京珠高速公路大悟县境南段高边坡设计.pdf

京珠高速公路大悟县境南段高边坡设计 伍学明刘毅学 （湖北省交通规划设计院武汉430051 摘要以京珠高速公路大悟县境南段高边坡的勘察与设计为工程背景，通过工程环境、岩体结 构与工程性质的研究，对边坡稳定性、边坡支护方案进行了分析与计算，在岩石高边坡设计中采用 了定性分析与定量计算相结合的方法，克服了以往单凭经验进行边坡设计的不足．使工程设计更 具安全性、适用性、合理性和经济性。 关键词高边坡稳定性铺喷支护 京珠高速公路是一条贯穿我国南北的主干国 道，对促进国民经济发展具有重要作用。 京珠高 速公路大悟县境南段需通过丘陵地段，在K34 000-K34 400左侧，由于路堑开挖，将形成人工 高陡岩质边坡，最高坡高达70m以上。该区域 地层岩性主要为元古界片岩和片麻岩，具有岩体 完整性较差、强度较低和易风化的特点，对岩体边 坡稳定性极为不利。 如何通过深入细致的工程地 质研究，对边坡岩体稳定性进行预测，并进行安全 经济最佳边坡设计，是公路设计的重要任务。 1 岩体结构与工程性质 1. 1 岩体结构特征 岩体结构是控制岩体物理力学性质和边坡变 形破坏机理的最主要因素，对千本段岩体结构特 征的研究主要是通过结构面统计及网络模拟的方 法进行的。 1区内结构面的产状服从正态分布，隙宽 与迹长则服从负指数分布。 2岩体结构 以层状结构为主，局部为层状破 碎结构。 层理与片（麻）理方向一致，倾向一般介于 150 165 之间，倾角一般介于3055 之间。 3除层理、片（麻）理外，区内尚发育有几组 节理。 各测点节理发育状况不甚一致，以倾向 200240 方向最为发育，其次为260300方向， 该组节理与坡面夹角较小，倾向坡外，对边坡岩体 稳定性最为不利。 4结构面长短交错，使其连通性较好，但缺 少贯通性的宽大裂隙，除层理、片（麻）理和极个别 收稿日期2008-10-14 的裂隙迹长较大外，其他结构面的迹长较小。 结 构面半迹长多在lm以下，少数超过2 m, 实测到 的最长裂隙迹长也仅15m左右。 结构面隙宽多 在5mm以下，以12mm居多，且少充填，多张 开，常有地下水渗出 。 5结构面的平均间距一般为1030cm, 最 小为3. 6 cm, 最大可达65. 2 cm。 结构面的线密 度一般为410条/m,最疏为1. 88条Im,最密 为11. 51条Im。 最稀疏的方向多集中在126 148、34 56 最密集的方向多集中在130 142、78800 6选用0. 1、0. 3、0. 5、0. 7 m 作为推算 RQD描述岩体完整性指标）的标准得出0. 1 m时 的RQD值较大，均值一般都超过70,而0. 3 0. 7 m时的RQD值锐减， 表明岩块块度较小。 RQD值的最大值及最小值所在方向比较分散。 7本区结构体的形态以板状和樑形状 为主。 8结构面的发育状况及岩体的完整性都呈 现出明显的各向异性，这也必然导致岩体在不同 方向力学性质差别较大。 1.2 岩体的物理力学性质 1. 2. 1 岩块物理力学性质 根据所取岩样试验结果，区内岩石物理力学 性质有如下特征 1岩石性质普遍较软弱， 为较软岩和软岩， 各类岩石随风化加深物理力学性质明显下降，且 抗水性差，说明风化是影响其物理力学性质的重 要因素。 2各类岩石风化程度相同时，物理力学性 质相差不大。另外，地表各类片麻岩风化程度一 3 6 伍学明 刘毅学 京珠高速公路大悟县境南段高边坡设计 2 0 0 9 年第 1 期 般 比片岩深 ， 其风 化深 度也 大得 多 。 3 各类岩石受片 麻 理等定 向结构影响， 岩石 力 学 性 质 各 向 异 性 较 为 明 显 ， 表 现 为 顺 片 麻 理方 向的力 学强 度常 小于垂 直 片 麻 理 方 向 的强度 。 