高速公路路基边坡防护设计问题研究
时间：2023-04-16 11:00:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张 驰
（北京建达道桥咨询有限公司华中设计分公司,湖南 长沙 410000）
随着高速公路建设里程的增加，沿线所遇的地质条件和气候条件更具复杂性，以路基边坡为例，可能存在安全性差、稳定性不足等问题，若缺乏行之有效的处理措施，易影响车辆的安全通行。鉴于此，亟须加强对高速公路路基边坡防护设计的研究，梳理设计思路，掌握设计策略，提高设计水平。
某高速公路工程全长87.55 km，路基设计宽度33.5 m。沿线地形条件特殊，工程建设中涉及大量的高填深挖路段，如何保障路基和挖方边坡的防护设计效果是值得重点探讨的内容。路基边坡防护设计中，需根据各段地形的实际特点制定针对性的防护方案。
受岩土重力、人为因素的影响，在路基两侧形成边坡，未经处理时此部位的稳定性欠佳，可能引起路基变形、失稳滑塌等问题，不利于公路的正常运营和车辆的安全通行。公路路基边坡的结构如图1所示。
图1 公路路基边坡结构示意图
坡体内部因土体的重力作用而产生切向应力。此部分作用力超过土的抗剪强度时将引起剪切破坏，表现出公路路基滑坡问题。初期，肉眼可见公路路基边坡存在裂缝且有下沉的变化趋势，观察坡脚周边的地面可见其有小幅度的隆起。若滑坡未得到及时的处理，裂纹持续发展，土体滑动现象愈发明显，可见其沿着某滑动面持续下滑，最终引起严重的滑坡事故。在分析公路路基边坡的滑坡问题时，极限的滑坡状态属于重点考虑对象，此时具有剪应力等同于抗剪力的关系，具体如下：
式中，f1——剪应力；
Cn——抗剪强度峰值；
L1——主滑段长度。
土体的抗剪强度因边坡滑坡而快速降低，滑体发生滑动，存在不平衡剪力，即：
式中，f2——不平衡剪力；
C0——残余抗剪强度。
滑体滑移的加速度，如下：
式中，a——滑体滑移的加速度；
g——重力加速度；
W——滑体的重量。
（1）条件允许时，尽可能做到“就地取材，综合施工”，提高现有资源的利用水平，减少工作量[1]。
（2）路基边坡的养护尤为关键，需立足现场的地形条件、岩土体特性、气候条件等，经可行性分析后选择最佳的施工技术和材料。
（3）根据因地制宜的原则制定施工方案，确保建设成型的高速公路路基边坡有效适应现场的各类特殊环境，使边坡始终保持稳定。
（4）在保证高速公路路基边坡施工质量的同时，还需注重对周边环境的防护，例如减小工程建设对植被的破坏；
同时，追求高速公路路基边坡的美观性，使其与当地自然环境融为一体，减少突兀感。
4.1 高速公路路基边坡破坏现状及原因
4.1.1 边坡坍方
坍方是高速公路路基边坡发生率较高的病害，且属于水毁的多发性现象。按照成因和破坏规模的不同，有剥落、碎落、崩塌、滑坍等多种路基边坡坍方形式。其中，剥落常见于易风化的岩土坡面，与边坡开挖后未及时得到防护有关，缺乏防护的坡面裸露至外界从而发生风化，岩土体愈发松散，呈散粒状后顺坡滑落。崩塌主要集中在陡坡顶部裂隙发育的部位，岩块由于下方基础失去支撑而失稳崩落，或沿着层面、节理、局部断层带发生倾倒。滑塌产生的岩土块大量堆积在坡脚，并且存在沟蚀冲积物堆积现象时，将引起堆塌破坏，形态上看可见堆塌体以半锥体形为主。
4.1.2 高速公路深层失稳破坏
从破坏形态的角度来看，破坏面有平面、曲面、楔形等形式，通常指的是发生于坡面2 m以下的深处演化，随着演化的持续进行而出现剪切滑移破坏现象。由于滑下的土方量较大（严重时高达数十万方），深层失稳破坏普遍造成极为严重的危害，出于质量考虑和安全考虑，需尽可能规避此类深层破坏。
4.1.3 边坡破坏原因
（1）路基边坡防护设计时未全面考虑各项与边坡有关的影响因素，信息的全面性和准确性降低，设计工作难以顺利开展，或是设计方案缺乏可行性。
