城市復雜條件高陡邊坡穩定性分析與綠色支護設計

劉志輝

(廣東鴻宇建筑與工程設計顧問有限公司，廣東 東莞 523011)

0 引 言

城市建設規模的擴張需要市政基礎設施配套的支持，特別是市政路橋作為城市有機體的血管，保障了整個城市的有效運轉。市政路橋建設過程中高陡邊坡穩定性和邊坡支護設計的安全有效需要得到特別重視[1]。針對高陡邊坡必須采取合理有效的分析理論和專門的安全度設計方法，確保邊坡不僅有充裕的安全儲備，且保證方案最優、經濟環保。

1 邊坡穩定安全分析方法和技術研究路線

1.1 邊坡穩定安全分析方法

介于巖土體的特殊性質，針對其邊坡的穩定性分析也在不斷深入研究，尤其是定量分析求解其安全系數等。經過近代先驅的不斷研究總結，邊坡穩定性分析取得了長足的發展。針對土質邊坡、巖質邊坡、土巖結合邊坡等，尤其是針對相對比較復雜的土巖結合體，要同時考慮土體和巖體不同破壞情況后進行綜合研判[2]。

城市道路建設中不可避免碰見高邊坡的情況，城市用地緊張、周圍建筑體密集，這就使得不能夠像普通公路、鐵路建設那樣采取大放坡等建設模式，必須采取更加合理的支擋形式。這樣既給工程建設的設計分析又給高邊坡的安全提出了更高的挑戰。

工程建設中要進行工程地質的詳細勘察，提供邊坡巖土性質的各項參數，并根據土體或巖體性質進行定性和定量綜合分析，定量分析方法和使用范圍見表1。

表1 邊坡滑坡穩定常用分析方法和適用范圍匯總

1.2 邊坡穩定技術分析和支護設計路線

在項目實施過程中，首先要針對現場地質情況進行勘察工作，通過對市政道路建設線路進行探槽等勘察分析，調查巖土體性質和巖體節理裂隙情況，分析描述并全面掌握邊坡的地質條件。計算分析邊坡安全角度，針對不同巖土體的工況進行綜合穩定性分析，進而進一步進行支護結構的優化分析設計。高陡邊坡穩定性分析和支護設計技術路線如圖1所示。

圖1 高陡邊坡穩定性分析和支護設計技術路線圖

在邊坡穩定性技術分析過程中，首要方面就是要確保工程地質調查能夠詳細準確，合理選取計算參數，并根據土巖結合情況正確選擇分析模型和分析方法。根據穩定性分析的結果結合邊坡高陡情況合理恰當地選取支護方式，優化支護方案并與城市綠色景觀環境相協調一致[3]。

2 市政道路工程案例項目概況

2.1 工程建設概況

本項目以珠海市某道路及附屬設施工程為例作分析，設計道路為雙向4車道，道路等級為城市次干路，道路一側現存在一高陡巖土邊坡，在施工過程中要進行分析處理。本項目建設內容包括道路、路基等項目施工。

2.2 項目所處位置建設地質情況特征

經詳細勘察揭露，此項目邊坡主要地層以上覆黏性土和碎石層以及雜填土層為主。地層分布從上至下為：第一層為雜填土，主要包括強風化巖體和建筑垃圾堆積，地層不均勻，性質差別很大，覆層厚度為0.5～2 m；第二層為粉質黏土，土體性質為硬塑狀態，整體土層比較均勻，土層厚度為3～5 m；第三層為碎石土層，碎石層巖體呈中密狀態，呈棱角狀態，內填充粉質黏土。土層厚度為3～8 m。