4 岩石 顺 片 麻 理 方 向 的抗 剪强 度 较 高 ， 远高于脱开片 麻 理面的抗剪强度 ， 这为非贯通 片 麻 理 面抗 剪强 度 提 供 了上 限与 下 限 ， 因 此在 边坡稳定 分析计 算 中应予 注意 。 1 ． 2 ． 2结构 面的力 学性质 本段各类岩体中节理面的抗剪强度略高于片 理 面 ， 而各 节 理 面 的抗 剪 强 度 较 为 接 近 ， 不 仅如 此 ， 两 者在发育 密度 和延伸 长 度上都 是不 同的 ， 因 此 ， 在进行边坡 工 程地质评 价 时 ， 应 将 片 麻 理 面 与节理面严格 区别 开来 。 1 ． 2 ． 3 岩体 力学计 算参 数建议 值 综 合分 析各 项试 验 数 据 ， 并 结 合 有关 经 验 数 据 ， 提 出各类 岩体 和结构 面 的计算 参数 建议值 ， 见 表 1所列 。 表 1 岩体力学计算参数建议值 表 2 结构面强度参数建议值 表中结构面力学参数主要依据室内结构面试 验并结合结构面 的宏观地质特征给 出， 适合 于张 开 无填充且 风化 不严 重 的片 麻 理面 及节理 面等 硬 性结构 面 。根据 野 外 调 查 ， 区 内各 种 结 构 面 除 少数片 麻 理面及极少数节理面延伸较长， 迹 长 可达数米至 1 O余 I T I 外， 其余结构 面的延伸度都 不大 ， 多小于 1 m， 因此 ， 在进 行 边 坡 整 体 稳定 性 计算时， 作为假设滑动面的强度参数的选取， 应根 据实际的破坏机理而定 ， 只有在局部块体滑移验 算 时 ， 才可直 接采用 表 中的数 据进行 计算 。 2 斜坡稳 定性评 价 工程地质条件分析和岩土体物理力学参数的 确定是斜坡稳定性评价与斜坡防治地质工程的基 础 ， 斜 坡稳定 性评 价是 斜坡 防治地 质工程 的关键 ， 而斜坡 治理 方案 优选 和设 计是斜坡 防治地 质工程 的核 心 ， 因此 ， 只有 这 三 者有 机 地结 合起 来 ， 做 出 合理 的评价 和设 计 ， 才 能 使 地 质 观和 工 程观 达到 和谐 统一 。 2 ． 1 最危 险整 体滑移 体 的确定 本 段情 况较 为 复 杂 ， 但 存 在 3组 优 势结 构 面 节 理面 。 野外 测绘表 明 ， 处于极 限平衡 状态 的采石坑 ， 其 后缘 拉 张 裂 隙带 宽 1 9 m 左 右 ， 因此 采 用 直线 型滑移 面是不合 适 的 ， 所 以 ， 本 项 目采 取基于极 限 平 衡理论 的 费圣科 法 ， 采 用 结 构 面 网络 模 拟结果 和野外 测绘资 料来 确定最 危 险滑动 面 。 2 ． 2 计 算参数 由于本段 假 定 滑 动面 由断 续 结构 面 组成 ， 因 此 ， 在计 算参数 的选 取 时 ， 采取 结构 面参数 和岩体 参数加 权平 均 。 2 。 3 稳 定性 计算 在 工 程 地 质 条 件 分 析 的 基 础 上 ， 采 用 推 力 法对 本 段 稳 定 性 进 行 分 析[ 1 ] ， 选 择 主 要 剖 面 用 S a r ma 法 进行 校核 。 自然斜 坡稳 定性 计算 表 明 稳定 性系数 3 ． 8 9 ， 远 大于 1 ， 边 坡整体 处 于稳定 状 态 ， 但 在采 石坑 位 置 ， 由于开 挖 放炮 ， 形 成 临 空面 ， 在 其 后缘 形成 深 达 0 ． 2 ～2 m， 影 响范 围达 1 8 m 的裂 缝 区 ， 治理工 程 中应采取清除措施 ， 免留后患。 不 同放坡 角 的稳定 性计 算表 明 1 随着边坡 角度 的 增 大 ， 稳 定性 系数 减小 ， 且边坡 角为 5 O ～ 5 5 。 之 间 时 ， 稳 定 性 系 数 发 生 突 变 ， 说 明该 处 为 稳定 性 的拐 点 ， 因 此 ， 本 着减 少 开 挖方 量 ， 减少 耕 地 占用 量 ， 节 约 投 资 的原则 ， 边 坡 坡度采 用 5 5 ～6 O 。 