高边坡支挡结构的选型研究

高边坡支挡结构的选型研究
　　周英超1郭明香2
　　（1湖南省中大设计研究院湖南长沙410075）
　　（2湖南省炎汝高速公路建设开发有限公司湖南长沙410001）
　　摘要：高大边坡力学行为复杂，失稳后果严重，治理费用较高。本文以某高速公路40米高的高大边坡为例，分别从结构受力、经济性和施工难易程度等几个方面对多种高边坡的支挡结构进行了比较，得到的结论为以后在设计中或运营中的类似工程提供参考。
　　关键字：高大边坡，挡墙，加筋，护坡，分级护坡
　　0.引言
　　边坡分为岩质边坡和土质边坡，而岩质边坡又分为软岩和硬岩两种。现在对于高大边坡没有统一的定义，一般认为，公路系统中高度为15~30m、坡度为30~60度的边坡为高边坡，而高度超过30m、坡度为60~90度的为超高急坡，而高大边坡是坡体比较长的高边坡。在过去的工程实践中，由于对高大边坡认识不深刻，所以在进行工程设计比选的时候往往侧重经济性，从而在高大边坡和短隧道方案中选择前者。但当地形受到限制，或由于覆盖层过于单薄，这种地段就不宜修筑隧道，仍然可能采用高大边坡。目前，我国山区高速公路的修建中，出现大量的深挖路堑与高填路堤边坡，其防护问题非常突出。为了满足安全可靠和经济合理双重目标，对高大边坡病害特征的深入分析和对其治理工程方案的慎重选择显得十分重要。
　　1.工程概况
　　某高速公路深切路堑边坡长83m，路线走向211°，挖方最大切坡高度40m，坡度角约45°，属高大边坡。路基区属构造剥蚀高中山地貌，斜坡地形，呈北东~南西走向，基本为直线形坡。该段地质情况为：
　　第①层，粉质粘土，褐黄色，潮湿，可塑状，含较多角砾，分布不均，成份主要为页岩，偶夹碎石。棱角无磨圆，钻孔揭露最大厚度5.7m。
　　第②层，强风化砂质页岩，褐黄夹灰褐色，泥质砂质结构，页理状构造，泥、钙质胶结，胶结程度差，岩芯多呈土柱状、砂砾及碎块状，偶见软弱夹层，岩质软，岩芯极破碎，岩芯采取率约70%，钻孔最大揭露厚度44.6m。岩层产状为118°∠32°。钻孔揭露此段地下水不发育（见图2）。
　　2.多种支挡结构的比较
　　边坡的支挡结构有很多种，主要分为五大类型：第一类挡墙型，第二类护面型，第三类加筋型，第四类桩基型，第五类复合型。
　　2.1挡墙型
　　挡墙型支挡结构主要是利用挡墙自身的重力及稳定性承受墙后土体的作用力和制约其变形。挡土墙多用浆砌片（块）石砌筑，缺乏石料地区有时可用混凝土预制块作为砌体，也可直接用混凝土浇筑，一般不配钢筋或只在局部范围配置少量钢筋。这种挡土墙形式简单、施工方便，可就地取材、适应性强，因而应用广泛。由于挡土墙依靠自身重力来维持平衡稳定，因此墙身断面大，圬工数量也大，在软弱地基上修建时往往受到承载力的限制。如果墙过高，材料耗费多，因而亦不经济。因此，挡土墙适用于地基较好、墙高不大且当地又有石料的条件。
　　2.2护面型
　　护面型支挡结构指的是尽量不扰动或少扰动原坡体构造，在坡体表层采取一定的措施增加坡体的稳定和强度的方法。这类结构施工简单，造价较低，但是要求坡体本身具备较强的稳定性，对于大型高大边坡，其支挡效果不佳。此类结构主要有以下几种形式：抹面与捶面，灌浆与勾缝，水泥土护坡，护面墙，喷浆或喷射混凝土防护，骨架植物防护等。
　　2.3加筋型
　　加筋型支挡结构作用机理是在土体内打入锚杆或锚索，固定于坚硬的基岩上，承受土体的侧压力，增加抗滑性能，形成一个稳定的受力体，从而增加坡体的稳定性。此类结构适用各种软弱坡体，受力好，施工操作并不复杂，造价也适中，但有一个前提是地质勘探要求比较准确，滑动面搜索比较准确，锚杆才能找到较好的落脚点。这类结构常常跟其他结构相结合使用，效果更加明显。
