道路工程高边坡设计的关键问题探讨

道路工程高边坡设计的关键问题探讨

刘旭栋12

1云南平捷工程设计咨询有限公司云南昆明650000;2兰州大学甘肃兰州730000

摘要:道路工程高边坡的稳定问题一直是设计重点和难点，分析了道路工程高边坡的特点及其稳定影响因素，明确了影响机理和产生后果。总结了高边坡稳定设计的基本原理，明确了稳定防护设计的目的和措施。最后，分别从工程防护和生态防护两个方面探讨了保障高边坡稳定的设计方法和施工技术方案，以增强高边坡的安全稳定性。

关键词：道路工程；高边坡；防护设计；稳定性；关键问题

1前言

随着我国交通运输产业的迅速发展，需要扩展道路交通网络以尽可能地覆盖全国区域。道路工程的完善建设，可能要在复杂地形环境下进行，不可避免地需要进行挖方和填方，出现道路工程高边坡问题。边坡如果设计不合理以及施工过程中不注意，容易使得边坡稳定性差，在施工或运营中出现滑坡、崩塌等安全隐患，这些隐患会严重破坏道路系统，出现人员伤亡事故及安全问题，产生恶劣的社会影响。因此，需要在设计中采取相关措施保障高边坡稳定，保障道路的正常运营使用。

本文详细总结道路工程高边坡的基本特点，分析影响高边坡稳定性的主要因素，对这些因素的影响及后果进行归纳；其次，分析高边坡失稳及其防护加固的力学机理，明确加固原理和要点；最后，分别从工程防护和生态防护两个角度，阐述防护加固的设计方法和施工技术要点，以增强高边坡的安全稳定性。

2高边坡的特点及稳定影响机理

2.1道路工程高边坡特点分析

公路建设中面临的挖方和填方问题，使得道路两侧的边坡高度很大，其稳定安全成为设计与施工的控制因素之一。无论是填方还是挖方高边坡，由于受到施工过程中的干扰不同于其原有的自然状态，边坡都有稳定失效的风险，这种风险程度与地质环境和外部环境相关。常见的道路工程边坡稳定问题包含了滑塌、泥石流、局部坍塌沉陷、落石等，这些病害中滑塌是最常发生的，影响也极其恶劣，根本原因是在挖方或者填方过程中没有足够重视所形成的高边坡问题，没有设定有效的防护和加固方案[1][2]。

2.2高边坡稳定性的影响分析

诸多因素都会影响高边坡的稳定性，内在的包括地质构造、岩土特性、地下水分布等，外在的包含边坡堆载和雨水冲刷等方面。

（1）地质构造。处于地震带或者震动区域的高边坡，其失稳的风险大大增加，在地震作用的惯性力下，边坡的失稳往往是瞬间和毁灭性的，此外岩土的风化情况及岩层分布特点也是边坡失稳的关键，例如顺坡向层状岩层容易产生剪切型破坏，碎裂散状岩层则易形成滑动型破坏。

（2）岩土特性。边坡的稳定从力学角度是抗力和荷载效应两方面因素相互博弈的结果，而影响抗力的最重要因素就是岩土特性，岩土特性决定了其抵抗强度，包括粘聚力和重度系数等关键参数，此外岩土是否存在风化也影响其力学特性，因此需要对高边坡岩土特征全面掌握。

（3）地下水分布。地下水是岩土结构需要考虑的重要参数之一，因为地下水会影响到岩土的有效力学参数，随着地下水位的变化，岩土的剪切力和法向力也在发生着变化，这是的最薄弱的岩土面也在变化。

（4）边坡的堆载。高边坡自身的稳定性风险一直存在，如果边坡上进行堆载，则无形中会加快边坡沿着滑动面的失效，当达到临界状态时会导致突发性的边坡滑塌，例如深圳光明顶滑坡事故，就是因为边坡上的堆载长期效应引起的。

（5）雨水冲刷。挖方和填方的高边坡，其表面植被受到破坏，如果边坡没有设置有效的雨水排泄路径，则在雨水冲刷作用下很容易导致表面岩土流失，导致雨水渗入边坡内部，引起滑塌失效风险。

3高边坡稳定设计的原理分析

以滑动失效为例，高边坡失稳的力学原理是整个边坡沿着岩土薄弱面开始滑动失效，对于不均匀的边坡岩土，这个薄弱面往往是岩土性能比较差的接触面，对于均匀性岩土，该滑动面是基于库伦理论确定的终极滑移面，但总归而言，边坡滑动失效的主要原因是岩土本身的向下滑动力大于岩土抵抗力，造成边坡剪切破坏失效，最终形成连续滑动面导致破坏。

滑动失效的基本机理是滑动面以内的边坡自重在滑移面产生的滑动力，大于岩土本身在滑移面的剪切抵抗力分量。因此在高边坡稳定设计中，需要明确三个问题：①滑动面的确定；②滑动面上荷载确定；③滑动面的岩土抵抗力确定。滑动面一般根据库伦土压力进行极限状态计算。滑动面上的荷载可以采用条分法计算，于曲线边坡或者直线边坡，都可以划分为若干个条。滑动面上的岩土抵抗力分量是基于岩土特性及滑动面角度确定的。

如果高边坡本身的岩土特性使得其失稳风险很大，则需要通过借助外部手段来加固边坡，使得通过加固施工后边坡的稳定性储备能够满足要求，达到设计目的。根据高边坡稳定问题的防护方法，可以分为工程防护和生态防护两种手段，工程防护就是通过工程加固方法提高边坡稳定性，生态防护就是通过种植植物手段加固边坡表面，生态防护也能起到道路美观效果，被越来越多采用。不同措施的防护设计方法和要点都不一样，实际的道路边坡稳定中，往往综合采用工程防护和生态防护两种手段。