。 2 地震 力 增 大 了边 坡 失 稳 的 可 能性 ， 比较 各 剖面计 算结果 ， 在 引入 地震 力时 ， 稳 定性 系数减 小 ， 且随着 边坡 角 的增 大 ， 考 虑地震 力 的稳 定性 系 数 比不考 虑地 震 力 的稳 定 性 系数 下 降 9 ． 2 6 ～ 9 ． 6 8 ， 说 明地 震力 具有 一定 的敏 感性 。 2 ． 4 敏 感性 分析 影 响边坡 稳 定 性 的 因 素很 多 ， 主要包 括 岩体 的密度 、 滑带抗剪 强度参数、 地 震力、 地下水等。 通过研究各因素对稳定性系数 的影响程度， 可确 定放坡后边坡的实际稳定安全度和治理方案的合 理性 。 分析结果表明 1 抗剪强度参数对边坡的稳定性影响较敏 感 ， 在强度参数 C 、 中， 内摩擦角比内聚力对稳定 性 反应敏感 。 当 一 2 0 。 、 c一2 0 k P a时 ， 稳 定性 系 2 0 0 9年第 1 期 伍学明 刘毅学 京珠高速公路大悟县境南段高边坡设计 3 7 数随 的增长率是随 f的增 长率的 1 ． 5 3 3倍 ； 当 4 0 。 、 f 一6 0 k P a时 ， 稳 定性 系数随 的增长率 是随 c的增 长率 的 2 ． 2 1 倍 。 增 长率 差距 随 c 、 值 的增大而增 大 。 2 随着 地震 烈 度 增 大 ， 稳 定性 系数 降低 速 率增大 ， 说明地震 力 是边 坡 设计 的一 个 主要 影 响 因素 。 3 密度 对稳 定 性 的敏 感 较低 ， 稳 定 性 系数 随容重 的增 大而 降低 的趋 势逐渐 减小 。 3 边坡 工程设计 根据前叙 分 析 ， 本段 自然 斜坡 岩 体整 体 稳定 性 尚好 ， 但存在局 部隐患 ， 在未 来公路 边坡开 挖条 件下 ， 岩 体稳定性 状态必 然受到 较大影 响 ， 开挖 方 法不 当将会 产 生 大范 围的岩 体 失 稳 。因此 ， 如何 在保持岩 体整体 稳定 的前 提 下 ， 通过 适 当 的边 坡 加固措施控制局部岩体失稳 ， 达到稳定和经济的 最佳组合 ， 是边坡 工程设计 的关键 。 3 ． 1 设计 总体方 案 1 因本段岩体不存在整体滑移 的可能， 岩 体呈层状 特征 ， 结 构面发 育 ， 为了减 少开挖 和加 固 工作量 ， 按类 比法 分析 ， 设 计采用 分层 开挖 与光面 爆破 、 锚 喷 网 加 固 、 综合 治水措 施三者 一体 的设 计 、 施 工总方案 。 2 根据 确 定 的最 优 开 挖坡 角 ， 多数 边 坡 地 段处 于稳 定状 态 ， 稳 定 性 系 数 大 于 1 ． 2 5 ， 所 以锚 喷支护设 计 的 目的仅是 加 固因边坡结 构面 的存 在 和 因爆破应 力波对 边坡表 层产 生的破坏 而导致 的 局部 岩体 失 稳 。对 于 局 部 稳 定 性 系 数 较 低 的 地 段 ， 采 用砂 浆短 锚杆 ， 以锚 为 主 ， 锚 喷 网结 合 的支 护 方 案 ， 以增 加 锚 喷 网支 护 强 度 的 方 法 提 高稳 定性 。 3 按类 比经 验 ， 台 阶法 分 层 开 挖 利于 边坡 稳定 ， 故 采用低 台阶水平 分层 开挖法 ， 即从上 向下 台阶开挖 ， 台阶边 坡光面爆 破 ， 严 格控制爆 破对 边 坡 的破坏 与振动 。 4 为 防止地表水 和地 下水 对边坡 支 护层产 生侧压 ， 影 响支 护效 果 ， 采用 坡 顶设 截水 沟 、 坡底 设边沟 、 坡 面钻泄 水孔 的综合治 水措施 。 3 ． 2 最 优坡角 的确定 设计确定最优坡 角从 两方面进行 ① 稳定 性， 即分别按推力法和 S a r ma法计算各边坡剖面 的各 种 开 挖 坡 角 的 稳 定 性 系 数 ， 在 满 足 安 全 系 数≥1 ． 