公路路堑土质高边坡的破坏模式与处治措施分析

2020-10-25樊云龙董元帅

工程技术研究 2020年18期

樊云龙，董元帅，侯芸，张涛

（1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089；2.中咨公路养护检测技术有限公司，北京 100089；3.中南林业科技大学土木工程学院，湖南长沙 410000）

交通基础设施的逐步完善是引导我国西部经济大发展的重要先行基础，因此，为加快国家重大战略政策的实施，高速公路作为陆路交通大动脉正不断向云南等偏远地区延伸。然而，西南地区具有山岭深谷分布广泛的地形特点，道路修筑多采用路堑挖方、桥梁和隧道等形式，同时沿线地表生态环境脆弱，处治不当易诱发较严重的地质灾变和安全隐患[1]。尤其是部分路堑位于高陡边坡一侧，在强降雨和地震作用下，边坡土体结构时有崩塌或滑移，威胁着高速公路行车和周边居民的人身财产安全[2]。

目前，国内许多道路与岩土领域专家针对土质高边坡的稳定性问题开展了现场和试验研究[3]：陈洪江等[4]分析了考虑降雨条件下临离高速黄土边坡的稳定性，得出土的渗透性和降雨强度等对边坡的安全系数具有重要影响。李雨倩等[5]利用动三轴测定黄土的动力特征，并建立了地震荷载下的边坡有限元计算模型，发现水平推力对边坡破坏的作用较大。方薇等[6]利用FLAC 3D软件分析了不同材料和加固方式对土质高边坡的失稳变形影响。以上分析案例都是将力学计算与实例进行对比，就边坡安全的个别影响因素和部分成熟的加固经验进行探讨，没有较完整的归纳出土质边坡的主要破坏形式和处治措施。

文章通过调研云南省东北部某高速公路部分路堑路段，结合现场和已有研究成果，对典型路堑土质高边坡的不同类型破坏形式进行了总结，并就沿线的病害情况提出了相应的处治措施，为工程人员提供具体的建议和参考。

1 典型路堑边坡稳定性的影响因素

1.1 公路沿线地质环境

西南某高速公路作为国家高速公路网中的一条重要组成干道，地形起伏，桥隧比高，地处滇黔交界，与贵州某高速段相接，终于滇川界，是衔接云南、四川和贵州三省的交通要道。调研路段地处云贵高原向四川西南部山脉过渡，沿线地形多为山地，路网破碎，并途经金沙江呈西高东低走势，侵蚀显著，地貌形态主要为构造溶蚀高山峡谷地貌和构造侵蚀低-中山地貌。全区域岩性分布明显，主要区域为震旦系—二叠系灰岩和白云岩等坚硬岩石出露，地形特征以陡峻山丘、深切河谷为主，山脉河谷复杂交错、起伏剧烈，构造发育；鲁甸盆地边缘沿斜轴部发育，多为二叠系的玄武岩，大部山包平缓开阔，上覆棕红、红黏土，沟溪发育。

图1 地震动峰值简图

调研路段需穿过龙头山高烈度频震区（见图1），位于“鲁甸8.03”震中附近，且根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015），全区域地震烈度为VII，震动峰值加速度为0.15g，动反应图谱特征周期为0.45s，断裂构造、区域稳定性较差。因此，全路段设计应按照规定进行地震设防。

1.2 典型的稳定性影响因素

项目组对合同段附近的边坡进行调查，发现在路堑位置存在3～4个不稳定的人工开挖斜坡。其地貌特征为基岩或表层土裸露，易受风化。坡体主要由黏土和碎石块组成，下伏基岩多见泥质白云岩，在强降雨的冲刷作用下，局部坡面会出现剪切破坏，表现为滑坡和崩塌。对调查路段边坡周围的环境和典型影响因素归纳如下。

（1）环境和地表情况。自然环境是直接造成边坡垮塌的外部因素，其中降雨条件是占比最大也最常见的因素。在局部强降雨条件下，引起坡体内非饱和土的湿度和地下水位大幅度上升，动静水压力作用随之发生改变，土体的抗剪强度也显著下降。与此同时，若地表植被覆盖较少，就易受地表径流影响，从而冲刷造成表层土的大量流失，并产生裂隙，或在坡表形成“V”形的沟壑，坡面几何形状发生变化，整体稳定性逐渐降低，十分不利于边坡的安全。除强降雨和植被覆盖少的不利条件外，边坡的影响因素还包括冻融作用、风化作用等一系列自然气候条件。调查区内属于显著的高原性气候，干雨季区分、季节性温差较大，年平均湿度在80%左右，年平均降雨量受高程影响，降雨量在720～1058mm，稳定性分析时需要考虑地形陡峻山区可能的暴雨不利条件。

（2）地层构造和土质。通过野外调查和地质资料，项目组发现公路沿线断裂构造活动强烈，局部地区两侧山体呈现高陡的高山峡谷地貌，不良地质作用较发育，易发生落石和泥石流等地质灾害。同时，由于路堑部位需开挖坡体，受不同地层影响，其土质不尽相同。例如，调研某路段，边坡表面为碎屑土或红黏土、下伏基岩为砂岩夹泥等脆弱软岩，透水性较好，一旦含水层遇水饱和，极易促成边坡滑移、失稳破坏。

