山区道路深路堑边坡稳定性分析及支护设计

邱志博

摘 要：山区道路建设产生的深路堑边坡，由于受地形地貌、工程地质、水文和外力作用等因素制约，其边坡稳定性分析较复杂，边坡支护须综合考虑多因素进行设计。基于“固脚强腰”边坡支护设计理念，本文结合工程案例，通过对深路堑边坡支护前赤平投影和计算分析，支护设计后再次计算验证，检验支护设计方案的安全性和可行性，为类似山区道路深路堑边坡工程的稳定性分析和支护设计提供参考。

关键词：山区道路；深路堑；边坡稳定性分析；支护设计。

中图分类号：TU43 文献标识码：A 文章编号：

1 引言

山区道路总体设计时平纵选线宜利用山势及地形，尽量避免路基高填深挖形成高边坡。深路堑边坡受地形地貌、工程地质、水文和其他外力作用等因素制约，其边坡稳定性分析较复杂，边坡支护须综合考虑多因素进行设计。本文结合工程实例，充分掌握路基深路堑边坡设计条件，准确研判边坡破坏机制，提出合理的设计方案，经计算验证边坡稳定性满足规范要求，并做好边坡防护及排水措施，保证路基边坡的安全性。

2工程概况

2.1地形地貌

拟建山区道路深路堑边坡场地属构造剥蚀浅丘地貌，整体呈斜坡及沟谷地形，南北走向，沿线植被茂密。场地内为斜坡地段，地势陡峻、地形坡度约为20～35°，局部地形坡度达到50°，沿线地形起伏变化较大，整体地势呈南低北高。

2.2地层岩性

据现场调查及钻探揭露，地层由新至老分述：

①素填土：紫褐色，主要由砂岩、泥岩块石和碎石及粘性土组成，局部含有少量的建筑垃圾、生活垃圾。块、碎石含量26～40，粒径一般10～1080mm，结构主要呈松散～稍密状，稍湿。该层主要分布于场地地表，堆填时间一般在3年以上，钻探揭示厚度0.43～8.02m。

②粉质粘土：黄灰、黄褐色，软塑～可塑状，含植物根系及有机质。切面较光滑，稍有光泽，韧性中等，干强度中等，无摇震反应。该层在场地内分布较广，钻探揭示厚度0.43～16.32m，属残坡积成因。

③砂质泥岩：紫红、暗紫色。由粘土矿物组成，粉砂泥质结构，中厚～厚层状构造。强风化岩芯呈碎块状、短柱状，强风化带厚度1.2～3.0m；中等风化岩体岩芯多呈长柱状，节长5～45cm，岩质较软，失水易干裂。该层分布于场地大部分地段，为勘察区主要岩层。

④砂岩：灰、青灰色，主要成分以石英、长石为主，含少量云母，泥质、钙质胶结。中～细粒结构，中厚～厚层状构造。岩芯强风化呈短柱状及碎块状，强风化带厚度0.40～3.50m；中等风化岩体取芯多呈柱状、短柱状，节长6～48cm，岩质较硬。

2.3.地质构造

拟建场地内无断层及构造破碎带通过，裂隙不发育，岩体较完整，地质构造简单。岩层产状25228，层间结构面结合差，属软弱结构面。场内测得2组裂隙，产状如下：

①50°∠12°，裂隙间距1～3m，平直光滑，无胶结，多呈闭合状，多为泥质或泥夹岩屑充填，结合很差，延伸数米，属软弱结构面。

②230°∠10°，裂隙间距3～5m，平直光滑、无胶结，多呈闭合状，多为泥质充填，局部铁锰质充填，结合很差，延伸数米，属软弱结构面。

裂隙①、②均属软弱结构面，场地无断裂构造，构造裂隙属不发育，地质构造简单。场区未见断层，岩层呈单斜产出，地质构造简单。

2.4.水文地质条件

沿线地表径流途径较发育，有利于雨水排泄，场区地下水主要赋存在低洼地带的基岩裂隙和松散土层中，为基岩裂隙水和第四系松散堆积层孔隙水，场地内发育较贫乏，水文地质条件较简单。地勘报告显示该区域地下水无腐蚀性。

