是土質(zhì)邊坡。在土質(zhì)邊坡的理論破裂角計算中，待確定出巖土界面坡角平均值后，再去預(yù)估坍滑區(qū)[1]。在計算巖質(zhì)邊坡理論破裂角時，不需要計算外傾的結(jié)構(gòu)面，一類巖體通常設(shè)置為75°。在選擇力學(xué)參數(shù)時，需要通過原位試驗來確定出抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，在確定巖體內(nèi)的摩擦角時，要通過標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)摩擦角與裂隙發(fā)育相乘后的折減系數(shù)來確定。

在高邊坡的施工設(shè)計中，要遵循一些特定的原則與要點，主要包括四點。一是在整個高邊坡項目設(shè)計之初，設(shè)計人員要做好現(xiàn)場情況的調(diào)查分析，確定出高邊坡施工的相關(guān)注意要點，制定施工方案，既要確保施工方案可以保證高邊坡防治質(zhì)量，也要控制施工現(xiàn)場變形問題的發(fā)生。二是結(jié)合項目區(qū)特點來確定施工線與施工點，避免出現(xiàn)施工點偏移問題。三是考慮到高邊坡施工所處的環(huán)境較為惡劣和復(fù)雜，在施工過程中會受到較多因素的影響，為避免風(fēng)險因素的出現(xiàn)，要對施工方案作不斷的完善，確保高邊坡施工的有效開展[2]。圖2為高邊坡現(xiàn)場施工。

圖2 高邊坡現(xiàn)場施工

3 高邊坡的加固設(shè)計原則與方法

3.1 高邊坡的加固設(shè)計原則

在確定高邊坡的加固設(shè)計方案時，要重點做好坡面變形的加固設(shè)計，分成不同的類型去考慮。在沒有經(jīng)過風(fēng)化的巖體中，如果巖面噴漿可以得到防護(hù)，則高邊坡的坡率要控制在0.25～0.5；如果巖體存在微風(fēng)化問題，則可以考慮開展掛網(wǎng)噴漿的防護(hù)，將高邊坡的坡率控制在0.25～0.5；若巖體的風(fēng)化程度較高，則可以考慮使用護(hù)面墻這一種防護(hù)方式，將高邊坡的坡率控制在0.5～0.75，并且可以使用草皮或者巖面的植物來進(jìn)行防護(hù)；如果巖體的風(fēng)化程度較為嚴(yán)重，則可以使用加厚的拱型骨架來加以防護(hù)，將高邊坡的坡率控制在0.75～1.0，還可以考慮使用草皮和三維網(wǎng)的植物來防護(hù)[3]。

除此之外，在高邊坡的加固設(shè)計中，還需要嚴(yán)格遵循一點原則，即“固腳強(qiáng)腰”。在固腳處理中，要有效控制高邊坡整體穩(wěn)定性，而潛在滑面基本位于坡體的下部，通過將加固部位設(shè)置在此處可以起到最大限度的支擋作用，同時可以明確潛在滑面位置，對提升整個高邊坡穩(wěn)定性有十分大的裨益。在強(qiáng)腰處理中，為最大限度地防止高邊坡的部位出現(xiàn)失穩(wěn)問題，需要在高邊邊坡的中部進(jìn)行支擋加固。需要特別注意一點，在采取支擋加固措施時要充分了解高邊坡上部的邊坡穩(wěn)定性，考慮整個高邊坡的局部穩(wěn)定性。分層加固也是高邊坡加固處理中應(yīng)該重點做好的一項工作，設(shè)計人員需要結(jié)合實際情況將高邊坡的潛在滑體分為三個層次，即淺層、中層和深層。在實際加固處理時，要考慮不同層之間的加固因素，確保各層之間可以相互協(xié)調(diào)，有效確保各級邊坡在加固處理后可以達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求。在長期的實踐過程中發(fā)現(xiàn)，在高邊坡加固處理中通過嚴(yán)格執(zhí)行“固腳強(qiáng)腰”和分層加固這樣的原則，高邊坡穩(wěn)定性可以大大提升，應(yīng)用優(yōu)勢十分顯著，可以大范圍推廣應(yīng)用。

