公路黄土路堑高边坡坡型选择研究_高德彬

　文章编号:0451-0712(2007)07-0094-04 中图分类号:U416.1:P642.13 文献标识码:A 公路黄土路堑高边坡坡型选择研究

高德彬1,倪万魁1,赵之胜2

(1.长安大学地质工程与测绘工程学院　西安市　710054; 2.陕西省交通厅　西安市　710068)

摘　要:基于大量调查资料,归纳出了黄土路堑高边坡的8类地质结构模型。以“宽台陡坡”的设计思路,通过对不同坡型下黄土路堑高边坡的稳定性及应力应变分析,提出了按工程地质区推荐的公路黄土路堑高边坡坡型设计方案。该方案已在陕西省已建和在建高速公路黄土路堑高边坡设计中得到应用,取得了良好效果。同时,对黄土地区的其他省区公路建设具有参考价值。

关键词:公路;黄土;高边坡;坡型;地质结构模型

黄土地区快速发展的公路建设,形成大量高陡的公路黄土路堑高边坡。根据现场调查,西部各省区公路黄土路堑高边坡数量共有250余处(截止2004年底)[1],其中有近1/3的边坡高度大于50m。在甘肃省口～柳树沟高速公路,有高度达108m的黄土路堑高边坡。多年来,公路、铁路、水利等部门对高度30m以下的黄土中低边坡都做过较为系统的研究,并在各自规范中提出了明确的设计标准,成功地指导了边坡工程实践。而对于30m以上的黄土高边坡的设计、防护等研究成果还较少,以致因设计不当而导致边坡的变形破坏时有发生。调查中发现,个别边坡施工完不久坡体即发生滑塌,甚至滑坡。分析其原因,主要是因坡型设计不合理而造成边坡整体发生破坏。目前,黄土路堑高边坡坡型设计为台阶型,但由于没有很好地控制单级坡高、坡比和坡形三者之间的关系,造成边坡变形破坏时有发生。同时,坡面防护措施,无论是工程防护或是生态防护,都是建立在坡体整体稳定的基础上,即坡体要有一个合理的坡型以保证其整体稳定性。基于此,本文根据现场调查资料,结合前人研究成果,归纳出了黄土路堑高边坡的8类地质结构模型,并以“宽台陡坡”的设计思路,提出了按工程地质区推荐的公路黄土路堑高边坡坡型设计方案。该方案已在陕西省已建和在建高速公路中得到应用,取得了良好效果。同时,对其他省区公路黄土路堑高边坡设计具有参考和借鉴价值。1　公路黄土路堑高边坡地质结构模型

依据地形地貌条件、黄土成因时代及地层结构、黄土的土性特征、水文地质条件、不良地质现象等,将黄土地区路堑高边坡划分为8类,其中Ⅰ～Ⅵ类占绝对多数。黄土路堑高边坡主要地质结构模型及其特征,如表1所示。由表1可以看出:在东南区,黄土边坡以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类地质结构为主,Ⅴ类地质结构也有少量分布;在中部区,黄土边坡Ⅱ、Ⅲ类地质结构占绝大多数,其他类型很少;在西部区,黄土边坡以Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ类地质结构为主,Ⅳ类地质结构也有零星分布;在北部区,黄土边坡Ⅱ、Ⅲ、Ⅶ、Ⅷ类地质结构较多,Ⅵ类地质结构也有少量分布。

2　公路黄土路堑高边坡坡型选择

2.1　坡型选择原则

黄土路堑高边坡坡型选择的原则,主要是针对边坡单级坡高、坡比和坡形的关系进行优化。

(1)坡形。确定黄土高边坡的坡形,最好的标准是参考自然稳定边坡的坡形,这样可以有效地确定稳定边坡的形式。现有公路黄土高边坡设计,目前均采用阶梯形。

(2)坡比,一般可分为单坡坡比和综合坡比。综合坡比与单坡坡比之间的关系,主要是由平台宽度来调整,一旦稳定总坡比确定后,单坡坡比(包括单坡高度)与平台宽度、数量,就有许多不同的组合模式。

基金项目:交通部西部重点交通建设科技项目(200131800020)

