公路邊坡穩(wěn)定性分析及治理方法

張正鑫，岳家明，周薇

（中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北武漢 430000）

1 邊坡穩(wěn)定性分析要求

針對地質(zhì)情況較為復雜的路基邊坡，開展其穩(wěn)定性分析主要從以下兩個方面進行：首先，進行勘查獲取地質(zhì)分布資料，并且簡略從邊坡的不同方位及不同構(gòu)造位置開展邊坡穩(wěn)定性的定性分析；其次，針對前面所作初步判斷進行現(xiàn)場的詳細勘察，獲取結(jié)構(gòu)面強度、巖土地質(zhì)分布、水流水壓等參數(shù)數(shù)據(jù)，對邊坡的穩(wěn)定性作出定量分析。當路基邊坡為中小型時，則可以將上述兩個步驟合并開展。

對于常見的路基挖填方邊坡，根據(jù)有效應力分析，影響邊坡滑動面抗剪強度的主要因素是孔隙水壓力，當孔隙水壓力不斷增大且土體總應力不變時，其有效應力造成的抗剪強度就會衰減，路基邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)也會下降；如果孔隙水壓力減小，則土體呈現(xiàn)不斷固結(jié)狀，邊坡抗剪強度就會提升，穩(wěn)定系數(shù)也隨之增大。路堤修筑工作在飽和軟土上進行時，邊坡穩(wěn)定性分析則主要采用不排水強度和總應力法，邊坡的長期穩(wěn)定性分析則需要進行有效應力法進行分析，一般在路堤剛修筑完成時，其邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)最小且隨著時間的延長而不斷提升；邊坡如果采用軟土挖方形成，則其長期穩(wěn)定性需要計算卸荷情況下的排水、不排水抗剪強度，相對于填方邊坡，其長期穩(wěn)定性是不利情況。

邊坡安全系數(shù)是邊坡危險滑裂面滑動力和土體抗滑力的比值，在路基設(shè)計過程中，邊坡的安全系數(shù)選取是重要工作，具有極為明顯的社會經(jīng)濟和安全意義。根據(jù)《巖土邊坡工程手冊》，邊坡安全系數(shù)在不同情況下的選值如表1所示。

表1 安全系數(shù)分布表

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001），新型設(shè)計的邊坡穩(wěn)定系數(shù)采取以下規(guī)定：一級邊坡的穩(wěn)定系數(shù)控制在1.3～1.6，二級設(shè)計邊坡則控制在1.1～1.3，三級邊坡則選取安全系數(shù)為1.05～1.1；對已經(jīng)存在的邊坡進行穩(wěn)定性分析，則其穩(wěn)定性系數(shù)選取在1.1～1.3。依據(jù)《建筑物地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2002）及《上海市地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（DGJ08—11—2010），邊坡安全系數(shù)的確定需要根據(jù)邊坡對周圍環(huán)境及既有工程結(jié)構(gòu)的影響確定。其中，一級建筑物結(jié)構(gòu)為1.3，二級建筑物結(jié)構(gòu)為1.2，三級建筑物結(jié)構(gòu)則為1.1；當邊坡土體抗剪強度采用總應力法確定，并且采用固結(jié)快剪峰值指標進行簡單條分法分析安全系數(shù)，則一般建筑物可容許安全系數(shù)最小值為1.3，在設(shè)計過程中則選取1.35。

2 邊坡穩(wěn)定影響因素及破壞形式

2.1 影響分析

影響邊坡穩(wěn)定性的內(nèi)在因素可以分為以下幾類，即邊坡巖土成因和內(nèi)部礦物成分、巖土強度及結(jié)構(gòu)，當邊坡由強度較高、抗風化性能較好、堅硬密實且礦物穩(wěn)定的巖土材料構(gòu)成時，其穩(wěn)定系數(shù)較高。其中，巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)主要由巖體構(gòu)造類型、坡面和結(jié)構(gòu)面分布形式?jīng)Q定；巖體風化作用也會造成巖體結(jié)構(gòu)的抗剪強度衰減，造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂隙，對邊坡的透水性和形狀造成極大影響，地表水在風化巖體結(jié)構(gòu)中容易滲入，對地下水文情況造成較大的改變。如果風化產(chǎn)生在巖體裂隙位置，則會造成巖體結(jié)構(gòu)的滑移、脫落、崩塌等災害；對邊坡開挖導致巖土體內(nèi)的應力狀態(tài)產(chǎn)生劇烈變化，在坡腳位置處就會出現(xiàn)應力集中，坡面和坡頂位置則會出現(xiàn)張應力，長期的大范圍活動會促使巖土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應力釋放，造成邊坡大變形情況的發(fā)生；除此之外，地震等自然災害也會使巖土體邊坡的抗剪強度下降，內(nèi)部剪應力劇增。

