摘要 文章以某高速公路的边坡支护工程优化设计为例，分析对边坡支护工程优化设计，最有效方法是开展大型剪切试验获取结构面参数并分析。根据研究结果，相同饱和试验条件下，残余抗剪强度参数比峰值抗剪强度参数低。对因受自然灾害破坏而产生松动、滑动的支护结构设计须结合残余抗剪强度参数计算分析。结合实地现场数据开展设计对大幅降低高速公路边坡支护部分设计的投资成本意义重大。

关键词 高速公路;边坡支护工程;优化设计;剪切试验;结构面参数

中图分类号 U416.14 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）06-0132-03

引言

边坡支护工程建设对确保高速公路边坡稳定性至关重要。高速公路边坡支护工程每类设计方案都涉及顺层边坡开挖问题。顺层边坡开挖过程中最易出现较大破坏，影响边坡稳定性因素有：

（1）开挖高速公路地区的岩石分布情况、是否存在地下水。

（2）结构面强度大小，该文通过某山区高速公路建设实例，对大型剪切试验结构面参数分析，对高速公路边坡支护工程设计方案进行优化设计。

1 总体概况

某山区高速公路建设地点附近周围露出了大量岩石，以泥岩、砂岩、砂砾岩为主。各类岩石有一定的共性：倾斜角度小，角度平缓，角度大致分布于15°～25°。仅少量岩石倾斜角会超过30°[1]，在上述地区建设高速公路时，开挖后会形成顺层边坡，因此研究的重点为如何保证边坡达到稳定性的同时减少边坡支护的成本投入，应用合理的建模分析方法得到有效稳定性安全系数。对比试验室小型剪切试验，岩石样本面积、体积较小，采样过程中会对岩石结构造成破坏，导致试验结果不准确，为使结果准确，采用现场原位大型剪切试验获得结构面的抗剪强度试验结果。在施加支護的设施优化方面，已有专家学者对多级边坡这类复杂情况提出利用柔性支护的方法进行支护保护。采用数值模拟分析方法分级加设锚杆，对边坡产生了明显的固定效果[2]。在研究改扩建边坡拓宽施工方案的时候，也通过对比提出了更灵活自由的方案。

2 大型剪切试验开展

2.1 大型剪切试验地点选取

在试验过程中，应严格根据试验指导手册的指示进行操作，并根据文件内容规章执行。因实验地点岩石种类以砂岩、砂岩夹泥岩和泥岩地层为主，因而在不受到破坏即天然的状态下，选取三个典型试验地点来对具备砂岩夹泥岩和泥岩地层砂岩成分的地区进行大型剪切试验。

2.2 应力大小测量

试验过程中，要保证顺层边坡承受的负荷重量不超过其自重的1.2倍还要综合考虑岩石自身张力，分析质量强度能够承受的最大强度和进行试验操作的测量设备的误差条件[3]，确保在实验过程中不受任何损坏。结合施工经验，先估计粘聚力c以及内摩擦角度θ，对岩石承受剪切力大小进行预判，可更精确地设计荷载的加载方案。

2.3 大型剪切试验具体步骤

进行剪切试验的具体步骤大致分为5步：

（1）现场制备原位试件。根据相关试验规程，对需使用的仪器设备进行合理放置安装，其中包括测量系统的数据加载等。剪切面的确定十分关键，由于垂直反向进行剪切的角度与剪切面重合，合成力量的切入点位于剪切面中心，因此，合力的施加要垂直穿过剪切面。

（2）施加反向剪力时，不应一次性突然施加，分成5～6个等级最为适宜，合理依据正向压力的承受和延续质量强度的能力进行规划，反向的位移稳定一段时间后，再施加剪切方向的力，在施加剪切负载力的过程中，正向应力应确保恒为常数。