2 5 的条件下 的最 大坡角作为稳定最优坡 角 ； ② 经 济性 ， 对 边坡 开 挖 而 言 ， 坡 角 越 缓 ， 边坡 越稳定 ， 支护量越 少 ， 但开 挖量却 越多 ； 反之 ， 坡 角 越 陡 ， 支护 量 越 多 ， 但 开 挖 量 越 小 。因 而 通 过 分 析 ， 可以确定在开挖与支护费用最低时的边坡开 挖角 度为经 济最优 角度 。 本段 最合 理 的边 坡 角 为 6 O 。 ， 该 角度 与 满 足 规范要求的边坡安全 系数所确定的边坡角相近， 同时也满 足按 类 比法 所 确 定 的 最 经 济坡 角 的 范 围。但需要 说 明的是 ， 此 坡角 为总体开挖坡 角 ， 为 便于施工测量， 对具体某一坡面的坡角 ， 可作少量 调 整 。 3 ． 3 锚喷 支护设计 3 ． 3 ． 1 支护 方案 1 支护设计以技术经济合理的稳定坡角、 严格 的控制 爆破 和综 合 治水措施 为基础 。 2 设计采用素喷砼 、 锚喷和锚喷 网 3种支 护类 型 。 3 3种 支 护 类 型 的使 用 视 边 坡 稳定 状 况 、 边 坡高度 和坡角 等 因素确定 。 4 喷砼 的作用 是防止 表 面岩体 进一 步风化 及阻止局部小块岩体下滑 ， 钢筋网的设置则是增 大喷砼层 的抗剪 和抗 拉强 度 ， 同时 钢筋砼 与 锚杆 共同作用 ， 对边坡起表里共同加固作用。 5 锚 杆类 型 选 用砂 浆 螺 纹 钢锚 杆 ， 经 济合 理 ， 便 于快 速施工 。 6 边坡 加 固必 须 紧 随开 挖 ， 要求 每 挖完 一 级 台 阶 ， 迅 速加 固其产 生的边 坡 ， 防止产 生过大 的 位 移变形 。 3 ． 3 ． 2 支护参 数 1 锚杆 参数 ① 根 据结 构面 网络模 拟分 析 ， 结 构面最 大间 距 小 于 1 m， 考 虑 到爆 破 及锚 杆 可 能 与结 构 面倾 斜 的 因 素 ， 以及 规 范 提 出 的 锚 固深 度 安 全 系 数 2 ～3的要求 ， 确 定 锚 杆 长 度 为 3 m， 局部 岩 体 稳 定 系数较 低的地 段 ， 锚 杆长度 采用 6 IT ／ 。 ② 同样 根据 结 构 面 最 大尺 寸 确定 锚杆 间距 为 2 m， 考虑到片 麻 理与节理有近似垂直的关 系， 确定锚杆 间距与排距相同。 ③ 根 据锚 杆 对 边 坡局 部 滑 块 的锚 固作 用 原 理设 计每根 锚杆 的最 大锚 固力 P { [ F ] s i n 一 C O S t a n 一 C A ／ s i n t a n [ F ] c o s JG L l 式中 安全 系数 [ F ]一 1 ． 4 ； 每根锚 固面积 A 一 224 m。 ； 每根锚杆承担的岩体重量 W 2 21 2 ． 71 O ． 81 0 k N； 岩层节理倾角 3 5 。 ； 摩擦角 一 2 4 ． 5 。 ； 岩体内聚力 C 一 5 k P a 考 虑爆 破 的破 坏作用 ； 锚杆 与坡 面夹角 J9 7 5 。 ， 因 此 P一 3 1 ． 2 k N。 ④ 锚 固破坏 方式 考虑锚 杆 与砂 浆 、 砂浆 与孔 壁 、 岩体的剪切破坏以及锚杆的拉伸破坏等诸多 总第 2 3 2期 2 0 0 9 年第 1期 交通科技 Tr a n s p o r t a t i o n S c i e n c e Te c h n o l o g y Se r i a I No． 2 32 NO． 1 Fe b．2 0 09 高速公路边坡的圆弧化设计与实践 张 曦 沈雪香 陈小佳。 张谢东。 高 国琴。 1 ． 湖北 省随岳高速公路 中段建设指挥部 天门4 3 1 7 0 0 ； 2 ． 武汉理工大学武汉4 3 0 0 6 3 ； 3 ．