（3）荷载和地震作用。土质边坡易受外部荷载作用而发生应力重分布，打破原有的平衡状态，特别在地震的作用下，造成土体内部扰动、黏结力和抗剪强度下降，同时地震加速度下边坡惯性力增大，导致脆弱坡体整体向下滑移，安全折减系数降低，进而引发边坡临空向失稳。外力作用还需注意在施工工程中进行的坡顶堆载、爆破振动和机械振动等人为因素，其可能会给原本破碎的边坡环境带来不可预料的次生灾害。

2 土质高边坡破坏模式与分析方法

土质边坡的破坏过程可以分为变形和破坏两个阶段。在上述因素的影响下，边坡土体发生变形，以达到应力平衡的要求，但是当变形达到一定程度时，其变形仍无法使得边坡土体内力达到平衡状态，这就导致在坡度最弱的部分会产生穿透性的断裂面，从而引起坡体发生位移过程，即边坡失稳。因此，合理设计和加固土质边坡是保证边坡稳定的重要途径。下面就调研区域主要的三种边坡破坏形式（见图2）及其形成机理法进行分析。

2.1 崩塌的作用机制

崩塌破坏是指边坡土体从上到下的塌落现象，也是最常见的一种边坡破坏模式。通常情况下，斜坡顶部的土体受外部因素及其自身土壤性质的影响，其土体会由于张拉力作用在坡体中产生裂缝并沿新的面塌陷，而没有固定的滑动面。这种破坏通常发生在坡度较大的黄土斜坡和红黏土斜坡上，破坏迅速。在降雨的作用下，崩塌土体迅速离开坡体，虽然破坏的作用点多，但规模一般较小，土体滑动距离较短，破坏程度不大。

图2 三种边坡破坏模式的典型断面

2.2 滑坡的作用机制

滑坡破坏是指斜坡土体在重力作用下沿着最薄弱的面整体滑落现象。滑坡破坏具有典型的断面形式，其软弱滑面已从坡顶延伸到坡脚，形式可以由滑体、滑带和滑床三个部分组成。其成因主要取决于环境因素的影响，经历时间较长。不同类型的土体具有不同的滑动面形式，主要的滑动面形式为圆弧，折线和复合型。这些破坏都有一个共同点，即滑坡内部存在一条较弱的滑带（平面），其强度远小于其他组成部分的强度，因此滑坡沿滑带（平面）发生。滑体的厚度是不一样的，有些薄到几厘米，有些厚到几十米。当滑坡的前缘剪切一条滑带时，可以认为滑坡已经形成并进入活跃期，但是不同滑坡发展的每个阶段都不相同，需要加以辨别。

2.3 坍塌的作用机制

坍塌破坏也是在调查区发生的破坏模式之一。一般而言，这种破坏多发育在坡度较大的斜坡的顶部和中部上，局部土体在自重作用下随着滑动面出现破坏的现象，同时具有滑动和塌陷的特征。在雨雪或地下水的作用下，边坡湿滑导致强度降低，坡体由于无法承受重量局部突然滑动，从而出现滑坡。坍塌破坏与崩塌模式的作用有所区别，其形态特征包括局部滑动面和塌陷过程中存在土体拉断。由于坍塌没有固定滑动面，因此又不同于浅层滑坡。

3 主要处治措施和适用条件

以下在总结土质边坡的几种常见破坏形式基础上，结合西南高速公路项目的治理经验，就路堑工程中边坡治理的一些加固处治和适用特点进行描述。

在实际处治措施选择时，应当按照治理边坡的地质环境和主要成因机理，确定可能的失稳情况，因坡制宜、对症下药，选取相应的有效处治方法。目前，我国的主要边坡处治措施有4种。

（1）几何坡率法。在地形允许的条件下，可以考虑在设计过程中控制边坡高度并放缓坡率为1∶2.5～1∶2.0，以提高其自身的稳定度，保证边坡处于平衡状态。该方法的运用需要较大的作业空间，并因弃置废土而占用土地资源，增加了实际工程的施工费用，具有一定的局限性。同时，由于调研道路周围多高山河谷，高度起伏复杂，施工难度大，因此坡率法通常仅作为一种辅助措施被采用，在地形和设计允许范围内，用于削减高陡边坡的坡角和部分潜在滑体的重量。

（2）支挡加固法。这是调研道路现场施工中最常用的处治方法，通过设置一些支挡结构或加固措施，以提高岩土体的整体性，或增强坡体的抗滑能力。主要的支挡加固措施及其适用范围见表1。

（3）疏干排水法。从边坡的影响因素可知，降雨条件和地下水位是主导边坡失稳破坏的重要因素。为预防强降雨对脆弱边坡的垮塌、冲刷破坏，需要设置合理的疏排水措施，从而保证边坡表层径流的迅速排走以及内部渗水在一定水位范围。因此，排水系统的设计也是至关重要的，要结合沿线降雨的持续时间和流域面积的影响，考虑各种地表和地下排水设施的作用，以尽量降低降雨和边坡湿化的影响。