四川川北公路规划勘察设计有限责任公司628000
摘要：在道路路堑设计时，坡率法是路堑边坡设计时最常用的方法，该法不但造价相对低廉、技术较为可靠，而且施工比较方便、便于实施，施工条件较好的边坡场地宜优先考虑坡率法进行设计及施工。
关键词：岩土体；内摩擦角法；边坡坡率；优化设计
合理确定坡率的方法除了在工程地质类比经验总结与有限元分析等较复杂的数值模拟方法外，对于地层结构简单、岩土体性质变化不大且较均匀的土质或岩质边坡的整体稳定性分析评价时，最常用、最基本的方法就是岩土体综合内摩擦角φd法。下面就该法在广南高速公路广元连接线（万源至龙潭）K0+000～K0+200段左侧路堑边坡坡率优化设计中的应用进行介绍说明。
一、工点概况
广南高速公路广元连接线万源至龙潭段是2013年5月开工、2014年底交工的公路工程，路线全长11.31km,采用二级公路标准建设，设计时速60km/h，路基宽度12m，公路-Ⅰ级荷载标准。本文所介绍的边坡位于该段公路K0+000～K0+200段左侧的土质路堑上，设计为全断面开挖，设计挖深最大达22m,横断面上为3级边坡形式，平台宽度2m，最初设计坡比为第一级1:1、第二级1:1.25、第三级1:1.50。路基开挖工作于2013年6月初开始进行，2014年5月初边坡坡面及坡口平台地带出现开裂现象。
二、场地工程地质条件
（一）地形地貌
该路段大地貌单元处于四川盆地北部之弧形展布的低山丘陵河谷区，小地貌处于弧形山脉北东弧向东南弧过渡的山间河谷部位，场地位于河流右岸一级阶地后缘与坡地过渡地带,距离河边约120m，其原始地形为缓坡台地，地表受农耕活动影响呈梯坎状，植被发育；斜坡坡向约277°，坡度约10°。
（二）气象与水文
项目区位于四川盆地北部山区，属亚热带湿润气候带，气候温和湿润，雨量较充沛，四季较分明。据广元市多年气象资料统计，本区多年平均气温16.6℃，12月至次年2月为低温季节，最低温度-8～-10℃，6～9月为高温季节，最高温度38～41℃，多年平均无霜期285天；多年年平均降水量851.20mm，降雨多集中于5～9月；最大年降水量1178.6mm（1998年），最小年降水量653.8mm（1995年）；主导风向为偏北风，最大风速28.7m/s，基本风压0.35kpa。
场地附近有条季节性小河——万源河分布，该河为南河一级支流、嘉陵江二级支流，河流于场地西端约120米处自南向北流过，并于场地335°方位约1.0km处流入南河，属于典型的山区雨洪型河流，洪水突涨突落，历时较短，一般为单峰型洪水，年最大洪水发生时间与暴雨时间同步，洪水期水位暴涨，水体夹杂漂浮物下泄，冲刷强烈。
（三）地质构造与地震
本区处于四川盆地边缘弧形构造带（华夏式）内，断裂构造不发育，岩层呈单斜状产出，地质构造相对简单，属于地壳活动相对稳定区。该区地震设防烈度为Ⅶ度，峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期为0.40s。
（四）水文地质
场地地下水赋存于冲洪积形成的卵石土内，属于第四系松散堆积孔隙潜水；水位埋藏较深，低于路面标高约8.50m,补给来源主要为河水，其次为大气降雨，水量较丰富，渗透系数为80～85m/d。据《公路工程地质勘察规范》（JTGC20～2011）环境介质对混凝土腐蚀的评价标准，地表水及地下水对钢筋混凝土结构仅呈微腐蚀性，满足工程用水水质要求。
（五）地层及岩土参数
据本段路基的地质勘察资料可知，场地内第四系普遍分布，主要为崩坡积含碎块石粉质粘土，厚约15～17m，可塑至硬塑，中压缩性，含约10～20%砂、泥岩碎块石，为非膨胀性土壤，土质略均；该层之下为冲洪积稍密状卵石土，厚约1～2m。基岩为侏罗系中统沙溪庙组岩层，岩性为泥岩夹厚层或薄层泥质砂岩，埋深17～18m，基岩面坡度约5～6°，其强风化层厚约1.50～2.0m；岩层产状155°∠13°，岩层逆坡向产出，基岩面较缓。
据现场原位测试、室内试验资料可知，场地岩土层物理力学参数如下表：
