路堑边坡工程设计理论与实践

专注地信

一、路堑边坡工程现状与发展
　　（一）边坡工程进步和发展
　　在土木工程生产实践活动中，随着铁路、公路、库区或场地等工程的建设和发展，涉及了大量的边坡工程技术课题，工程技术人员积极应用有关工程地质学、岩体力学、岩土工程学和土力学等学科的知识和成果，积累了丰富的边坡工程经验，在理论和实践两方面都取得了长足的进步和发展。
近年来，随着高速公路建设向山区延伸和发展，由于其技术等级较高，且我国山区地形条件困难、地质结构复杂、地质环境背景脆弱，深挖高填十分普遍，边坡工程问题日益突出。同时也遭遇了不少边坡工程失败和损失。
　　（二）路堑边坡工程设计现状
　　设计现状有以下特点：具有数量集中、种类较多、性质繁杂、勘查不足等特点，但又存在一定的场区或区段规律；有别于重点复杂的边坡工程设计；缺乏实用的勘察设计工作程序和细则；直接危害公共安全，显著影响工程造价。
　　（三）福建地区边坡工程问题
　　福建地区，是我国多山省份之一，俗有“八山一水一分田”之称，山地灾害较为严重。上世纪90年代后期，积极开展山区高速公路建设，不可避免地遭遇路堑高边坡工程技术难题；特别是，由于福建地区一般地层风化深度较大，岩体结构破碎，覆盖层较厚，且江河沟谷发育，不良地质堆积广为分布，在切坡筑路过程中，经常遇到边坡变形和破坏问题，尤以土质路堑边坡或类土质路堑边坡更为严重。
　　（四）技术路线和实施对策
　　主要从以下几个方面进行考虑：明确边坡工程实用类型，抽象和归纳边坡工程地质模式，分析和研究其相关变形破坏机制，建立边坡稳定性分析计算方法，提出边坡坡形坡率设计原则和方法，建立相应防护加固工程措施或对策，进行动态设计与信息化施工。
　　（五）动态设计总体思路
　　设计总体思路如下：高边坡工程档案（预设计文件、地勘资料），高边坡工程地质调查（地形、地质、地下水等），防护加固工程方案（边坡类型、坡形坡率、稳定性分析计算、防护加固工程对策），现场校对和重点核查，施工图设计与审查，动态跟踪与设计调整，竣工稳定性评价。

　　二、路堑边坡工程实用分类
　　共分为以下几类：土质边坡，岩质边坡，二元结构边坡，复合结构边坡。
　　（一）土质边坡
　　土质边坡可分为：纯土质边坡（均质或似均质）和类土质边坡(非均质)。
　　（二）岩质边坡
　　岩质边坡可分为：岩石边坡，破碎岩石边坡，顺层岩石边坡。
　　（三）二元结构边坡
　　二元结构边坡可分为：陡倾接触边坡，缓倾接触边坡，破碎接触边坡。
　　（四）类土质路堑边坡
类土质路堑边坡可分为：坡残积土边坡，风化土边坡，崩滑流堆积边坡，复杂结构边坡。

　　三、工程地质模式（坡体结构）
　　（一）坡残积土边坡工程地质模式
　　1．坡体结构由上覆坡积土层和下伏残积土层所组成，坡体变形和破坏一般体现上覆坡积层沿下伏残积层的坍滑变形和破坏。这种情况一般其接触界面倾角为25°～30°，如图1。
　　2．边坡坡面揭露地层为坡残积层，其下基座为基岩（边坡刷方线以下），组成坡体的坡残积土层，常常发生沿基岩顶面的变形和破坏。在这种情况下，基岩顶面产状一般顺倾坡面，倾角为20°～25°，如图2。
　　3．边坡主体由坡残积土层及下部风化土层组成，如果设计坡率较陡，或者因为持续暴雨作用，在防护工程不及时的情况下，容易产生局部台阶坍塌变形和破坏，甚至有可能在地下水的长期作用和影响下产生较大规模的滑动变形和破坏，如图3。
　　（二）风化土边坡工程地质模式
　　1．边坡开挖切削岩层风化壳，一般为全强风化土层，经常发生风化壳土层依附其下伏相对风化轻微岩层表面的滑动变形和破坏。这种情况，在花岗岩地区或凝灰岩地区较为常见；不均匀风化界面容易形成地下水和粘性物质的聚集，在特定的形态组合下产生变形和破坏，见图4。