外因則分為水和人為因素，地表水的滲入增大了巖土體邊坡的質(zhì)量，促使內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生軟化且提升了孔隙水壓力，動水壓力也會使得巖土體邊坡產(chǎn)生浮托力，最終造成邊坡的剪切破壞；人為施工活動中的設(shè)計缺陷及爆破、開挖、削坡、施工用水的滲入等都會造成邊坡的失穩(wěn)破壞。

2.2 破壞形式

邊坡破壞位置主要發(fā)生在風化嚴重區(qū)域和軟弱結(jié)構(gòu)面，當邊坡出現(xiàn)局部錯動、松弛、開裂、擠凸等情況時，隨之而來的往往是大范圍破壞，為有效確保公路工程的通車安全和路基完整性，針對初期較小變形開展病害處理措施就顯得極其重要。邊坡破壞根據(jù)程度不同可以分為以下幾類：

（1）滑坡。巖土結(jié)構(gòu)在自重作用下沿著滑動面整體移動，可分為漸進式旋轉(zhuǎn)和層狀平移兩種形式。當邊坡前沿經(jīng)過人工切割或者流水沖刷，邊坡上部堆載過大且地下水含量較高時，巖土邊坡的內(nèi)部有效應力就會減小，其軟弱結(jié)構(gòu)層強度喪失，造成滑坡現(xiàn)象；

（2）崩塌。該災害主要產(chǎn)生在坡度大于40°的陡坡中，當陡坡中存在風化程度較淺的軟弱結(jié)構(gòu)面和殘積層裂隙，則會出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象，這主要歸因于巖土自身結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，常伴隨雨水、振動、溫差、凍脹等自然影響而形成。崩塌具備水平位移小于、垂直位移的特點，且破壞過程十分迅速，難以保持既有的結(jié)構(gòu)完整性，滑動面幾乎不明顯；

（3）滑動。巖土體受風化嚴重且受到水流侵蝕，內(nèi)部組分被水流沖走造成空隙率劇增，繼而在自重作用下產(chǎn)生向下的過大變形。當巖土結(jié)構(gòu)遇水飽和，其內(nèi)部的抗剪強度衰減至0，此時在邊坡坡腳等含水量較高的位置開始出現(xiàn)破壞，一般出現(xiàn)在暴雨季節(jié)或者新建軟土路基中；

（4）剝落。該災害由于巖土邊坡存在片狀結(jié)構(gòu)，在長期風化作用下，該結(jié)構(gòu)形成的碎屑產(chǎn)生脫落，如在河灘上修筑的路基，邊坡長期經(jīng)受水流、風浪沖擊，邊坡局部的剝落長期會造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，破壞面一般呈現(xiàn)圓弧狀。

3 邊坡綜合治理

3.1 土釘支護和錨固技術(shù)