4高边坡稳定的工程防护设计

工程防护是一种主动防护加固措施，通过在边坡表面设置工程防护结构，并将其加固到稳定的岩层上，从而使得边坡的变形和受力与稳定岩层保持一致并形成整体行为。常用的工程防护措施有预应力锚杆加固和预应力锚索加固，这两种加固措施在工程应用中最多，且需要在坡面配合使用框架梁等构造[3]。此外还有水泥土搅拌桩加固、化学加固等方法，这里，重点分析预应力锚索加固和预应力锚杆加固的施工技术与要点。

预应力锚杆和预应力锚索的加固机理是相同的，基本目的是通过预应力的施加使得边坡与锚固的稳定岩层形成整体，共同变形与受力，从而提高其稳定性。锚杆或锚索穿过滑动面，一侧连接坡面另一侧连接稳定岩层，在预应力的施加作用下滑动面被挤压，使得外部滑动体在滑动面上有很大的法向内力，则直接增大了抗滑动摩擦力，因此边坡的稳定性能够得到保证。为了充分发挥预应力施加效应，一般在破面配合采用挡土板或者框架梁等措施，使得预应力均匀地传递到破面上面，一方面可以避免预应力的集中效应，另一方面则使得整个破面更好地与稳定岩层共同变形，如图1所示。

图1.道路边坡的工程防护措施示意图

工程防护方法的基本施工措施包含破面平整、预应力锚杆施工、灌浆养护、表面框架施工四个主要流程，各个施工流程的主要措施和要点总结如下：①进行道路工程高边坡的破面平整，消除破面上的杂草和碎石，以改良破面的不良土质，并做好排水方案；②预应力锚杆施工，需要根据设计方案在高边坡上进行钻孔，钻孔完成后清理并安装锚杆或者锚索；③灌浆养护，安装完锚杆或锚索后就可以进行灌浆，压浆过程要注意灌浆的饱满性，一般需要在水泥浆初凝前完成灌浆工艺；④表面框架梁施工，在坡面设置框架梁并通过模板施工形成框架结构固定坡面岩土稳定，通过预应力锚索或锚杆张拉锚固到框架梁上，使得整个高边坡与稳定的岩层锚固在一起，形成共同受力的主体。

5高边坡稳定的生态防护设计

生态防护的基本原理是通过植物的根系发展，使得根茎与土壤之间相互缠绕并提高附着力，通过这种方式可以有效地加固边坡并提高边坡表面抗冲刷能力，同时还能防止边坡表面被侵蚀，能够恢复公路边坡的自然生态环境[4]，是一种行之有效的固坡和护坡方式。

边坡生态防护的基本内容包含两个层次。层次1是进行边坡防护，通过种植植物稳定边坡岩土，使得边坡能够形成整体，能够抵抗外界侵蚀和冲刷，确保边坡的稳定性和安全性；层次2是进行生态恢复，通过种植植物的方式进行生态环境的恢复，公路建设过程不可避免对自然生态环境产生影响，因此生态护坡可以减缓这种影响，并在运营使用过程中降低道路车辆尾气等对周边环境的影响。通过边坡的生态防护，可以使得公路系统与周边环境形成生态链，获得良好的生态效益。见的生态防护技术包括人工种草护坡、平铺草皮护坡、直接喷草护坡、蜂窝网格植草护坡等手段。

以人工种草为例，该生态防护手段是通过人工在边坡破面简单播撒草种的方式进行的，这主要适用于边坡高度不大、坡度较缓的情况，适用于草类生长的土质路堑和路堤，这种方法对于岩石边坡的加固效果往往并不好。该方法施工简单造价低，但是存在草种被雨水冲走的可能，草种种活率较低。因此，大多数生态防护措施都需要和工程防护措施进行结合，才能对高边坡进行有效地防护加固，如图2就是生态防护配合工程防护的边坡加固方法应用实例。

图2.生态防护配合工程防护的边坡加固实例

对公路边坡生态防护的基本施工措施包含破面平整、铺设植草、回填施工、养护管理四个主要流程，各个施工流程的主要措施和要点总结如下：①进行公路边坡的破面平整，消除破面上的杂草和碎石，以改良破面的不良土质，并铺设一定的化肥以确保植物的生长；②铺设植草，根据所选择的生态防护方法，在破面种植植物，往往通过埋入种子的方式，且需要设置一定的网垫确保种子不会流失；③回填施工，在植物种子喷洒完成后，需要采用细土进行覆盖并清理播种位置的杂物，同时需要控制覆土的厚度不能超过10mm，避免给草种生长带来影响；④养护管理，在边坡生态防护完成后需要定期对边坡进行洒水养护，目的是促进植物的生长。洒水往往采用雾喷的方式，一般在早上或者傍晚进行，并按照植物的需要进行施肥，做好病虫的防治工作。

6结论

道路交通网络的完善和覆盖，使得挖方填方路基很多，道路高边坡问题成为设计与施工的重点和难点。分析了道路工程高边坡的特点及其稳定影响因素，阐述了高边坡失稳的力学原理及加固防护的技术要点，分别从工程防护和生态防护两个角度阐述了高边坡稳定设计的相关方法和措施，以增强高边坡的安全稳定性。

参考文献:

[1]饶运章,朱为民.我国道路边坡防护现状及发展方向[J].华东公路,2011(1):46-48.

[2]王阔然,房国龙.浅谈路基边坡滑塌防护设计[J].公路交通科技(应用技术版),2015,9:31.

[3]郭昊菲.公路工程边坡防护关键技术的应用[J].珠江水运,2016(14):82-83.

[4]王凯.高速公路边坡生态防护技术[J].交通世界，2017(13):158-159.