針對高邊坡設計與加固分析探討
2011-11-29 來源：作者：代寶剛 周登群 來源：中國鳴網
1、問題的提出
一般認為高度大于30m的巖質邊坡為高邊坡,土質邊坡大于20m即為高邊坡。高邊坡的穩(wěn)定性問題在鐵路、公路、礦山和水利建設中早已存在,近年來在高速公路建設中尤其突出。高邊坡的穩(wěn)定性受控于邊坡所在巖土體的基本特性——地層巖性、地質構造、巖體結構、坡體結構及水文地質條件等,以及人為改造的程度——開挖高度、坡形和坡度。由于地質體的復雜性、多變性和不均質性,使得高邊坡設計也十分復雜,至今還作為一種特殊設計而無章可循。
低等級公路由于標準低,路基窄,開挖量少,高邊坡不多。但隨著山區(qū)高速公路的發(fā)展,路線等級高,路基寬,開挖量大,出現(xiàn)了大量高邊坡,也發(fā)生了眾多高邊坡變形和破壞,既增加了投資,又延誤了工期,甚至造成已有工程的破壞。如京珠高速公路,廣東北段高度大于30m的邊坡近300處,治理滑坡和高邊坡加固花費近8億元。某高速公路長147km,大于30m的邊坡近300處,治理滑坡和邊坡加固花費5億多元,重慶市萬州至梁平高速公路有20余公里設在砂泥巖順層地段,幾乎所有的高邊坡開挖后都發(fā)生了變形,加固邊坡花去近2億元。安徽省徽杭高速公路在開挖過程中產生大量高邊坡變形問題,成為制約投資及工期的最主要控制因素之一,如何設計使高邊坡穩(wěn)定,如何正確認識影響高邊坡穩(wěn)定性的因素已引起眾多技術人員的重視。
2、影響高邊坡穩(wěn)定的因素分析
根據(jù)邊坡工程從“產生原因”到“防治對策”的總體思路和原則,我們認識高邊坡,分析高邊坡,首先應從邊坡病害的形成條件、影響因素入手,分析影響路塹高邊坡穩(wěn)定的主要因素,搞清邊坡病害的形成條件,使設計工程有的放矢,最終保證設計工程經濟合理,安全可靠。
概況而言,影響路塹高邊坡穩(wěn)定的因素主要可歸納為以下3個方面:
2.1路塹高邊坡的工程地質特征工程地質特征是判斷邊坡穩(wěn)定與不穩(wěn)定的主要內因,它包括以下幾個方面:
（1）地層巖性:地層巖性及其組合是構成高邊坡的物質基礎,巖性決定巖石的強度,抗風化能力,巖體結構及所能保持的邊坡高度。巖石軟弱,風化深度大,構造破碎嚴重,當切坡高度、陡度達到一定值時會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。
（2）地質構造:地質構造決定巖層的產狀,節(jié)理裂隙的性質及發(fā)育程度,斷層破碎帶的性質等,這些因素又決定了路塹邊坡的巖體結構。受構造的影響,如高邊坡體上節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,將嚴重影響路塹高邊坡的穩(wěn)定性,局部邊坡的穩(wěn)定主要受傾向臨空不利結構面的控制。
（3）邊坡巖體的風化程度:巖體風化一方面破壞了巖體的完整性,另一方面使巖石物質成份發(fā)生變化,導致巖石物理力學性質的改變,直接影響巖體的強度及構造特性,進而影響路塹邊坡的穩(wěn)定。風化程度一般分為四級,即全風化、強風化、中風化、微風化。不同的風化程度表示著巖石受改造的程度及其力學屬性的差異,同時也預示著其變形特征及主要影響變形因素的改變。如殘積層及全風化呈砂土狀巖體構成的高邊坡的穩(wěn)定性,節(jié)理裂隙已不起作用,起控制作用的是土狀巖體的強度能否支撐設計的坡度、坡高;強風化碎裂結構巖體或風化呈碎石夾砂土狀巖體,由巖體強度、破碎程度及構造面的組合及其與臨空面的關系等共同控制邊坡的穩(wěn)定性;中～微風化軟質巖石,主要由巖體結構面及巖性控制邊坡設計,中～微風化硬質巖石,主要由結構、構造面組合及其與臨空面的關系控制坡形、坡度的設計及其加固工程措施。
（4）水文地質條件:水是造成邊坡失穩(wěn)的重要因素,地下水軟化巖（土）體,降低其強度,增大容重而增大了下滑力,產生靜、動水壓力,產生邊坡的失穩(wěn)。坡體內具豐富的地下水,巖性軟弱,往往導致大規(guī)模變形如坡體滑坡、邊坡滑坡的產生,是否具地下水及地下水發(fā)育程度是評價邊坡穩(wěn)定的重要元素。
2.2路塹邊坡的設計措施