土釘支護主要采取新奧法為基礎(chǔ)理論，應用于邊坡穩(wěn)定和土體開挖，該施工技術(shù)速度快、經(jīng)濟可靠、穩(wěn)定性高，在巖土工程領(lǐng)域得到了大范圍應用。土釘作用是能夠和周圍土體實現(xiàn)全長接觸，土釘群和周圍土體形成復合體，即便巖土體產(chǎn)生變形，土釘群和周圍土體的摩擦力、黏結(jié)力使土釘集體受拉，保證復合體的穩(wěn)定性。在公路路基邊坡中，土釘支護能夠起到防護邊坡失穩(wěn)，加固既有形式的作用，對于土釘支護的穩(wěn)定性分析主要采取比較簡單的整體安全系數(shù)法；巖土錨固技術(shù)主要是將拉桿植入地層結(jié)構(gòu)中，對巖土層能量進行協(xié)調(diào)，優(yōu)化邊坡自身穩(wěn)定能力和抗剪強度，錨固技術(shù)能減輕材料應用成本，其作用發(fā)揮和土釘具有一致性，根據(jù)是否施加預應力可以將錨固技術(shù)分為非預應力錨桿和預應力錨桿，其中預應力錨桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該結(jié)構(gòu)通常被應用在斜坡?lián)跬痢⑦吰录庸?、滑坡防治處理中?/p>

圖1 預應力錨桿示意圖

3.2 排除地下水

地下水的排出主要有集水井排水、滲溝排水、平孔排水、滲水隧洞排水幾種形式，其中滲溝排水可以分為邊坡滲溝、支撐滲溝、截水滲溝，支撐滲溝在應用中深度一般控制在小于10m，寬度控制在2～5m，其主要起到巖土邊坡內(nèi)部水分的疏干、排除及加固支撐穩(wěn)定性欠缺邊坡的作用。支撐滲溝可以分為分支和主干兩種類型，主干需要保持與滑動方向的平行，并且設(shè)置在水體造成坍塌的位置及水位露頭位置；支溝的布置需要考慮匯水情況，一般控制在和邊坡滑動方向呈30～50°，可以適當超過滑動區(qū)域布置，以實現(xiàn)地下水的充分攔截。當滑坡范圍較大且推力強時，則可以考慮將支撐滲溝和抗滑擋土墻聯(lián)合使用，加強滑坡體的支撐效果；邊坡滲溝則主要是將邊坡上的地表水流進行引排或?qū)Τ睗襁吰逻M行疏干，減緩水體對邊坡的沖刷程度，設(shè)置邊坡滲溝時需要將其進行坡體的垂直嵌入，并且將其埋入巖土層底部較為干燥位置，形成坡度為2%～5%左右的階梯式泄水坡，結(jié)構(gòu)底部需要加裝鋪砌避免滲漏。邊坡滲溝的布置間距需要結(jié)合地下水流量、分布、土層結(jié)構(gòu)等因素綜合確定，設(shè)計中可每5～9m 布置一個，寬度可控制在1.1～1.5m，邊坡滲溝的深度則需要結(jié)合潮濕土層厚度[1]。

截水滲溝則在地下水流垂直方向進行結(jié)構(gòu)設(shè)置，以此實現(xiàn)地下水的排除和攔截；截水滲溝需要布置得長且深，檢查井一般設(shè)置在滲溝的邊坡和轉(zhuǎn)彎處，以便后續(xù)技術(shù)人員通過孔道疏通和維修，檢查井的井壁需要進行泄水孔的設(shè)置。

滲水隧洞排水是用來引排、截排坡體滑動層附近富集的深層地下水，隧洞斷面面積的設(shè)置需要結(jié)合養(yǎng)護施工的便利性，盡量不受地下水流流量的影響；平孔排水設(shè)置數(shù)量和位置需要結(jié)合地質(zhì)和地下水分布狀況，其具備施工簡便、節(jié)省勞動力、材料簡約的優(yōu)點，孔徑大小可以控制在毫米級以上，不受流量的影響，坡度設(shè)置在15%以上；集水井排水則主要是對基巖及其附近的地下水進行集中匯集處理，構(gòu)造深度控制在20～30m，集水井在滑動區(qū)域施工時，需要和滑動面保持一定的安全距離；在安全區(qū)域施工，集水井施工需要深入基巖結(jié)構(gòu)[1]。