3边坡稳定性分析参数、方法及评价标准

3.1计算采用工程地质参数

本设计采用岩土工程勘察报告推荐的岩土参数，主要如下：

素填土天然状态：γ=20.5kN/m³，c＝4.2kPa，φ=28°；

素填土饱和状态：γ_sat=21.5kN/m³，c_sat＝2.5kPa，φ_sat=25°；

粉质粘土天然状态：γ=19.4kN/m³，c＝29.09kPa，φ=10.61°；

粉质粘土饱和状态：γ_sat=20.4kN/m³，c_sat＝20.06kPa，φ_sat=8.05°。

强风化砂质泥岩：γ=24.95kN/m³，c＝35kPa，φ=28°；

中风化砂质泥岩：γ=25.56kN/m³，c＝187kPa，φ=30.2°；

强风化砂岩：γ=24.29kN/m³，c＝587kPa，φ=31.2°；

中风化砂岩：γ=25.11kN/m³，c＝1700kPa，φ=37.4°；

3.2边坡稳定性计算方法及评价标准

（1）计算方法

该段深路堑直立开挖后，边坡可能产生沿岩层层面的滑动破坏。为进一步分析该边坡的稳定性，根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)第3.7.5节，结合地区经验选取典型作为代表，采用不平衡推力法对边坡进行稳定性验算。

不平衡推力法是针对滑面为折线形的条件下提出的，它假定条间力的作用方向与上一条块的滑面方向平行，计算简图如图1所示，按此假设可以得到不平衡推力法的计算公式如下：

(1)

(2)

式中符号意义（如图1所示）：W_1i为土条中浸润线以上土条的重力；W_2i^′为土条中浸润线以下土条的浮重；F_i、F_i-1分别为本条和上一条的剩余推力；α_i、α_i-1分别为本条和上一条的滑面倾角；c_i、φ_i为滑带土的黏结力和内摩擦角；F_s为滑坡的稳定系数；Ψ_i-1为i-1条块的剩余下滑力传递至第i条块的传递系数；D_i为渗透压力，D_i=γ w A_i sinβ_i，其几何意义是土条中饱和浸水面积A_i、水的容重γw、水力坡降sinβ_i的乘积，其方向与水流方向一致，与水平向的夹角为β_i。

式（1）中右边第一项为本条的下滑力，第二项为本条的抗滑力，第三项为上一条传下来的不平衡推力。对于第一条，最后一项为0，依此逐条计算，直到最后一条的剩余下滑力为0，由此确定稳定安全系数F_s。

图1 不平衡推理法计算简图

（2）边坡稳定性评价标准

边坡稳定性评价标准：F_s＞F_st，稳定；1.05＜F_s≤F_st，基本稳定；1.00≤F_s≤1.05，欠稳定；F_s＜1.00，不稳定。F_st为边坡稳定安全系数。

4.边坡支护设计

4.1 边坡开挖后稳定性评价

道路施工按纵断面设计标高开挖，该段深路堑边坡土层及强风化基岩直立开挖后，由于基岩面倾角较陡，上部土层易产生沿岩土界面的滑动破坏。建议对上部土质边坡按1:1.50～1：1.75坡率设计放坡，强风化基岩边坡按1:1.0坡率设计放坡；下部中风化基岩为砂岩、砂质泥岩组成，边坡岩体类别为Ⅳ类，坡向270°为主，按1:1.0坡率设计放坡。由赤平投影图（图2）分析可知，该边坡属顺向坡，岩层层面与边坡坡向基本一致，为外倾主控结构面。

图2 边坡赤平投影图

对开挖后未进行支护设计工况进行计算分析，该段边坡的稳定系数1.0＜K_s=1.12＜1.35，直立切坡后，该段顺向边坡稳定性较好，但是不能满足一级边坡的安全要求，作为永久性边坡，且边坡高度较高，随着时间推移，边坡岩体在各种风化作用下，其岩体参数会逐渐降低，在后期容易产生垮塌失稳的可能，需对边坡进行支护设计。