（3）将需检测的荷载的大小大致分成8～10个层级施加力量，便于合理进行初步预估。某一个级别增加的剪切位移超过前一个级别位移增加数值的1.5倍时，应适当降低每级层级之间的级差。分级大小的确定方法十分灵活，可依据时间长短进行控制，考虑判据为上下级负载间是否存在软弱力量的夹层，依据软弱力量夹层的大小适当延长时间来减缓加载的力度，时间间隔为大约10～15 min较为适宜，加载前后需要对位移的大小进行记录，确保数据准确性，如果邻近的剪切遭到破坏的时候要相应的提高读取频率[3]。

（4）试件剪切破坏后，应当继续增大剪切力度，直到负载较为稳定时方可停止加力。当实验负载所加力度不稳定或突变时，就需要多次测量峰值。试验接近于结束时要逐渐减少剪切负载的数量，接近零点时候要维持反向方向作用力的稳定，抓住时机测量回弹的位置。

（5）试验完成后，应第一时间测量剪切面受损的破坏面积，准确清晰地描述长度和分布面积的具体数值，以及对数值破坏的具体原因进行分析。

2.4 大型剪切检测试验结果分析

对大型剪切试验的结果进行分析，不同岩层种类组合试样的残余强度为峰值的25%～78%，在不受到破坏的自然条件下，砂岩、夹泥岩这两种岩石组合起来岩层质量强度的变化幅度是所有组合之中最大的，为峰值的25%左右，在趋于饱和的试验条件情况下，泥岩组合试样变化最小，大约只有峰值的78%，试验的具体结果可以从表1看出：

（1）不论试件是在天然条件下还是饱和的条件下，研究发现普遍规律，不同岩层种类组合种类的剪切力大小都满足：砂岩>砂夹泥岩>泥岩。

（2）几乎所有岩层组合的承受剪切强度的数据在相同的试验条件下都有以下的规律：残余剪切强度小于峰值的剪切强度。在自然条件下，残余剪切粘聚力是峰值粘聚力的35%，这一数据由原来的26.2 kPa降低为9.15 kPa。相反，在饱和的条件下砂岩、夹泥岩的粘聚力c有最大的变化幅度。残余剪切粘聚力是峰值的36%，这一数据由21.2 kPa减少为5.45 kPa。趋于饱和条件下时，内摩擦角发生了较大的变化，砂岩的摩擦力角度变化最大，残余内摩擦角只有峰值的27%，由27.8°减少为7.5°。自然状态条件下的内摩擦角的变化多样，砂岩、夹泥岩的变化程度最大，残余内摩擦角只有峰值的44%，由27.6°下降为12.3°，根据分析，可以得到以下结论：当由自然的条件变成趋于饱和的条件时，不同种类的岩石组合的抗剪切强度的数值都会有不同程度的下降。

3 边坡支护的优化设计分析

以上进行的大型剪切试验的现场测试中，对边坡支护设施设计进行计算，分析得到，高速公路要充分考虑试验参数结果进行取值。饱和条件下的峰值的强度适合应用在没有发生泥石流等自然灾害条件下，即没有产生变形的边坡支护设计当中[4]，对已产生滑动变形的边坡支护，应采用饱和条件下残余的强度参数进行设计。

从试验结果中得到，综合分析岩土体的抗剪切强度参数，重点分析内摩擦角参数变化[5]，内摩擦角会大于当地以往试验的经验参数取值，产生原因须进一步研究。该高速公路进行开发后形成的顺层边坡具备进行优化设计的各种角度要求[6]。根据前后试验结果对比，可将试验的值取为实际测量参数的40%～82%。如果采用全部采用经验参数应用于放坡实验，会使边缘坡度的坡度较小，从而使施工过程中挖土体积过大[7]，无形中增加了投资成本，不利于投资建设的持续进行。结合剪切试验所获得的试验数据，从结构面上看，承受剪切强度的参数将作为边坡支护的具体参数，对增加放坡坡度效果良好，避免了放坡坡度较小的弊端，减少边坡陡度，提高安全稳定性，减少了实际开挖体积量，降低了投资成本[8]。