（2）路基边坡防护设计时缺乏限制性条件，存在潜在的安全隐患[2]。
（3）高速公路路基边坡的材料、机械设备选择不合理，以及各类工程物资与人员的配合不当，未充分发挥出工程资源的利用价值。
4.2 公路路基边坡防护设计方案
4.2.1 路堑边坡挡土墙防护设计
以该高速公路的K40+262～K49+126段为例，分析路基左侧岩质路堑边坡的防护设计方案。根据前述提及的几项边坡防护设计原则，提出“将板肋式锚杆挡土墙作为支挡防护”的方案，结构组成包含挡土墙、钢混肋柱、钢筋拉杆、墙面板，在拉杆与挡土墙自重的联合作用下，保证挡土效果，确保支挡防护方式在该段岩质陡坡高挖方路段具有可行性。
从现场实际条件出发，结合计算模拟结果确定挡墙、锚杆等的布置位置和具体数量。在边坡开挖后，将锚杆布置在立面，以1∶0.3的宽高比放坡，于坡壁布置7～9排锚杆，锚杆深入风化岩层稳定层的深度不少于5 m。按4 m的间距依次布置板肋式锚杆挡土墙肋柱，横截面1 000 mm×600 mm，统一单向布置。肋柱、顶梁施工材料分别采用C30、C20钢筋混凝土，肋柱顶梁截面的宽高比取1.2∶1，柱脚嵌入深度不少于1.5 m。肋柱施工采取现场浇筑混凝土的方法，浇筑后进行养护，以防结构裂缝的出现。
挡土墙板的单块板尺寸为3.8 m×1.0 m×0.4 m，施工材料与肋柱一致。施工时，预留板间距0.1 m，以免混凝土结构发生剧烈胀缩[3]。基底埋深1～1.5 m，用C20混凝土底座找平。挡土墙面板与肋柱搭接量控制在0.5 m，保证结构的稳定性。在路堑顶部设计截水沟，在挡墙面板和坡面设泄水孔，使地表水高效流动至急流槽内并向指定区域排放，避免因地表径流及雨水冲刷而导致挡墙失稳。
4.2.2 抗滑桩防护设计
抗滑桩对路基的防护效果良好，其思路在于对滑床部位施工抗滑桩，发挥出受力桩段的土力作用，维持抗滑坡体的稳定性，防止其发生下滑。实践表明，在高速公路路基防护中设置抗滑桩具有良好的应用效果。滑面上半部分属于受力段，桩体埋入滑面下方的部分属于锚固段，其中受力段的承载性能良好，加之锚固段地层反力的作用，可有效提高桩身的加固效果，确保桩身所在的路基边坡可维持稳定。若能够有效控制桩身强度和锚固段地层强度，将有效抑制滑坡引起的下滑力，确保路基边坡具有足够的稳定性。
4.2.3 预应力锚索护坡设计
边坡部分区域呈松散状，岩体的受力缺乏均匀性，路基边坡的稳定性较差，所具备的承载性能有限，易影响公路的正常使用。为提高路基边坡防护效果，采取在路基边坡防护中应用预应力锚索的方法。设计中，着重考虑非顺层坡路段和顺层坡路段两部分，进行针对性的防护设计。其中，在非顺层坡路段的锚索设计中，根据坡面的形态合理设计锚索的布置方式，使锚束和坡面呈垂直的关系；
对于顺层坡，则需调节锚索和坡面的夹角，并严格控制岩层倾角，以便充分发挥出锚索在边坡防护中的作用。在该高速公路工程中，路基边坡防护所用立柱的断面尺寸为800 mm×600 mm，同时施作厚度为35 mm的混凝土保护层，保证防护效果。不同立柱布置间距所带来的加固效果存在差异，因此设计时还需对比分析多种立柱间距的应用效果，从中确定最佳的立柱间距。
4.2.4 SNS柔性防护网设计
部分路堑防护设计采用SNS主动柔性防护网，路堑坡度为四级1∶0.75，五级1∶1，深度50余米。地质勘察结果显示，工程现场的岩石风化明显，存在危石、局部滑塌等问题，为规避安全隐患，采用柔性防护网进行边坡的防护。防护网材料采用的是GPS2型SNS柔性主动防护网，具体包含钢丝网绳、钢丝格栅、锚杆、支撑绳等。正式施工前，先将坡面、坡顶等各防护区域的松石、危石清理干净，再于现场测量放线，确定锚杆钻孔的实际位置，钻孔后清孔，检测成孔质量，其中孔深宜超过锚杆设计长度约10 cm。岩体的位置较为特殊或凿岩设备难以有效适应现场施工条件时，设置人字形锚杆，其由两根钢绳组成，将各自锚入孔径至少为Φ35的锚孔中。