　　2．边坡主体由坡残积层及强风化土层组成，局部夹强至中风化岩体，由于地质构造作用和影响，常见一些强烈风化软弱带，如果其产状倾向坡面，在边坡开挖切削坡脚支撑并致使其软弱带临空暴露的情况下，极易产生上覆风化岩土体沿其下伏基岩顶面产生较大规模的滑动变形和破坏，见图5。
　　3．边坡主体由坡残积土层及砂土状强风化层组成，由于其原岩结构面发育，常见一组或多组陡倾角和缓倾角裂面长大贯通，并存在倾向临空的缓倾角结构面，在各不利结构面的组合作用下，经常发生陡缓裂面切割块体沿其下伏缓倾角裂面的变形和破坏，见图6。

　　（三）崩滑流堆积边坡工程地质模式
　　1．边坡主体由崩坡积体组成，根据崩塌地质现象的特点与规律，崩坡积体的自然稳定坡角一般为35°～38°，在路堑边坡的开挖过程中，常见其沿稳定坡角面的变形和破坏；或者，依附其堆积界面产生更大规模的滑动变形和破坏，见图7。

2．边坡主体由滑坡堆积体组成，结合滑坡地质现象的特点与规律，在路堑边坡的开挖过程中，常因路堑开挖滑坡中下部，致使滑坡坡脚失去支撑，破坏坡体力学平衡，从而导致滑坡中前部的复活变形和破坏，如不及时采取有效的治理工程措施，甚至引起更大规模的滑动变形和破坏，见图8。

　　3．边坡主体由泥石流堆积体组成，基于泥石流地质现象的特点，在路堑边坡的开挖过程中，由于泥石流堆积体一般含水量普遍较高，地下水丰富，岩土强度较低，较易产生堑坡变形和破坏，如不及时采取有效的治理工程措施，甚至引起大规模的滑动变形和破坏，即滑坡地质灾害，见图9。