3.1 优化前边坡的支护设计方案

在进行边坡的优化设计方案之前，顺层边的坡度率和坡面增设的保护设施都是根据当地以往实践经验得到的数据来进行设计的[9]。根据此次现场调查，该高速公路边坡总高度为16.0 m，按照工程实施的参数设定，可以采用两端都放8.0 m的坡，中间留有2.0 m高的平台，比例控制为1∶2.9，坡面上种植了大量绿植，种类是防护林。这一方案的弊端是开挖土的体量较大，同时，边坡体自重较大，增加了隐形投资的同时也加大了占地面积。具体的设计方案图如图1所示。

3.2 优化后的边坡支护设计方案

根据现场进行的大型剪切试验，可以得到顺层边坡岩石结构的剪切强度，它的强度较大，普遍大于经验参数的值。砂岩内部的摩擦角度为28°，粘聚力是35.1 kPa，砂岩泥层的内摩擦角为27.6°，粘聚力是26.2 kPa。泥岩的内摩擦角是15.9°，粘聚力是22.4 kPa，根据现场试验得到的试验结果可以在某种程度上增加边坡的坡度，原先的1∶2.9改为1∶1.5的同时配合增设一些保护措施，比如锚杆等，实验发现，由于岩石结构可以显著增強抗剪切墙稳定性，因此在边坡结构上增加作用力可以很大程度上降低抗剪切墙的承受重力，延长使用期限[10]。也可以在沿线局部坡度较高的区域上增加土墙，从而达到减少开挖土量的效果。通过初步计算挖土量可以减少10万m3，投资也可以减少几百万元，设计方案图如图2所示。

4 总结

为优化边坡支护结构设计，进行现场剪切试验，得到不同岩层组合的抗剪强度的参数。结果表明，在自然和饱和条件下，对于不同类岩石组成情况下，剪切墙的抗剪切强度都有不同程度下降，与以往经验参数数值比较得出实际情况下岩层边坡的支护结构设计方案有很大优化潜力。对于欠稳定状态的路线，可以采用放置锚杆等措施提高稳定性，但是具体的布置方式需要考虑实际因素综合确定。研究为降低投资积累了宝贵的经验，更为以后的工程建设提供参考。

参考文献

[1]黄文洪， 张健， 李龙龙， 等. 含陡倾软弱破碎带节理岩质高边坡稳定性分析[J]. 人民珠江， 2020（6）： 68-73.

[2]谭捍华， 李宗鸿， 彭 澍， 等. 中等倾角顺层边坡地下开挖失稳模式研究[J]. 工程勘察， 2020（5）： 6-10.

[3]孙磊. 含软弱夹层顺层岩质边坡稳定性分析及处治研究[J]. 铁道勘察， 2019（4）： 53-57.

[4]黄超. 基于岩体的几何形态对岩质边坡滑移场的分析研究[D]. 西安：西京学院， 2020.

[5]李长洪， 肖永刚， 王宇， 等. 高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势[J]. 工程科学学报， 2019（11）： 1374-1386.

[6]陈祖煜， 徐昱， 孙平.考虑岩体抗剪强度各向异性特征的边坡稳定分析方法[J]. 兰州大学学报（自然科学版）， 2015（6）： 759-767.

[7]邝亚萍.结构面控制边坡的局部极限状态破坏模型[D]. 重庆：重庆大学， 2015.

[8]陈贺， 刘芳， 蒋明镜， 等. 岩质边坡结构面强度参数反演方法[J]. 武汉理工大学学报， 2013（1）： 99-102.

[9]习朝辉， 裴向军， 穆成林， 等. 顺层岩质边坡开挖变形特征模型试验研究 [J]. 铁道建筑， 2018（12）： 100-103.

[10]孙云龙， 王艳坤， 刘杰， 等. 强降雨与地下水作用下公路施工期滑坡分析与治理[J]. 筑路机械与施工机械化， 2020（7）： 50-55.

收稿日期：2022-01-11

作者简介：乔俊（1995—），男，硕士研究生，助理工程师，研究方向：边坡滑坡及路基路面。