　　2.4桩基型
　　这类结构就是在坡体内打入桩体，从而产生抗滑力抵抗坡体下滑力，达到稳定坡体的目的。桩基适用于极差的地质条件，抗滑效果也很好，但是桩基造价高，施工复杂，一般用于滑坡治理。
　　2.5复合型
　　复合型支挡结构就是根据坡体不同层次的地质条件，将以上两种或几种支挡结构结合起来使用。这类结构适用于各种地质条件，是工程中最常见应用最广的结构。如前面提到的锚杆挡土墙，锚定板挡土墙，加筋挡土墙，都是将锚杆与挡土墙结合起来而形成的。
　　3.本工程支挡方案的确定
　　根据以上对多种支挡结构的简单比较可知，采用任何单一的结构均不能满足要求。由于是高大边坡，坡体下部需要有较稳定的承受体，而受地形限制，该承受体本身不能太庞大，因此不能采用重力式挡墙。
　　根据试验资料、反算、结合工程经验，确定如下计算参数：粉质粘土（粘土），C=25KPa，Φ=12°；强风化砂质页岩C=60.5KPa，Φ=21°。经稳定性验算分析，在砂质页岩层内边坡整体稳定性系数为1.163，达不到规范要求的1.3，按照安全系数为1.2进行计算，边坡剩余下滑力为1081.2KN，需在第二、三级边坡设置锚索地梁进行加固；同时鉴于钻孔揭露强风化砂质页岩整体破碎，需在第一级边坡坡面上设置锚杆框架护坡，以防小型楔形滑动及掉快。
　　根据该处地形、地质条件，结合稳定性验算结果，本工点防护方案为：第一级边坡采用锚杆框架防护，第二、三级边坡采取锚索地梁防护，第四级边坡采用菱形骨架植草护坡边坡分析为10m一级。单孔锚索轴向拉力设计值为800KN。这样各级支挡结构受力均比较合理，施工也不复杂，经济性在合理范围内。
　　4.GPS监测系统
　　为确保边坡在施工中的稳定性以及在日后公路运营中掌握边坡的变形动态，本边坡建立了GPS监测系统进行边坡位移监测，以达到指导施工和预报的目的。
　　本边坡工程GPS监测网由5个变形监测桩组成，第一级护坡内2个，第二、三级护坡内2个，第四级护坡内1个。由于观测点不多，就采用5台接收机同步观测的方式。公路运营后两年内进行了五期的位移观测，对观测数据汇总后计算各期的向量边，再绘出各向量边的时间变化趋势图。对所有数据分析后得到两条友变化趋势的向量边，第1条向量边累计变形25mm，向量边的特征是缩短，变化趋势平缓；第2条向量边累计变形28mm，向量边的特征是也缩短，变化趋势平缓。此结果说明本边坡的支挡结构取得了较好的效果，使得边坡的位移非常小，结构处于比较安全的状态。
　　5.结论
　　通过对多种边坡支挡结构的比较，结合本工程的实际工程条件，经计算分析和对GPS监测系统观测的结果进行分析，得出如下几点重要的结论：
　　（1）对于高大边坡最好在设计阶段做好充分研究，应从其经济效益、工程技术、力学性能、环境保护等各方面论证比选，一个好的支挡结构将给日后的公路运营带来安全保证，有时甚至能起到一劳永逸的效果。
　　（2）在进行高大边坡的支挡结构选型研究时不要局限于一种形式，应该考虑多种形式组合。当然不是随意组合，还应根据工程的实际地质条件、工程规模、水文等情况确定。一般岩质边坡地质条件较好时可以采用护面型和挡墙型，地质条件较差的岩质边坡、土质和类土质边坡可以采用加筋型和挡墙型相结合的复合结构。
　　参考文献：
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