3.3 坡面防護

坡面防護最常見的措施是種草、鋪草皮、抹面捶面。種草防護主要用于坡面經(jīng)受微小沖刷且路堤路塹坡面適宜草類植物生長的區(qū)域，可以達到表土團結(jié)、減少水土流失，加固邊坡穩(wěn)定性的效果。在選擇草籽時，需要考慮當?shù)氐臍夂颦h(huán)境，選擇根部發(fā)達、易生長、枝葉茂密的草種，現(xiàn)場需要將幾種草種進行混合，以便形成較好的防護覆蓋層，草籽播種需要混合砂土，實現(xiàn)均勻化播種；草皮鋪設(shè)方法主要有方格式、平鋪、平鋪疊置、卵片石方格幾種；抹面和捶面則應用在一些容易風化的路塹邊坡防護過程中，抹面可以采用混合材料，對于易受到?jīng)_刷的邊坡可以采用混合材料捶面，抹面材料主要有石灰爐渣、水泥石灰砂漿；捶面材料則主要有四合土、水泥爐渣土等[2]。

4 邊坡治理分析

4.1 工程概況

某公路邊坡位于湖北省，經(jīng)過現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，該邊坡所處基巖地層為粉砂巖和頁巖結(jié)構(gòu)，邊坡周圍覆蓋有崩積物、滑坡堆積物，坡面結(jié)構(gòu)大多被農(nóng)作物和植物所覆蓋，表面存在較多的風化頁巖碎片，邊坡所處環(huán)境年降水量達到了300mm，經(jīng)常出現(xiàn)大型暴雨。地下水主要以裂隙水和孔隙水為主，地下水來自豐富的氣候降水，當前邊坡整體并不穩(wěn)定，沿著公路行進方向存在較多的裂縫，兩側(cè)民房墻體大范圍開裂，邊坡地面存在局部較大裂縫，極容易產(chǎn)生整體失穩(wěn)狀況。邊坡的破壞主要是土體抗剪強度小于其中產(chǎn)生的剪切應力，為有效評估邊坡的穩(wěn)定效果，需要從邊坡最不利環(huán)境下進行潛在破壞面的物理力學性能指標分析，本項目采取極限平衡法進行穩(wěn)定性分析，對潛在的邊坡力學指標采取推理傳遞系數(shù)法計算，如圖2所示。

圖2 計算簡圖

4.2 治理方案及效果評價

根據(jù)該邊坡所處地質(zhì)、地形及施工條件，本項目在清除坡面后確定治理區(qū)域范圍控制在高程200～250m，主要采取3～6 排微型鋼管樁來實現(xiàn)坡體的抗滑處理，項目現(xiàn)場對治理區(qū)域進行1、2、3 區(qū)分級。1 區(qū)采用20m長的鋼管樁，2區(qū)為25m，3區(qū)為30m，鋼管樁采取無縫鋼管套進行外徑50mm 的焊接處理。在該坡體兩側(cè)分別設(shè)置1～7 號排水溝、14～17 號排水溝，兩側(cè)排水溝上部位置公路排水設(shè)施的銜接處理，在坡體治理位置則設(shè)置8～13號截水溝。鋼管樁采用1m×1m進行布置，整體實現(xiàn)較大的坡體變形抵抗能力，并且對地表的排水設(shè)施進行完善，降低地表水的二次影響。根據(jù)現(xiàn)場勘測，該坡體具備長久蠕變及14～20m厚度的強風化層，項目采取鋼管樁進行強風化層地質(zhì)穿透處理，嵌固深度控制在6m 以上。在強弱風化界面以下，地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為堅硬完整，裂隙較少。經(jīng)過該措施處理后，采取推理傳遞系數(shù)法對其安全穩(wěn)定性進行計算，當最后條塊的下滑力衰減到0 時，其安全系數(shù)為1.2，滿足抗剪強度相關(guān)技術(shù)要求[3]。

5 結(jié)語

公路路基邊坡的穩(wěn)定性決定了行車安全性和社會經(jīng)濟效益，邊坡穩(wěn)定性防治措施較多，如何科學合理地進行針對性應用，需要結(jié)合坡體的破壞類型、地形、地質(zhì)水文等生態(tài)環(huán)境，邊坡穩(wěn)定性防護的施工周期較為嚴格，為降低對周圍環(huán)境的影響和交通流量的影響，施工單位需要加強邊坡防護質(zhì)量，加強現(xiàn)場勘查分析，優(yōu)化施工技術(shù)方案，從而最終保障公路工程的穩(wěn)定運營。