某软岩质顺层高边坡变形破坏模式分析与加固方案研究.docx

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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。
Keys：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:，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。①：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。①：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，～，土石等级为Ⅳ级软石。

，，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
：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:，对边坡采用1：，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:。
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
：方形桩板墙+分级锚固
边坡开挖方案：，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:。
边坡防护方案：第1级采用桩板墙预加固。*，，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:，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
：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。，，桩体总长22m，出露设计高程为12m。。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，，。桩顶往上按8m分级放坡，坡率为1:~1:，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。
：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，。，坡率均为1:。
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。，，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:，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

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

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

（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“～，～，~”。
本项目为高速公路，地质条件相对复杂。对于正常工况下，；对非正常工况Ⅰ下，。
（3）挡土墙稳定性验算时，，。
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，，。

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=，剩余下滑力723kn/m
暴雨工况：边坡稳定性系数Fs=
地震工况：边坡稳定性系数Fs=
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=
暴雨工况：边坡稳定性系数Fs=
地震工况：边坡稳定性系数Fs=
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：