锚杆的锚入安排在钻孔注浆完成后进行，期间加强对孔内浆液饱满状态的检查，若存在空隙随即安排二次注浆，直至浆液填充至饱满状态为止。浆液的养生采取标准养生的方法，期间加强防护，减少外部因素的影响，以免出现锚杆偏位、浆液固结效果差等各类问题。经过养生后，按图纸要求张开支撑绳并进行拉紧，随后以绑扎的方法将绳卡连接至外露锚杆环套。待前述工作均结束后，铺设钢绳网。为充分保证钢绳网的稳定性，在该路段边坡岩层地质条件较差的部位采用双层钢绳网，铺设前检查材料的质量，判断抗脱落拉力、抗错动拉力是否达标，若某项指标不满足要求或钢绳有受损的迹象，随即换新，确保投入使用的钢绳网均满足质量要求。钢绳网的铺设按照自坡顶至坡脚的顺序进行，每完成一张钢绳网的铺设后，随即用缝合绳将其与支撑绳连接，同时用绳卡将钢绳网分别与缝合绳、支撑绳连接至一体，组成完整的钢绳网结构。按前述提及的方法逐层铺设，最终形成完整的柔性防护网。
4.3 植物边坡防护设计
4.3.1 浆砌片石骨架
高速公路路基边坡防护采用的浆砌片石骨架有人字形、拱形等多种形式，在该工程中采用的是适应范围较广的拱形骨架，例如在各类土质、路堤等部位均有良好的应用效果。骨架植草防护的坡率以1∶1.0～1∶1.5为宜，该工程按照1∶1.5的坡率进行施工，边坡分级高度取8 m。路基边坡坡顶设置预制路肩边缘石，坡脚设浆砌片石基础。拱形骨架用浆砌片石施工成型，其中拱圈半径1.5 m，厚度30 cm，每列拱圈间均设40 cm骨架；
每隔43.7 m设1道人行踏步，在满足人员通行要求的同时兼并发挥出排水的作用；
每隔10.6 m设一处宽度为2 cm的伸缩缝，向缝内填塞沥青麻筋。拱圈施工时，先换填种植土（厚度约为15 cm），再以湿法喷播植草的方式加以防护。
4.3.2 土工格栅加筋土植草防护
向土中加入拉筋，提高土体强度，确保土体具有足够稳定性。土工格栅加筋土植草防护在公路路基边坡防护中具有良好的应用效果，加筋土可设置成较高的垂直填土边坡，避免由于工程建设而大量侵占土地，防护结构则属于柔性结构，可较好地适应地基变形。通常，在放坡困难、用地紧张或填土较高的地区进行公路路基边坡防护施工时可采用土工格栅加筋土植草防护技术。加筋土的陡坡坡度为1∶0.5，坡面设计成台阶高度为38 cm的小台阶形。土工格栅反包麻袋后，向麻袋内装耕植土，提供有利于植被生长的条件。土工格栅加筋土植草防护结构，如图2所示。
图2 土工格栅加筋土植草防护设计
在该工程中，于填土路基和土石路基的边坡防护中采用加筋土结构。用于防护施工的填料需具有良好的透水性，使用前进行现场土工试验，评价填料质量，例如综合摩擦角需超过35°，最大粒径在150 mm以内。对于填土路基，填料采用级配良好的砂类土、砾类土；
对于土石路基，在保证填料最大粒径不超过150 mm的同时还要求粒径超过100 mm的部分占总量的比例不大于30%，如此才可提高格栅与填料的嵌固效果。用于陡边坡加筋的土工格栅材料可采用HDPE塑料拉伸格栅，在选材时要求此类材料具有良好的防紫外线能力，炭黑含量不低于2%，以免在坡面反包处格栅裸露而出现材料性能异常退化的情况（主要与太阳暴晒有关）。在边坡的底部用级配碎石施工厚度为30 cm的排水层，避免积水。填挖交界部位的下方设2层土工格栅，保证此部分材料在使用过程中无不均匀沉降现象。
综上所述，经过对某高速公路路基边坡防护设计的分析，提出设计原则、主要问题及关键的设计方法，建议相关单位在进行路基边坡防护设计时从现场地形、地质、水文等基础条件出发，进行路基边坡防护结构形式的选择与优化，以优质的材料建设防护结构，维持路基边坡的稳定性。例如，联合采取植被防护和工程防护措施，建立完善的防护体系，对路基边坡的防护效果较好，对类似工程有参考价值。
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