　　四、变形破坏机制（失稳类型）
　　主要从以下方面分析：力学基础，园弧或似园弧破坏，平面型破坏，折线型破坏，复合型破坏，其它形式破坏。
　　（一）力学基础
　　主要有：岩土性质－重度、摩擦角、粘聚力，极限坡高和极限坡角，不连续面，　　有效应力定律，非饱和土力学理论。
　　（二）园弧或似园弧破坏
　　主要有：均质土坡，坡残积土坡，砂土状强风化，碎块状强风化（碎裂），不良地质堆积体。对于类土质路堑边坡，我们经常发现，如不考虑地质不连续面的存在和影响，其坡体变形破裂面一般呈园弧或似园弧的形状。边坡呈园弧或似园弧破坏一般发生在均质土坡、坡残积土坡、砂土状强风化层、碎块状强风化层（碎裂结构）、以及不良堆积体内部的变形和破坏。
　　（三）平面型破坏
　　有两种情况：地质不连续面平行坡面，倾向临空；两个或两个以上不连续面组合，交线倾向临空（楔体破坏）。由于地质不连续面走向大体平行于坡面走向并倾向线路，其倾角小于边坡坡率，且大于其岩土抗剪强度所能维持的稳定坡度，这种情况一般发生平面型破坏。对于具有两个或两个以上的地质不连续面组合的情况，一般是以一组不连续面为主控滑移面，其余为空间控制面，这种情况也可归纳为平面型破坏（在岩质边坡中，常称之为楔体破坏）。
　　（四）折线型破坏
　　一般指不利结构面的组合和崩滑流堆积等不良地质介面。在类土质路堑边坡坡体结构中，存在两个或两个以上的地质不连续面，其走向大体平行于坡面且倾向线路，由多个地质不连续面组成折线型破裂面，其上岩土以此为依附面产生滑移变形和破坏，这种情况下的边坡破坏为折线型破坏。
　　（五）复合型破坏
　　分为：平面型和园弧型的复合，折线型和园弧型的复合，崩滑流堆积等不良地质介面。由于边坡物质组成和坡体结构的特殊性和复杂性，单一破坏形式的发生往往较少，或者其规模相对较小，一般的边坡变形和破坏是上述几种基本破坏类型的复合，故称之为复合型破坏。复合型破坏可以简单地归纳为平面型和园弧型的复合和折线状复合形式，崩滑流等不良地质堆积体的变形和破坏，属于复合型破坏。
　　（六）其它形式破坏
　　主要表现为风化剥落,流石、流泥和崩塌落石。
　
　　五、稳定性分析计算
　　从以下几个方面来分析：计算模式，计算指标，计算方法和其它问题。
　　（一）计算模式
　　计算模式主要有：均匀层状型，基底控制型，结构面组合型和固定滑面型。
　　均匀层状型 当坡体组成地质不连续面相对平缓成层，层内岩土性质比较简单或均匀，这种情况可以抽象为均匀层状型计算模式。其相应边坡变形破坏机理类型为园弧或似园弧破坏，这样即可通过搜索最危险园弧滑裂面计算其边坡稳定系数，见图10。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图10　均匀层状型示意图
　　基底控制型 当坡体内部存在某种控制性不连续面时，这个不连续面可以是基岩顶面、不同成因或不同时期堆积界面、差异风化界面、地层层面、断层节理面、以及软弱破碎带控制界面，由于这种控制性地质不连续面的存在，在坡体稳定性分析计算中起决定性或控制性作用，这类边坡可以归纳为基底控制型计算模式。其相应边坡变形破坏机理类型主要体现为平面型破坏，或者平面型与园弧型的复合破坏形式。在具体分析计算过程中，是以基底控制界面为剪出依附面，结合园弧搜索，搜寻最危险滑裂面，从而计算确定边坡稳定系数，见图11。

　　结构面组合型 当坡体内部存在两组或两组以上倾向线路的不利结构面时，其坡体的变形和破坏往往受其结构面组合形态与规律控制，常见有陡倾结构面与缓倾结构面的组合，这类边坡即归纳为结构面组合型计算模式。其相应边坡变形破坏机理类型主要体现为折线型破坏或折线型与园弧型的复合破坏，据此搜索优势滑裂面，计算确定坡体稳定系数，见图12。

　　固定滑面型对于崩滑流堆积体，由于历史灾害原因存在不良地质界面，或岩土强度薄弱面在路堑边坡开挖过程中，极易沿其不良地质界面产生坡体变形和破坏，而这个面又是固定的，可以借助勘察手段查明，这种情况为固定滑面型计算模式。对于固定滑面型计算模式，其危险滑裂面的确定较为准确，计算过程相对简单，计算结果更为可靠，见图13。