路塹邊坡的開挖是對自然應力狀態(tài)的重大改變,是造成邊坡失穩(wěn)的直接原因,因此路塹邊坡的設計措施是否合理是決定路塹邊坡穩(wěn)定的關鍵,它包括確定坡形、坡度、邊坡高度和防護結構的類型等。故在一定的工程地質條件下,路塹邊坡的穩(wěn)定性取決于設計措施是否與地質條件相適應。
2.3施工方法、工藝及施工順序
施工方法、工藝及施工順序對路塹邊坡的穩(wěn)定也有很大影響,故應結合不同地質條件及工程特性,在設計合理的前提下,做好施工組織,選擇有效的施工方法及工藝,尤其做好開挖與支擋工程的有機配合。如對危重病害邊坡,必須分級開挖,隨即支擋,挖一級,支擋防護一級,再向下挖。若一挖到底再防護,可能發(fā)生新的變形,增加投資及影響施工進度。又如高邊坡加固采用錨固工程,近二十年來在國內外大量應用,比較成功。但錨固工程主體為地下隱蔽工程,且工程質量與施工技術密切相關,對錨固工程施工隊伍的專業(yè)技術水平要求較高,應選擇有經驗、責任心強的施工隊伍,并加強施工質量監(jiān)督與管理,確保邊坡穩(wěn)定和結構安全。
除上述因素以外的其他一些次要的外在條件,如破壞植被,上部荷載情況等,均對邊坡的穩(wěn)定有一定的影響。
3、路塹高邊坡破壞類型及其防治對策
路塹高邊坡的變形破壞類型有多種,從工程防治的難易和投資多少考慮,常按其變形規(guī)模和范圍分為坡體變形、邊坡變形和坡面變形。
（1）坡體變形:邊坡所在山體或斜坡體工程地質條件較差,有不良坡體結構或巖體結構,有貫通且延伸度長的傾向臨空的不利結構面或軟弱夾層,地下水發(fā)育,影響范圍深、邊坡高度高,會產生規(guī)模較大的滑坡、崩塌、錯落和坍塌等坡體整體失穩(wěn)變形,其范圍常超出邊坡范圍。針對此類坡體變形,結合坡形、坡度設計,必須采取工程支擋措施,如抗滑樁、預應力錨索框架、抗滑擋土墻等,用以固腳強腰,同時輔以必要的排水及減重等措施,確保坡體的穩(wěn)定。由于此類變形規(guī)模大,危害嚴重,常是邊坡穩(wěn)定性評價的重點。
（2）邊坡變形:在邊坡范圍內工程地質條件較差,或含水量高,或有傾向臨空的不利結構面,變形破壞可以是一級或數(shù)級邊坡的變形,但破壞深度一般不超過6～7m,在邊坡范圍內發(fā)生如坍塌、淺層滑坡、局部楔形體滑動等。針對此類邊坡變形病害,采用改變坡形、坡度或作一些如錨桿框架、仰斜排水孔等一般加固及排水措施,即可防止病害的發(fā)生及變形規(guī)模的進一步擴大。
（3）坡面變形:坡體、邊坡自身是穩(wěn)定的,但坡面在外界因素作用下,因剝蝕、風化、沖刷等產生坡面變形,如碎落、剝落、落石、溜坍、沖溝等,破壞深度一般為坡體表層1～2m范圍,此類變形只需采取防護措施（如護面墻、漿砌片石護坡、拱形骨架內植草、網格骨架內植草等）,即可防止坡面的變形。針對坡體變形、邊坡變形、坡面變形,相應的應求得坡體穩(wěn)定、邊坡穩(wěn)定、坡面穩(wěn)定,只有三者同時達到穩(wěn)定,才能做到真正意義上的路塹高邊坡的穩(wěn)定。而這三者是相輔相成的,坡體穩(wěn)定是邊坡穩(wěn)定的基礎,同樣,如果沒有邊坡穩(wěn)定,坡面穩(wěn)定無從談起;而另一方面,坡面失穩(wěn)進一步發(fā)展可能誘發(fā)邊坡失穩(wěn),邊坡失穩(wěn)如不加以有效處理,變形規(guī)模擴大會導致坡體變形的發(fā)生。
4、高邊坡的調查與勘探
調查勘探是高邊坡設計的依據(jù),它包括:
（1）收集邊坡所在地段的地層巖性,地質構造、降雨、地震及線路平、縱、橫斷面的設計資料等。
（2）邊坡所在山坡的走向、坡向、坡高,各分段的坡形、坡率、坡高;有無剝蝕平臺;植被狀況;河流、溝谷發(fā)育程度,分布密度、切割深度、走向、溝形、溝岸穩(wěn)定狀況;自然山坡上有無變形現(xiàn)象,其類型、規(guī)模和產生的部位。
（3）線路在山坡上的位置、走向,欲開挖邊坡的高度和形式。
（4）當?shù)赝惖貙又幸延腥斯み吰碌男问胶头€(wěn)定狀況。
（5）山坡和邊坡上地下水出露位置,高程、流量變化。
（6）邊坡地段的地層、巖性、產狀、風化程度、強度特征,不同地層在邊坡上的分布位置,有無軟弱夾層或接觸面,其產狀及其與邊坡開挖面的關系。