通過現場地質情況的勘察分析，通過探槽開挖發現邊坡具有一定的土巖結合特性。探槽開挖情況表明東側開挖較深且黏土層相對較厚；西側開挖黏土層較淺且巖石埋深較淺，開挖難度大。整個巖土邊坡較陡，且整體地質情況較為復雜。邊坡由于處于城市范圍內，開挖和支護要求高，一方面要求保護山體生態，減少對山體開挖，另一方面要求針對支護設計加強綠色設計理念，并保證高陡邊坡的支護安全。因此采取有效的分析手段，配合綠色設計理念，充分考慮邊坡穩定在各個工況下的不利條件，依據邊坡坡度和高度，綜合研判分析選擇合適的邊坡支護形式，并滿足綠色設計施工需要。

3 市政道路工程高陡邊坡穩定性分析

邊坡支護設計涉及邊坡穩定分析計算方法的選取、巖土參數的選擇以及結合多年的工程經驗進行綜合研判，因此選取適宜的計算方法是準確完成邊坡支護的前提。

不同安全級別的邊坡的安全儲備要求也不相同，本案例邊坡要求安全等級為一級，根據邊坡技術規范的相關要求，采用平面、折線滑動穩定系數技術時，安全系數要達到1.35以上，采用圓弧滑動面進行計算分析時，安全系數要求達到1.3以上。本項目根據現場勘察細節資料等結合巖土體力學參數確定邊坡滑動面和破壞形式[4]。

邊坡開挖擬選取計算模式，上覆土層采用均質土體的圓弧滑動面，下層巖石采用折線或平面滑動線。具體破壞線如圖2所示。

圖2 本項目邊坡安全分析滑動破壞面模式

通過上圖破壞面分析可以看出，復雜的土巖結合面破壞模式比較復雜，破壞機理也和普通土體的破壞不盡相同，在計算分析中要根據不同穩定土巖體的狀態進行綜合研判分析。針對土層穩定情況可以采用圓弧滑動計算，可選擇簡化畢肖普方法進行搜索分析最不穩定滑動面，根據邊坡規范要求計算。針對巖石層，普通的計算模式可以采用直線平面滑動計算面分析[5]。

計算分析時，要綜合考慮暴雨、地震作用，確保穩定系數滿足設計要求，有充分的安全儲備。進一步進行支護加固設計工作。

邊坡穩定性分析過程中，綜合考慮不同工程條件下的邊坡穩定情況，結合本項目所處的地理位置和地質條件綜合考慮以下幾種設計工況：

工況一：不考慮地震作用和地下水作用，僅僅考慮天然狀態坡體情況。

工況二：考慮地下水位于坡面下3 m情況。

工況三，考慮地震作用影響和地下水作用綜合考慮。

針對以上工況，采用巖土專業分析程序進行巖土體各個滑動面的計算分析，各個剖面的不同巖土體的計算安全系數見表2。

表2 不同工況條件下各個巖土體剖面計算安全系數表

根據以上計算分析數據可知，本項目巖土體邊坡無論是在自然狀態下還是在地下水作用下各個剖面的安全系數均小于1.3的限值，同時在地震作用下也不滿足1.3的安全系數的限值，在地震作用下是極其不穩定的。綜合分析可知該邊坡在自然狀態下是很不穩定，尤其是在綜合外力作用下會發生較大的邊坡滑坡等破壞情況，因此在設計中要充分考慮不利影響，采用有效的支護措施，確保邊坡安全穩定。

4 市政道路工程邊坡穩定綠色支護設計分析及施工應用

4.1 邊坡支護設計分析優選

上節計算分析的穩定性結果表明，不同工況條件下邊坡穩定性不滿足安全等級一級的設計要求，不具有充分的安全儲備，因此要針對此邊坡采取專門的支護設計和加固措施。設計分析時首選提取勘察資料中的各個數據信息和地質條件情況，計算分析邊坡滑坡過程中的下滑力，根據下滑力的大小結合相關規范進行邊坡錨桿和格構梁設計計算?？梢圆捎脤ｉT的巖土計算分析程序進行計算分析，結合邊坡的實際情況經優化比較分析給出最優設計方案[6]。