表1粉质粘土物理力学性质统计表
（六）不良地质条件
据调查，场地及其附近无自然滑坡、崩塌、泥石流及采空区分布，自然稳定状况好。
三、综合内摩擦角φd法应用
（一）综合内摩擦角φd法
综合内摩擦角φd亦称等效内摩擦角，或称似内摩擦角，该法适用于岩土体性质变化不大、分布较均匀的土质或岩质边坡的整体稳定性分析评价，属于定性判断的范畴。由于此段路堑边坡全断面呈现土质较均匀、厚度大、基岩面缓倾、无不良结构面、岩土层均匀分布的基本特征，符合综合内摩擦角φd法的使用条件，综合内摩擦角Φd的计算公式推导如下：
因τ=σ*tan(φ)+c，τ=σ*tan(φd)则tan(φd)=tan(φ)+c/σ
因σ=0.5*γ*h*cos(θ)，则φd=atan(tan(φ)+2*c/（γ*h*cos(θ)）)
式中：τ——剪应力，σ——正应力，γ——容重（KN/m3）；
c——粘聚力（kpa），φ——内摩擦角（度）；
θ——岩土体破裂角，为45°+φ/2；
h——边坡最大高度,一般不得超过25m。
φd值计算结果，对于软岩、极软岩时因岩体的流变效应影响应对φd值进行适当折减。
稳定性判定标准如下：
当θ=φd时，边坡岩土体处于极限平衡状态；
当θ＜φd时，边坡岩土体处于整体稳定状态；
当θ＞φd时，边坡岩土体处于整体非稳定状态。
（二）计算结果及稳定性评价
将γ=21.18KN/m3、h=22m、c=33.50kpa、φ=12.20°带入上式进行计算，可知该段土质路堑边坡综合内摩擦角φd=19.90°。很显然θ＞φd，边坡岩土体处于整体非稳定状态。要保证该路堑边坡在施工或使用过程中不发生开裂或岩土体坍塌，设计时应使路堑边坡坡角不大于综合内摩擦角φd=19.90°。
（三）效果评价
该段土质路堑初拟设计情况为：设计挖深最大达22m,横断面上为3级边坡形式，第一级1:1，第二级1:1.25、第三级1:1.50，每级平台宽度2m，人工边坡综合坡比为1:1.45，路堑边坡整体坡度为35°，明显大于土体综合内摩擦角。项目开工后按此设计方案对路基进行了开挖，半年后于2014年5月初，边坡坡面及坡口地带出现开裂、局部岩土体滑塌现象（见照片1）。后对该段路堑边坡进行了较详实的岩土施工勘察工作，在准确掌握了主要岩土层物理力学参数后，采用slide6.0法、综合内摩擦角法对路堑边坡进行了稳定性定性、定量分析，得知该段土质路堑边坡变形主要为开挖坡比过大造成坡面岩土体浅层滑塌，并无连续性结构面整体失稳形成大范围滑坡的可能。并结合场地地形地质条件及21#规划道路设计情况，对抗滑桩加固方案与坡率法路堑方案进行了技术经济比较，鉴于21#规划道路路基还将存在土石方开挖情况，认为只要坡顶不存在较大规模的堆载、严重的施工扰动情况下，坡体整体仍较稳定。因此本着节约投资、施工方便、技术可靠的原则最终选择按综合内摩擦角φd=20°进一步放缓坡比，并调整了各级放坡坡率及平台宽度（见图1），业主按优化后的坡率方案进行了施工，经3年多的使用情况看，效果良好，边坡稳定（见照片2）。
照片1：施工期间边坡坍塌
照片2：竣工后3年外貌
图1：坡率优化前后对比图
结语：
本文对广南高速公路广元连接线新建工程万源至龙潭K0+000～K0+200段左侧路堑边坡坡率方案采用岩土体综合内摩擦角法的优化设计工作进行了介绍与经验总结。结果表明，综合内摩擦角法是确定均质岩土层路堑边坡合理坡率较可靠的方法，该法不仅计算过程简单，而且通过此法确定的路堑边坡的坡率方案具有安全稳定系数高、造价低及便于实施的优点，能够达到工程建设对“技术、经济、安全”的综合要求，在满足其使用条件情况下，可作为同类工程设计参考使用。
参考文献：
[1]陈鹏.公路顺层岩质边坡稳定及其影响因素分析[D].浙江大学,2012.
[2]方小强.邢汾高速路堑边坡坡率优化设计评估[D].河北工业大学,2014.
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