收稿日期:2007-03-26

　公路　2007年7月　第7期 HI GHWA Y　Jul.2007　N o.7　

表1　公路黄土路堑高边坡地质结构模型

地质结构模型分布地层结构水文地质条件不良物理地质现象

新黄土单一结构型

(Ⅰ)陕北、陇东黄土塬边及

梁峁、丘陵沟壑区

新黄土(Q3)顺坡堆积,厚度一般小于

15m,结构均一

地下水埋藏深

边坡顶部有陷穴或落水洞分

布,局部存在小崩塌

新老黄土组合型

(Ⅱ)陕北、关中、陇东、陇西

及晋西北等地区常见

新黄土漫覆于Q2老黄土之上,厚度3～

10m。其下为老黄土,含多层古土壤

地下水埋藏深,局部

见层间湿润带

边坡顶部有陷穴或落水洞,老

黄土坡面剥落较严重

老黄土单一结构型

(Ⅲ)陕北、关中、晋西北、宁

南及陇东地区常见

黄土与古土壤多层结构,含古土壤3～9

层,钙质结核较多,偶有钙板层

地下水埋藏深,局部

见层间湿润带

坡面剥落较严重,尤其是古土

壤剥落严重

老黄土与古黄土组

合型(Ⅳ)陕北、关中、陇东、陇西

和晋西北地区黄土塬

边及沟谷两侧

主体由Q2老黄土组成,Q1古黄土仅在

坡脚出露。其土质坚硬,含多层密集钙

质结核,偶有河流相砂砾层

地下水埋藏深,局部

见层间湿润带

整体稳定性较好,古土壤剥落

严重

老黄土与红粘土组

合型(Ⅴ)陕北、关中、陇东、晋西

北和陇西地区黄土塬

边及沟谷两侧

主体由Q2老黄土组成,三趾马红土

(N2)仅在坡脚出露。厚度变化大,富含

钙核。黄土与红粘土为不整合接触

地下水埋藏深,偶见

三趾马红土顶面有泉

水出露

若三趾马红土顶面有泉水出

露,则边坡稳定性差,可产生

滑坡

黄土与基岩组合型

(Ⅵ)陕北、陇西、晋西北和

河西走廊地区黄土塬

边及沟谷多见

主体由新、老黄土组成,砂、页岩层多位

于坡脚,产状近水平。黄土与基岩为不

整合接触

地下水埋藏深,偶见

砂、页岩顶面有地下

水溢出

若黄土与基岩接触面有地下

水溢出,则边坡稳定性差,可

产生较大规模滑坡

新黄土与阶地冲积层组合型(Ⅶ)关中、宁南、晋西北及

陇西地区的河谷两侧

高阶地

上部为新黄土(Q3),其下为Q2冲积粉

土和砂砾石层

偶见冲积砂砾石层中

有地下水溢出

新黄土具湿陷性,边坡顶部往

往有陷穴或落水洞,坡面剥落

较严重

老黄土与红粘土及基岩组合型(Ⅷ)陕北、陇东、陇西、晋西

北和河西走廊地区黄

土塬边及沟谷两侧

主体由Q2老黄土与三趾马红土(N2)组

成,基岩仅在坡脚出露。厚度变化大。各

层为不整合接触

地下水埋藏深,偶见

砂、页岩顶面有地下

水溢出

若基岩顶面有地下水出露,则

边坡稳定性差,可产生较大规

模滑坡

但组合的原则必须满足以下条件: 减轻坡脚压力,提高坡体的整体稳定性,特别是在高烈度地震地区; 应注意与坡体支挡防护、截排水工程的协调一致。

(3)坡高,指单级坡高。调查分析表明,单级坡高与单坡坡比、黄土工程特性、年降水量这三者之间有较为密切的函数关系。例如:坡度缓、坡高较高、年降水量大时,坡面冲刷就比较强烈;如果坡度陡、坡高较高、黄土的地层岩性较差,则边坡的稳定性差。

2.2　不同坡型边坡稳定性及应力应变分析

2.2.1　不同坡型的边坡稳定性

为了研究不同坡型组合情况下边坡的稳定性,选取两个典型黄土路堑高边坡,在总坡比一定时,以“宽台陡坡”的设计方案重新对原坡型进行设计并进行稳定性计算。计算方法选用基于极限平衡理论的Bisho p条分法、考虑黄土裂隙的裂隙圆弧法和考虑边坡土性参数变异性的可靠性分析法,计算结果见表2[2]。

由表2可以看出,原始设计坡型计算结果处于极限平衡状态,有的甚至处于破坏状态,与现场调查的情况基本一致。而重新设计的宽台陡坡型坡型,其计算结果基本上满足高等级公路对边坡稳定性的要求。笔者大量试算结果发现,在总坡比一定时,宽台陡坡型更适合黄土路堑高边坡对稳定性的要求,且平台对边坡稳定系数的影响,随着平台宽度的增大而增大,而且其位置设在坡高的中部最有利于边坡的整体稳定性,这与文献[3]研究结果一致。

2.2.2　不同坡型边坡的应力应变分析

为了揭示边坡在不同坡型下应力及变形特征,尤其是宽台陡坡型中的宽平台对边坡应力分布和变形上的影响,笔者选取坡高为60.0m的路堑边坡进行有限元分析。单级坡高采用8.0m,平台宽度采用单一小平台型及小平台与大平台组合型。单级坡比采用单一1∶0.5坡比,或1∶0.5和1∶0.75组合形成下陡上缓型。其剪应力云图如图1和图2[4]所示。

由图1和图2可以看出,坡体中部设置宽平台对改变剪应力重分布有着较大影响,它将坡体分为两个相对独立的坡段(上、下段),上下段的应力分布特

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　2007年　第7期 高德彬等:公路黄土路堑高边坡坡型选择研究