（7）地質構造（主要是小構造）的分布位置、產狀、發(fā)育程度、延伸長度、充填物、含水狀況,及其與開挖面的關系。
（8）坡體結構類型,分類均質體結構,近水平層狀結構,順傾層狀結構,反傾層狀結構,碎裂狀結構和塊狀結構。
（9）邊坡施工方法,包括施工季節(jié)、開挖順序和開挖方式（如爆破等）。
（10）邊坡變形歷史過程,變形類型,發(fā)生時間、部位、裂縫分布、發(fā)展過程,及其與施工和降雨等的關系。
（11）對地面調查尚不能查清的內容應布置必要的勘探（鉆探、物探、坑槽探等綜合手段）監(jiān)測和試驗（巖、土、水試驗）。一般一段邊坡至少布設一個控制性斷面,主要了解地層界面、風化界面、軟弱夾層及地下水分布情況。
5、高邊坡設計的基本原則和方法
5.1設計的基本原則
（1）高邊坡根據(jù)其使用年限和保護對象的重要性,應是安全可靠的。
（2）高度40m以下的邊坡原則上以放穩(wěn)定坡率為主,大于40m的邊坡,放緩邊坡可能增加大量棄方,破壞大量植被、增大征地量,于環(huán)保不利。應采取較陡的坡率增加支擋加固工程
以減小邊坡高度。
（3）由于坡腳應力和地下水集中,加固工程應貫徹“固腳強腰”的原則“,固腳”即加強坡腳1、2或3級邊坡的支撐力“,強腰”則是防止高邊坡的局部失穩(wěn)。既要保整體穩(wěn)定,也要保局部穩(wěn)定。
（4）高邊坡設計應有完善的地表和地下排水系統(tǒng),減少水對邊坡穩(wěn)定的影響。
（5）高邊坡設計應充分考慮環(huán)境保護,美化環(huán)境。
5.2高邊坡的設計方法
高邊坡設計目前尚無統(tǒng)一的方法,一般采用三種方法相結合:
（1）工程地質比擬法:從自然穩(wěn)定坡的調查中尋找可供比擬的坡形、坡率和坡高。
（2）力學計算法:選擇符合坡體結構和破壞模式的計算方法對設計的坡形進行穩(wěn)定性計算,調整坡形或增加支擋工程以達到合理的設計。既保整體穩(wěn)定,又保局部穩(wěn)定。
（3）經驗對比法:以類似地質條件下穩(wěn)定的人工邊坡作參考設計新的邊坡。加固工程目前廣泛采用的有預應力錨索框架（地梁、墩）、預應力錨索樁、普通抗滑樁和擋土墻等,應根據(jù)實際條件選用。
6、高邊坡設計的特殊性
（1）詳細的地質資料是設計的前提。前已提到,高邊坡是將地質體的一部分改造成為人為工程,其穩(wěn)定性受控于地質條件和人為改造的程度,設計的邊坡只有符合巖土體的地層巖性、結構、構造、風化程度、及強度特征時才能保持穩(wěn)定。否則就會發(fā)生變形。
（2）高邊坡設計是預測性設計。由于線長、點多,前期地質調查和勘探中對高邊坡重視不夠,而且變形尚未發(fā)生,因此其設計是在對開挖后可能產生的變形類型、規(guī)模、部位的預測中設計的。資料充分,預測準確者取得成功,否則會造成失敗。
（3）高邊坡設計是風險性設計。地質資料的不足使設計依據(jù)不充分,存在某種盲目性。地質條件的復雜多變,難以勘察清楚也使設計具有風險性。自然斜坡是在漫長的地質歷史過程中形成的,人工邊坡則是在幾個月時間內開挖形成,改變了坡體的應力狀態(tài),因此開挖后坡體松弛變形、地表水下滲是必然要發(fā)生的,如何控制在允許的范圍內,人們對自然的認識還有差距,因而也具有風險性。
（4）高邊坡設計應該是動態(tài)的。由于種種條件的限制,開挖前對邊坡的地質情況難以了解清楚,設計也難以完全符合實際。因此要把地質工作延伸到施工過程中,隨著開挖暴露,進一步了解地質條件的變化,進行設計的調整或變更,即所謂“動態(tài)設計,信息化施工”。
（5）高邊坡設計對施工程序和方法應提出嚴格要求。高邊坡變形破壞,既有設計上的原因,也有施工程序和方法不當?shù)脑?。如雨季施工大量雨水滲入坡體軟化軟弱面;不分層開挖、逐級支擋防護,而一挖到底造成邊坡變形;大藥量爆破造成巖體破碎、軟弱面松動,甚至滑坡等。因此在設計文件中對施工程序和方法應提出嚴格的要求。可以看出,高邊坡設計從調查、勘探、設計到施工是一個環(huán)環(huán)相扣的系統(tǒng)工程,哪一環(huán)出現(xiàn)問題都可能造成邊坡失穩(wěn)變形。
