某软岩质顺层高边坡变形破坏模式分析与加固方案研究

某软岩质顺层高边坡变形破坏模式分析与加固方案研究

汪刚高文号

安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司  安徽合肥  230088

摘 要：某高速公路存在一泥质砂岩高边坡，因泥质砂岩岩性软弱，风化严重，遇水易软化。开挖后稳定性较差，为保工程安全需对开挖后边坡进行加固。本文基于岩性的室内试验，从边坡的变形破坏模式分析入手，提出四种边坡加固设计方案。全面对比了各方案的稳定性、优缺点和造价，最终选择了较优的设计方案。本文为类似边坡的方案设计提供解决思路具有一定意义。

关键词：泥质砂岩；高边坡；顺层边坡

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一、项目概况

某高速K5+110-K5+360左侧高边坡位于合肥市周边，属沿江丘陵平原区，微地貌单元为低丘。边坡山体高差约85m，地形坡度20~35°。边坡开挖长度250m，边坡最高位于K5+200，按正常坡率1:1.0开挖，边坡高度为52m。边坡岩性为泥质粉砂岩，岩性软弱且坡内发育顺向层理面，开挖后高边坡稳定性较差，防护难度较大。

图1高速公路走廊带

二、边坡工程地质条件

1．地形地貌及岩层

边坡场地覆盖层主要为第四系残坡积（Q4el+dl）碎石土，下伏基岩为第三系始新统双塔寺组（E2s）泥质砂岩，工程地质特性如下：

①1全风化泥质砂岩：黄褐色，原岩风化强烈，结构构造已破坏，局部具高岭土化。土石等级为Ⅲ级硬土。①2.强风化泥质砂岩：红褐色，泥质砂质结构，层状构造，岩质极软，手掰易断，局部具高岭土化。岩芯多呈短柱状、块状，土石等级为Ⅳ级软石。①3.中风化泥质砂岩：红褐色，泥质砂质结构，层状构造，岩质极软，局部具高岭土化。岩芯呈柱状、短柱状，天然抗压强度0.4～1.6MPa，土石等级为Ⅳ级软石。

2.地震及构造情况

边坡场区地震动峰值加速度为0.10g，反应谱特征周期为0.35s，设计时应考虑防震设计。

图2典型工程地质断面图

边坡内发育F1断层，受断层影响，岩体破碎；同时断层是地下水储存和运移通道，水量丰富，特别是在雨季，地表水对边坡稳定性影响较大，应加强支护及防排水措施。

三、变形破坏模式分析

根据边坡典型工程地质断面，设计标高以上为强、全风化泥质砂岩层，开挖边坡均位于强风化层，边坡岩体风化程度较高，边坡破坏模式：

（1）分级开挖过程中，边坡沿着顺向层理面发生顺层滑塌；

（2）因强风化层中发育不连续残余的顺向层理面，边坡发生顺层滑塌破坏；

（3）因强风化层土体软弱。边坡沿着强风化层发生类似圆弧形破坏；

在进行边坡稳定性计算时需同时分析上述破坏模式的稳定性。

图3边坡破坏模式分析

四、边坡设计及防护方案

4.1设计方案一：分级开挖+分级锚固

边坡开挖方案：开挖面位于强风化泥质砂岩，稳定坡率为1:1.0~1:1.5，对边坡采用1：1.0进行开挖，边坡最大开挖高度为4级边坡，每级坡高8m，1、3级坡顶平台宽度为2m，第2级坡顶平台宽度为12m，1-4边坡坡率为1:1.0。

边坡防护方案：边坡第1-3采用锚索框架+植生袋绿化，锚固深度按10m控制，单孔锚固力设计值为400kN。边坡锚固选取中风化层作为锚固层。边坡第1-3级锚索长度分别为25m、28m、29m。第4级采用锚杆框架，锚固段深入强风化层，锚固力为110kN。锚杆、锚索的倾角度为水平角以下25°。

图4方案一典型设计图

4.2设计方案二：方形桩板墙+分级锚固

边坡开挖方案：边坡中心最大挖深为22.0m，采用桩板墙进行加固时，控制悬臂高度不宜过大。边坡防护采用坡脚加固和坡顶分级锚固相结合。桩板墙的悬臂长选取12m，桩顶以上按8m一级进行分层开挖。经开挖后边坡的最大开挖高度为28m，桩顶上为2级边坡，开挖坡率分别为1:1.0、1:1.25。

边坡防护方案：第1级采用桩板墙预加固。方形桩尺寸为1.8m*2.4m，桩间距为5.0m，桩体总长度为22m，路基设计高以上为12m，地表以下为10m。桩顶往上按8m分级放坡，坡率为1:1.0~1:1.25，最高为2级边坡。坡顶上第1级边坡采用锚索框架+植生袋绿化加固，单孔锚索锚固力设计值400kN，顶级边坡采用锚杆框架加固，单孔锚固力为110kN。

图5方案二典型设计图

4.3设计方案三：圆形桩板墙+分级锚固

边坡开挖方案：边坡开挖方案与方案二相同，考虑方形状成孔施工困难较大，采用人工挖孔桩施工危险性较大。设计考虑采用机械成孔方式做圆形抗滑桩。

图6方案三典型设计图

边坡防护方案：边坡第1级采用圆形抗滑桩进行预加固，机械成孔施工效率较高。圆形桩板墙桩体直径为2.2m，桩间距为4.0m，桩体总长22m，出露设计高程为12m。在桩顶设置1.8m高的冠梁。抗滑桩体和冠梁采用C30钢筋混凝土浇筑。