十堰市城市基础设施建设投资有限公司 十堰4 4 2 0 0 0 摘要公路边坡处理 中以往 只注重其功能作用 ， 而忽视了其对公路景 观的重大影 响。文 中提出 了边坡圆弧化的设计 概念， 对公路圆弧化设计 的形式和设计 内容做 了归纳。结合随州 至岳 阳高速 公路随州至京山段 的设 计和施 工 ， 对边 坡的 圆弧 化做 了尝试 。实践 表明 ， 高速公 路边坡采 用圆弧 化的处理方式 ， 能使道路景观得到较大的提升 。 关键词 边坡圆弧 化设 计概念景观高速公路 随着社会经济的高速发展， 人民生活水平的 不断提高， 人们对高速公路的要求也不断提高， 在 注重道路 的安全 、 迅速 、 经济 、 耐久 的 同时 ， 逐渐 引 入 了环 保 、 美化 、 人 文 的概 念 ， 以求使 高 速公 路 既 具 备本身 固有 的功 能 ， 又 能达 到 与 周边 环 境 的 协 调， 减少建设性破坏 ， 提高美学价值、 文化价值及 绿色环保 质量 。因此 ， 高 速 公路 的环 保 与景 观 设 计已经作为一项重要内容而受到高度重视L 1 ] 。 在高速公路建设中， 由于开挖和回填 ， 形成沟 堑和边坡 ， 以往 只注意边 坡 防护支 挡 ， 满 足单一 的 稳定性功 能要 求 ， 已经 过 时 。现 在更 注 重在 满 足 既定 的功 能 要求 的前 提下 ， 满 足 使 用者 对 审美 的 收 稿 日期 2 0 0 8 一 I O - 1 1 追 求 。对 边坡 的处理 应该 避免使 人产 生生硬 的感 觉 ， 应该 注重 和 自然 环 境 的融 合Ⅲ 。边 坡 圆弧化 的设计 概念就是 在这 一指 导思 想下 产生的 。 1 边坡 圆弧 化的 形式 根 据边坡 面 的形 成 状 态 ， 边 坡 圆弧 化 设计 的 形式 主要有 3种 1 顶 部 的圆弧 化边坡 顶 部 的圆弧 化 主要 针对路堑边坡 ， 是开挖路堑边坡顶部与开挖山体 原坡面 衔接 位 置 的 一 种 圆 弧 过 渡 见 图 1 ， 避免 以往 只注重 边坡 防护功 能 时 ， 护坡 平 面切割 山体 ， 造成 生硬 的效果 。路堑 边坡 顶部 的 圆弧化能够 产 生 与 自然地 形地 貌 相 似 的 轮廓 ， 达成 与 自然环 境 相融 合 的视觉效 果 。 由于 路堑 边坡顶 部 的圆弧化 因素 ， 其中锚杆与砂浆锚固力最小， 以此作为校核 对象 P 7 c d L 式 中 锚杆直 径 d一 2 0 mm； 锚 杆在 岩体 的锚 固深 度 L i I n ； 锚杆与砂浆的平均结合力 r一 1 ． 1 MP a 。 因此 P 一 6 9 ． 1 k N P及锚 喷 支护规 范 5 O k N锚 固力的要 求 。 ⑤ 为施工方便 ， 锚f L L 径为 4 0 mm， 砂浆强 度为 M1 0 。 2 其他参数 ① 喷砼厚度定为 1 0 c m， 局部稳定系数较低 的地 段 ， 喷 砼 厚 度 定 为 1 5 c m。 喷 砼 强 度 定 为 C2 O。 ② 钢筋 网采 用 直径 6 mm， 局 部 稳 定 系数 较 低 的地段 ， 钢筋 网 采用 直 径 1 0 mm。钢 筋 网格 为 2 O c m 2 O e m 。 4结语 在 以往 的岩石 高 边 坡 设 计 中 ， 设计 者 往 往根 据勘察 资料 ， 单 凭 经验确 定设 计方 案 ， 致使设 计常 常过于保守或安全性不足。本文对岩石高边坡采 用定性分析与定量计算相结合的设计方法进行了 探讨 ， 使工程设计更具针对性。目前 ， 该工程完工 已 7年有 余 ， 边 坡稳 定 性 良好 ， 设计 达 到预期 效果 。 参考文献 [ 1 ] J TG D 3 0 --2 0 0 4公路路基设计规范E s ] ．北京 人 民 交 通 出 版 社 ， 2 0 0 4 ．