3.2 高邊坡的加固設(shè)計方法

對高邊坡的加固工作來說，在確定設(shè)計方法時要考慮高邊坡穩(wěn)定性和等級標(biāo)準(zhǔn)，并對多種設(shè)計方法加以評選，最終確定出加固設(shè)計方法。對高速公路的高邊坡加固來說，需要進(jìn)行動態(tài)的設(shè)計加固，穩(wěn)定邊坡系數(shù)要始終控制在1.2以上，不需要進(jìn)行加固支擋，此時高邊坡的坡體可以保持穩(wěn)定。而對不穩(wěn)定的高邊坡來說，其穩(wěn)定邊坡系數(shù)不足1.0時則需要進(jìn)行支擋的加固施工，也可以考慮使用放緩邊坡坡率的方式。除此之外，為了更好地提升高邊坡的穩(wěn)定性，可以將支擋加固方式與邊坡放緩方式結(jié)合起來，確保穩(wěn)定邊坡系數(shù)可以在1.2以上。如果在高邊坡的加固設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性不足，穩(wěn)定邊坡系數(shù)在1.0～1.2，雖然不使用支擋方式和加固方式均可以保證高邊坡的穩(wěn)定性，但需要注意一些風(fēng)險因素的影響。因此，在處理這一種情況時，盡量去進(jìn)行支擋和加固，始終將穩(wěn)定邊坡系數(shù)控制在1.2以上。

4 高邊坡加固的措施

4.1 使用抗滑樁

抗滑樁也稱為錨固樁，是一種可以有效承受荷載柱形的支撐件。在實際應(yīng)用時，抗滑樁可以將坡體力傳遞到巖體和樁下土體，邊坡的穩(wěn)定性可以隨之提升。在近些年的發(fā)展中，抗滑樁多使用鋼筋混凝土樁和鋼樁，均有較好的應(yīng)用效果。在施工時可以采取打入式、人工成孔和機(jī)械成孔這三種方式[4]。

4.2 格構(gòu)加固

在格構(gòu)施工中，所采用的材料主要是空心磚、毛石、卵石，在人工的坡面要做好開挖工作，在后續(xù)的漿砌或干砌中可以使用采取菱形與正方形，中間部位可以種植灌木或草?？偟膩碚f，格構(gòu)加固在實際應(yīng)用中有較好的優(yōu)勢，在混凝土和漿砌塊石的支持下，可以很好地達(dá)到邊坡保護(hù)的目的。值得特別一提的是，格構(gòu)加固技術(shù)本質(zhì)上是將兩種方式綜合應(yīng)用，包括格構(gòu)梁和錨索，因此這一種技術(shù)既能考慮到深層加固的需求，也可以實現(xiàn)邊坡治理的目標(biāo)。

4.3 噴錨網(wǎng)的支護(hù)應(yīng)用

目前來看，所使用的噴錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)通過綜合應(yīng)用多種構(gòu)件，可以實現(xiàn)很好的支護(hù)效果，尤其是在應(yīng)用混凝土、錨桿和鋼筋網(wǎng)后，支護(hù)效果可以大大提升。就噴錨網(wǎng)的應(yīng)用原理來說，在巖體內(nèi)按照實際情況來分布錨桿，并確保錨桿可以與巖土體形成一個復(fù)合體，以此增強(qiáng)巖土體的強(qiáng)度。通過這樣的設(shè)計，巖土體自身結(jié)構(gòu)的一些功能可以得到實現(xiàn)，高邊坡的穩(wěn)定性可以大大提升。除此之外，通過在高邊坡的坡面設(shè)置混凝土與鋼筋，可以大大降低坡面的變形風(fēng)險，并且?guī)r土的黏結(jié)性可以得到很好地提升，有助于坡面形成一個整體。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用鋼筋網(wǎng)，可以確保錨桿、混凝土、鋼筋網(wǎng)這三者的應(yīng)用優(yōu)勢均發(fā)揮出來，這對提高巖土體的強(qiáng)度有重要的意義。

4.4 邊坡綠化與邊坡防護(hù)

邊坡綠化與邊坡防護(hù)均在高邊坡加固中有著較好的應(yīng)用效果，但兩者在實際應(yīng)用時有一定的差異性，需要結(jié)合實際情況去合理選擇。就邊坡綠化這一方式來說，屬于一種生態(tài)護(hù)坡加固方式，與掛網(wǎng)、鋼筋錨桿支護(hù)、格構(gòu)結(jié)合使用時，能最大限度地實現(xiàn)坡面的生態(tài)植被恢復(fù)與防護(hù)。另外，邊坡綠化這一方式能夠改善護(hù)坡的景觀環(huán)境，這對于生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)有十分大的裨益。需要特別注意一點，必須要結(jié)合實際情況去采取工程措施，確保植物基質(zhì)能夠很好地附于坡面，發(fā)揮好植物措施與工程措施的最大優(yōu)勢。目前來看，邊坡綠化這一方式廣泛應(yīng)用在高速公路、公園、礦山、河道等的邊坡加固中，應(yīng)用效果顯著。