4.2边坡支护设计方案

由于该路段岩层较厚且为顺层，采用一般路基开挖会导致边坡开挖宽度过大，土石方量增加较多，工程费用大幅增加，同时因开挖面积过大，对生态破坏较为严重。根据地勘资料，对该段边坡底下一级采用桩板挡墙+预应力锚索，其余几阶采用预应力锚索框格梁的形式支护边坡。岩层部分坡率1:1，土层部分坡率为1：15，每8米设置一个平台，桩板墙和框格梁之间设置10m宽平台，其余平台宽2m。桩基采用3000×5000mm的矩形桩，桩基部分锚索采用12根直径为15.2mm预应力钢绞线，每根桩基设置3排锚索。框格梁设计间距为2000×2000mm，立梁采用500×600mm，横梁采用300×600mm的钢筋混凝土，锚索设在立梁上，采用12根直径为15.2mm预应力钢绞线，每阶立柱设置3排锚索。边坡支护设计方案详见图3。

根据现场地形，坡顶设置防护网及距坡顶5m处设置截水沟，两者间地面采用10cm厚C30混凝土硬化。考虑该段岩层为顺层，为防止雨水渗透进岩层内，在框格梁间设置10cm厚C30喷射混凝土封面，然后在上面堆砌生态袋，并绿化。同时为了降低岩层内的水头高度，在每阶框格底部设置2道深泄水孔。

图3 边坡支护设计图

4.3计算结果分析

根据《公路路基设计规范》表3.7.7规定，路堑边坡稳定性安全系数取值天然状态F_st=1.25（正常工况），饱和状态F_st=1.15（非正常工况），计算工况采用天然状态（工况一）和长期降雨或暴雨（工况二）两种状态，采用专业岩土边坡稳定分析系统进行计算验证，计算结果见下表：

表1 边坡稳定性计算结果分析表

支护情况	工况	稳定系数Fs	安全系数Fst	稳定性评价
支护前	工况一	1.12	1.25	基本稳定
	工况二	1.03	1.15	欠稳定
支护后	工况一	1.33	1.25	稳定
	工况二	1.19	1.15	稳定

分析表1边坡稳定性计算结果可知，道路施工按设计标高开挖后，该处深路堑边坡未采取支护措施前，在天然状态稳定系数为1.12，处于基本稳定状态；在饱水状态稳定系数为1.03，处于欠稳定状态，需进行边坡支护；该处深路堑设计支护后，在天然状态稳定系数为1.33，处于稳定状态；在饱水状态稳定系数为1.19，处于稳定状态。对比支护前和支护后的边坡稳定状态，表明边坡支护可有效保证边坡的稳定性，满足边坡安全性要求，设计方案可行。

4.4边坡监测

场地深路堑边坡应采用施工监测、信息化动态设计方法。整个边坡施工及使用过程中均应作边坡变形观测记录，在每一典型边坡段应设置不少于3个观测点的观测网，用经纬仪，水准仪，地表位移伸长计等观测位移量，移动速度和方向；在出水点应测地下水，渗水与降雨关系。观测时间间隔一般可每周观测一次，当有危险征兆时，应进行连续监测。边坡应作长期观测，在竣工后的观测时间不应少于2年。

5.结语

遵循边坡支护“固脚强腰”设计理念，研究深路堑边坡稳定性分析和支护设计问题具有重要的实践意义。本文结合工程案例，对深路堑边坡支护前赤平投影和计算分析，支护设计后再次计算验证，检验支护设计方案的安全性和可行性，有效保证深路堑边坡安全性及指导设计工作，为类似山区道路深路堑边坡工程的稳定性分析和支护设计提供参考。

参考文献：

1. 《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)[S].

2. 时卫民,郑颖人,唐伯明. 滑坡稳定性评价方法的探讨滑[J].岩土力学,2003 ,24 (4) :545 - 548.