在距离桩顶1m和4m位置分别设置1孔锚索，锚索全长为32m，锚固段长度为10m，单孔锚固力设计值为400kN。

桩间设置挡土板，挡土板分层高度为0.5m，板厚度为0.35m。桩顶往上按8m分级放坡，坡率为1:1.0~1:1.25，最高为2级边坡。边坡底1级采用锚索框架+植生袋绿化加固，单孔锚索锚固力设计值400kN，顶级采用锚杆框架+植生袋绿化加固，单孔锚固力为110kN。

4.4设计方案四：圆形埋入桩+分级锚固

考虑泥质砂岩岩性软弱，长期蠕变作用下，锚索框架会产生应力松弛等现象，通过在1级边坡设置抗滑桩抵抗边坡的变形，提高边坡的长期稳定性。

边坡开挖方案：边坡第1级高度为10m，其余分级高度为8m，边坡开挖高度为3级边坡，为了桩体施工空间，将一级平台宽度设置为5.0m。其上每级平台宽度2.0m，坡率均为1:1.0。

图7方案四典型设计图

边坡防护方案：边坡第1级采用圆形抗滑桩预加固，尽可能减少路堑边坡开挖。圆形抗滑桩直径为2.0，桩间距为5.0m，桩体总长度为20m，路基设计高以上为10m，地表以下为10m。桩顶往上按8m分级放坡，坡率为1:1.0~1:1.25，最高为3级边坡。坡顶上第1、2级边坡采用锚索框架+植生袋绿化加固，单孔锚索锚固力设计值400kN，顶级边坡采用锚杆框架，单孔锚固力为110kN。

五、边坡开挖及防护稳定性计算

5.1计算方法

边坡稳定性计算是基于野外调查及室内（外）试验参数基础上，通过分析边坡岩性组成、力学参数、地形特征和，确定边坡的基本变形破坏式、范围，运用极限平衡原理计算边坡的稳定系数。边坡计算按碎裂岩质边坡，稳定性计算主要采用《公路路基设计规范》JTG D30-2015中推荐的简化Bishop法。边坡下滑力采用不平衡系数法（隐式）。

图8边坡计算模型

5.2坡计算参数

全、强风化层按均质岩土体考虑。结合上述地勘资料，边坡计算参数值选取见下表所示。因边坡内部存在一倾角33°顺向结构面，岩体的物理力学参数设计中考虑不利结构面，主要在中风化层考虑，不利结构面参数按上表中结构面抗剪强度取值。

边坡稳定性计算参数表   表1

5.3计算标准

（1）深路堑边坡设计年限不低于高速公路正常使用年限。

（2）依据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015），对于边坡稳定性评价，稳定安全系数范围为“正常工况1.2～1.3，暴雨工况下折减0.05～0.1，非正常工况1.1~1.2”。

本项目为高速公路，地质条件相对复杂。对于正常工况下，边坡稳定安全系数取值1.25；对非正常工况Ⅰ下，边坡稳定安全系数取值1.15。

（3）挡土墙稳定性验算时，抗滑动稳定系数Kc取1.3，抗倾覆稳定系数K0取1.5。

考虑本项目岩质为泥质砂岩，锚固体虽位于中风化岩层，但岩性软弱，预应力截面设计安全安全系数K1取2.0，安全系数K2取2.2。

5.4计算结果分析

根据上述开挖方案，分别对开挖后防护墙和防护后的稳定性进行经计算后，方案一的各种技术工况如下图所示。

（1）边坡开挖后

天然工况：边坡稳定性系数Fs=1.15，剩余下滑力723kn/m

暴雨工况：边坡稳定性系数Fs=0.99

地震工况：边坡稳定性系数Fs=1.09

图9边坡开挖后未防护

（2）边坡开挖防护后

天然工况：边坡稳定性系数Fs=1.30

暴雨工况：边坡稳定性系数Fs=1.11

地震工况：边坡稳定性系数Fs=1.24

图10 边坡开挖后未防护

计算结果如下表所示。边坡开挖前的稳定性处于不稳定和欠稳定状态，开挖后的防护方案基本都能达到规范要求的稳定性系数。

各方案边坡稳定性计算一览表 表2

六、方案优缺点对比

根据上述方案，边坡设计方案分为两类：

（1）分级开挖、分级防护设计思路，边坡采用锚索（杆）框架+植生袋预加固；

（2）采用桩板墙预加固后再分级开挖边坡，桩顶边坡采用锚索（杆）框架+植生袋预加固。方案一、方案二、方案三、方案四进行分析对比。

方案优缺点对比分析          表3

七、工程造价对比

根据上述各方案的工程量，对方案一、方案二、方案三和方案四的工程量造价进行估算，各方案估算情况如下所示。

各方案工程规模及造价对比  表4

结合工程造价对比，综合选取方案一为推荐方案。

八、边坡排水方案设计

边坡排水方案：边坡开挖坡口线外5m设置坡顶截水沟，1-3级平台设置平台截水沟，第2级边坡平台宽度为12m，靠近坡脚2m范围内设置截水沟，其余采用5cm的水泥砂浆进行抹面封水，保证雨水不进入边坡坡体内，路堑边坡平台稳定。

边坡第1排和第3排设置仰斜排水孔，仰斜排水孔长度为16m。

九、结论

（1）泥质砂岩边坡稳定性较差，岩性软弱，对水较为敏感，边坡开挖后稳定性较差，边坡防护应优先考虑放缓边坡，并做好边坡临时和永久排水设施。

（2）对于顺层边坡，单纯的放缓边坡对边坡的稳定性提高不明显，应适当配合锚固和支挡工程对边坡进行预加固，遵循开挖一级防护一级，保证每一级边坡稳定。

（3）边坡的支挡工程方案选择应结合边坡的稳定性和水文特性、可选择施工设备等因素，综合施工难度、造价和安全风险等因素选择合理、性价比较高的设计方案。

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