邊坡防護(hù)主要有兩種方式，即坡面防護(hù)和支擋結(jié)構(gòu)防護(hù)，其中坡面防護(hù)較為常用。在坡面防護(hù)中，主要有錨噴網(wǎng)護(hù)坡、噴混凝土、漿砌片石護(hù)墻、錨噴護(hù)坡，有著足夠的穩(wěn)定性。而對于支擋結(jié)構(gòu)防護(hù)來說，可使用的類型也是較多的，當(dāng)前廣泛使用的主要有三種，一是抗滑樁，二是錨桿擋墻，三是擋土墻。這些支擋結(jié)構(gòu)不僅可以起到防護(hù)的效果，而且具有加固坡體的功能。邊坡護(hù)面墻可以有效起到防止繼續(xù)風(fēng)化的效果，多用于在千枚巖、云母巖、綠泥片巖的巖石地段，在當(dāng)前的邊坡防護(hù)應(yīng)用中，主要是應(yīng)用在防護(hù)長度較大的河段，可以去修筑丁壩、順壩和格壩。

4.5 注漿加固技術(shù)

注漿加固技術(shù)在高邊坡加固中有較為廣泛的應(yīng)用且這一種所取得的加固效果十分穩(wěn)定。在注漿加固技術(shù)的應(yīng)用中，需要根據(jù)氣壓、電學(xué)、液壓等方面的知識，將巖土體固結(jié)漿液灌注到巖土體的孔隙中，如果發(fā)生裂縫，則會破碎，以此形成一種新結(jié)構(gòu)體，這一種新結(jié)構(gòu)體有較高的強(qiáng)度和抗?jié)B性能，巖土體力學(xué)性能可由此而改變。表2是注漿加固技術(shù)應(yīng)用時的方案設(shè)計。

表2 注漿加固技術(shù)應(yīng)用時的方案設(shè)計

4.6 高邊坡加固案例

某項目的自然斜坡坡度達(dá)到22°～33°，坡體頂部的地形是較為平緩的，坡體主要由厚約8m左右的第四系坡殘積層粉質(zhì)黏土和下伏板巖構(gòu)成。在實地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，巖體結(jié)構(gòu)已經(jīng)被完全破壞的全風(fēng)化板巖厚約20m，極為破碎的強(qiáng)風(fēng)化板巖厚可以達(dá)到25m?？梢哉f，這一邊坡高度大，屬于一種特高邊坡，需要將坡體的安全系數(shù)取為規(guī)范的上限值，同時嚴(yán)格遵循“固腳強(qiáng)腰”和分層加固的原則。除此之外，坡體的巖性較為松軟，坡體的穩(wěn)定性極易受到影響，所以要考慮在高邊坡的適當(dāng)部位設(shè)置寬大平臺，這樣可以解決掉坡體應(yīng)力集中的問題。需要注意一點，當(dāng)坡體所處位置有較大的降雨量時，不僅需要去設(shè)置平臺截水溝，而且需要設(shè)置長度較大的仰斜排水孔，確?？梢杂行枧诺叵滤?。在應(yīng)對巖土體性質(zhì)時，可以遵循“固腳強(qiáng)腰鎖頭”這一原則，設(shè)置鋼錨管和錨索進(jìn)工程，但必須保證抗剪能力足夠。如圖3，高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固處理。

圖3 預(yù)應(yīng)力錨索加固處理

5 結(jié)語

在高邊坡的設(shè)計與加固中需要綜合考慮多方面因素，結(jié)合實際情況去設(shè)計高邊坡加固方案與施工技術(shù)。目前所使用的抗滑樁、噴錨網(wǎng)、注漿加固技術(shù)在應(yīng)用中雖然可以取得了較好的效果，但也存在不足之處，無法確保高邊坡加固質(zhì)量。針對此，在后續(xù)的研究中仍然要重視高邊坡的設(shè)計與加固，掌握更多高邊坡加固的專業(yè)技術(shù)，增強(qiáng)高邊坡加固質(zhì)量。