　　（二）计算指标
　　主要有以下计算指标：室内试验指标，现场试验指标，相关经验指标和反算指标。
　　室内试验指标 室内试验是结合边坡工程地质勘查，利用工程地质勘探孔取得原状样或扰动样，通过室内试验的方法，获取边坡岩土基本物理力学指标，求得岩土抗剪强度参数值。
　　现场试验指标 现场试验是在边坡工程现场进行现场大型剪切试验，或者，给合工程地质勘探钻孔进行孔内现场剪切试验，对于软弱地层亦可采用十字板剪切试验，以及其它结构面强度现场试验方法等，从而求得边坡岩土现场试验指标。
　　相关经验指标 在岩土工程勘查设计工作实践中，经验知识是不可或缺的重要内容之一，对于岩土强度指标，可以也应该通过工程地质类比的方法，利用既有工程中类似岩土的相关经验知识和指标数值，类比确定当前面临岩土工程强度指标。
　　反算指标 指标反算是根据给定边坡工程变形性状，判断边坡稳定程度或稳定系数，采用数值反分析方法，经过反算确定边坡岩土主要强度指标。在类土质路堑边坡工程中，极限坡高与极限坡率状态反分析更为实用和可靠。
　　选择与确定力学性质指标的总体原则：以反算指标为主，有条件结合各种试验指标进行校核，考虑室内试验指标一般偏低，而现场试验指标一般偏高的特点，反算指标介于室内试验指标和现场试验指标之间较为可靠；经验指标一般可以对拟定计算指标进行分析与判断，特别是，当发现反算指标与相关试验指标相冲突时，作为辅助手段，综合分析和判断确定计算指标。
　　（三）计算方法
　　主要有极限平衡法（推力传递法、摩根斯吞-普赖斯方法），图解法和工程地质比拟法。用摩根斯吞-普赖斯方法来进行边坡稳定性分析和边坡加固工程检算。
　　（四）其它问题
　　主要是指孔隙水压力，边坡渗流场和结构面强度问题。

　　六、坡形坡率设计原则和防护加固工程对策
　　（一）坡形坡率设计原则
　　坡形：台阶式边坡，台阶高度8～12m，完整岩体及顶级缓坡可设至15m左右。对于高边坡，常在坡体中部设置宽平台4～6m。
　　坡率：微风化岩0.25～0.50，中风化岩0.50～0.75，强风化岩0.75～1.00，坡残积层1.00～1.25，松散软弱土层1.25～1.50。
　　（二）防护加固工程对策
　　主要采取以下对策：坡面变形防护，浅表层变形防护，块体变形防护，深部变形防护，坡脚应力集中防护和地表、地下水引排处理。
　　坡面变形防护微～未风化岩体：岩面喷浆防护0.25～0.50；中～微风化岩体：挂网喷浆防护0.25～0.50；强～中风化岩体：护面墙防护0.50～0.75；全～强风化层：加厚拱型骨架防护0.75～1.00；坡残积层：拱型骨架防护、浆砌片石防护1.00～1.25；松散土层：网格骨架、浆砌片石、植草防护1.25～1.50；绿色防护：人造景观，美化环境和生态工程。
　　浅表层变形防护 下伏中～微风化岩：系统锚杆防护；上覆土层及强风化岩：锚杆框架防护。
　　块体变形防护 以预应力锚杆框架及墩垫防护为主。
　　深部变形防护 以预应力锚索框架及墩垫防护为主。
　　坡脚应力集中防护 以坡脚设桩、墙等支挡结构防护为主，或加厚护面墙工程措施。
　　地表地下水引排处理 对于坡体地下水引排，以仰斜平孔排水引排为主，结合墙背盲沟及结构泄水孔处理，有时还用边坡渗沟、支撑盲沟及重点部位引排等坡体地下水引排工程措施。对地表水引排，一般在路堑边坡堑顶均设有截排水天沟，坡面结合检查梯设急流槽，以及平台侧沟、路堑边沟等组成综合地表排水系统。

　　七、结语
　　1．大量工程实践表明，类土质路堑边坡与一般均质土边坡的变形和破坏具有明显的区别和不同。
　　2．类土质路堑边坡的稳定性分析和防护加固工程设计应基于其变形机制和破坏模式，根据不同的变形机制和潜在破坏模式设计相应的防护加固工程对策。
　　3．类土质路堑边坡变形破坏机理及其稳定性分析研究具有重要的理论意义和实用价值。
　　4．相关岩土测试技术尚需不断补充和完善。