結合本項目工程地質情況，適應城市建設整體環境的需要，綜合邊坡穩定計算分析結果，采用坡率法進行邊坡防護，并根據邊坡巖土地質情況采取骨架植草防護措施。主要的邊坡骨架防護設計對比見表3。

表3 邊坡骨架綠色防護設計方法對比表

根據本項目邊坡巖土體情況，結合坡率法邊坡防護、工程造價的經濟性指標綜合分析，擬采用每級坡高6～10 m，坡率為1∶1.0～1∶1.75的放坡防護措施，并對放坡坡面增加錨桿加強支護措施。根據上表骨架防護方式的工程施工難易程度、完工效果綜合分析采用坡面進行人字骨架植草防護的方法。

4.2 邊坡支護綠色設計、施工方案

通過對比分析坡率法結合人字骨架植草邊坡防護的措施，一方面滿足邊坡穩定性安全要求，節約工期和造價，另一方面符合城市邊坡綠色設計、環境協調的目的。針對此方法從設計至施工階段重點控制以下幾個方面的質量目標。

(1) 邊坡防護時需要與道路路基路面防排水方案協調統一。確保邊坡排水效果與道路排水通暢，避免因排水影響邊坡安全穩定。

(2) 坡面植草時要結合城市景觀和當地鄉土植物的結合，草籽噴播過程中要摻入30%～40%低矮灌木種子，滿足坡面防護綠植層次性要求。

(3) 邊坡支擋設計過程中，盡量保證其與管線、綠化、排水等專項設計界面協調統一，避免突兀設計或者遺漏。

(4) 在進行邊坡開挖過程中，確保開挖面穩定，嚴禁在坡腳2 m內開挖作業，各類管線的設計也要避免放置在坡腳，如果確需開挖時，可以采用坡腳加固措施保證坡腳安全。

(5) 邊坡防護中預留相關后期維護作業面，便于后期邊坡養護作業，與當地生態環境相協調。人字骨架坡面防護示意如圖3所示。

圖3 人字骨架植草坡面防護和節點設計示意圖

施工作業順序：施工放樣→坡面修整→放線找平和溝槽開挖→墻腳砌筑→骨架砌筑→擋水板設置→養護作業→沉降縫設置。

施工作業過程注意砂漿的拌和存放，避免與泥土摻雜，以免影響砌筑強度；現場水泥原材料要進行性能檢測工作，并針對混凝土進行專項配制；砌筑過程中要保證砂漿砌筑飽滿，避免出現空洞等問題；砌筑完成后進行人字骨架表面平整性等檢測工作，采用經緯儀進行測量，控制偏差數據滿足±100 mm范圍之內。

市政道路邊坡骨架質量控制是控制邊坡結構穩定的重要措施，是保證道路正常運行的重要前提，要針對邊坡防護施工進行嚴格的質量控制、采取相應的質量保證措施，以達到整體建設效果好、應用性能好、綠色環保安全可靠[7]。

5 結 論

邊坡穩定分析和支護設計在城市建設過程中不僅要考慮安全合理，還要綜合考慮綠色設計理念，并盡可能地減小對城市生態環境的破壞。文中以某城市市政道路高陡邊坡項目為例，結合邊坡穩定分析的概率統計計算分析，通過針對現場地質條件的詳細勘察和巖土試驗，結合穩定分析理論尋找最不利破壞面，計算土層和巖層的最不利下滑力，進而對邊坡進行安全性綜合評價工作。采用專業巖土分析軟件，結合不同施工工況下內力組合，求解各個工況下的安全系數，結果表明邊坡安全系數在各個工況下都不能滿足一級安全等級要求，需要針對邊坡進行處理并進行支護設計，計算分析表明巖土體各結構面均出現了較大的變形和位移，在土體中主要發生圓弧滑動。

通過計算分析巖土體穩定后，綜合對比工程建設難易性、工程建設的經濟性指標以及城市邊坡環境的綠色設計施工，與城市環境相協調擬采用坡率法、人字骨架植草，以保證坡面安全有效。