贵州红粘土边坡适用防护类型及合理坡率

 陈南  周勇  吴立坚

  (1．交通运输部公路科学研究所北京  100086；

2．贵州高速公路开发总公司  贵阳550000)

摘要  针对红粘土边坡适用防护类型及合理坡率的技术问题，采用简化Bishop法分析了高度在30 m以下的无防护边坡的安全坡率，对贵州省内多条公路红粘土边坡破坏情况进行了系统调研，对不同防护类型及坡率条件下边坡破坏情况进行了统计分析，确定了贵州红粘土边坡适用防护类型及对应的合理坡率。

关键词  边坡防护  红粘土  合理坡率简化Bishop法  骨架防护  护面墙防护

我国西南地区红粘土分布广泛，公路建设中存在大量的红粘土挖方边坡。红粘土边坡在自然环境中容易出现“渐进式”的溜塌、坍塌等破坏，对道路施工及运营安全造成不利影响。因此，对红粘土边坡必须采取合理的稳定及防护措施。红粘土边坡防护工程中，防护类型及坡率是工程人员最为关心的2个技术问题。防护过强则不经济，坡率太缓则征地比较麻烦；反之，又不能确保边坡的稳定安全性（见图1）。因此，需要对红粘土边坡适用防护类型及合理坡率开展研究。

 吴有林根据红粘土的室内试验结果以及红粘土的一般特性，对路基和边坡分别提出了相应的治理、防护措施。张涟英等在工程调查的基础上，分析了红粘土路堑边坡的坍塌破坏机理，得出了适合贵州高速公路红粘土边坡的稳定计算方法，并结合贵州高速公路的特点提出了高速公路红粘土边坡的防护设计比选方案，但对设计方案中防护类型及坡率的适用性并没有进行验证。王宏祥对几种传统的边坡防护技术进行了数值计算，分析了各种支挡结构形式、坡面防护的影响因素与加固作用机理，评估了现有防护方案对红粘土边坡的适用条件，但并没有分析每一种防护措施条件下红粘土边坡的安全坡率。

 确定防护类型及合理坡率是制定红粘土边坡防护策略的关键。本文针对贵州境内多条公路的红粘土边坡，采用理论计算结合工程验证的方法，确定红粘土边坡适用防护措施及合理坡率，从而为红粘土地区边坡防护工程提供依据。

1 无防护边坡安全坡率分析

 不采取任何防护措施的红粘土边坡在自然环境的扰动下极易发生失稳坍塌破坏。根据工程经验，无防护边坡需要采用较缓的坡率才能保证其整体稳定性。本文首先分析无防护红粘土边坡的安全坡率。

简化Bishop法是工程上应用最广泛的圆弧滑动极限平衡法，它假定滑裂面是圆柱面（剖面假设是圆弧）并且条间力的方向为水平方向，将滑动面以上的土体分成若干竖直土条后，可通过垂直方向力的平衡求条底反力，通过对同一点的力矩平衡求解安全系数。定义安全系数F。为滑动面上抗剪强度与实际产生的剪应力的比值，则安全系数的计算式为：

式中：F。为安全系数；c为粘聚力，妒内摩擦角；6：为土条宽度；W：为土条自重。

红粘土边坡的失稳破坏通常是环境因素影响下边坡一定深度范围内土体的工程特性（含水率变化、裂隙发育等）变化造成的。在Bishop法计算过程中如果采用地质勘测资料提供的红粘土天然状态下的强度参数是不合理的。这是因为降雨及渗透作用会引起浅层土体含水率增加，土体容重因此会发生急剧变化，对边坡的稳定性造成较大影响，因而必须考虑降雨人渗对土体自重W，的影响。基于保守原则本文将环境影响深度范围内的土体容重均取为饱和容重y，，即

采用文献[5]提出的扰动红粘土内摩擦角、粘聚力与含水率的关系式，根据现场实测边坡土体含水率统计最大值w。，计算出实际的c。及伽值作为Bishop法计算中的强度参数，安全系数计算式为

 然后，按照以下步骤确定红粘土边坡的安全坡率：①假定红粘土边坡处于破坏状态，滑动面位于环境影响深度H范围以内，本文根据文献调研结果，将H取为3 m;②假定滑体与边坡的连接作用完全丧失，然后将滑体与坡面之间的摩擦角够设为定值，使得计算出的安全系数F较小(F<1)，此时滑体与坡面之间还存在粘合作用；③逐步增加粘结力c值，采用本文提出的改进Bishop法计算安全系数，直至得到的安全系数F—1时，认为获得的强度指标为边坡破坏时的实际强度指标；④逐步减缓边坡的坡率，采用步骤③获取的强度参数计算安全系数，直至达到规范中规定的F=l. 25时得到的坡率即为最小安全坡率。

贵州红粘土边坡高度一般不大，30 m以上的高大边坡数量较少，本文将边坡高度假设为30m，坡比为1：0.7，摩擦角设定为29。，计算边坡稳定安全系数等于1时对应的强度指标，见表1。边坡稳定系数等于1时，对应的滑裂面位置见图2。

根据以上计算确定的强度参数为cp= 29。，c-11. 48 kPa，然后计算不同坡率对应的安全系数，见表2。安全系数与坡率（坡度）之间的关系见图3。根据两者的关系可以近似得到安全系数达到规范规定的F=l. 25时的坡率为1：1. 73。

 从安全系数与坡率的关系可以看出，随着坡率的减缓，边坡安全系数逐步提高；当安全系数F=l. 25时，对应的坡率(1：1.73)即为高度在30m以下无防护边坡的安全坡率。

2不同防护措施边坡的适用坡率分析

 以上分析了高度在30 m以内的红粘土边坡的安全坡率，实际上除了坡率、坡高的因素以外，红粘土边坡稳定安全性还与坡面防护的强弱密切相关。目前，贵州最常用的红粘土边坡防护类型主要有各类生物防护、各类骨架防护、各类护面墙防护以及各类挡墙结构。为了综合分析坡率、防护类型与边坡稳定安全性的关系，本文对贵州省境内的铜大路、凯麻高速、凯麻市政路、凯羊高速、厦蓉线丹寨连接线、厦蓉线水都高速、晴兴高速、汕昆线板江高速以及在建的余凯、凯羊高速共计94处红粘土边坡破坏情况进行了系统调研，对不同防护类型及坡率条件下边坡破坏情况进行了统计分析。由于冲刷、剥落、轻度溜方等表层破坏一般不会对工程造成显著影响，因此本文统计中所指的边坡破坏主要是指滑坡、坍塌等局部失稳破坏。

2.1  无防护边坡适用坡率

本次调研共有11处无防护边坡，不同坡率边坡及破坏边坡数的比例关系见图4。

 从图中可以看出，11处无防护边坡有7处发生了失稳破坏。坡率在1：0.5～11之间的裸坡有2处，均发生了破坏；坡率在1：1～1：1.5之间的有8处，其中5处发生了破坏；坡率在1：1.5以上的有1处，未发生破坏。调研结果说明，本文对无防护边坡安全坡率的计算结果是合理的。工程中对红粘土边坡进行防护治理是必要的，建议无防护边坡的坡率应当尽量放缓至1：1. 73以上。

2.2生物防护边坡适用坡率

 生物防护的边坡共27处，其中14处发生破坏，边坡坡率与破坏所占比例关系见图5。

 从图中可以看出，坡率在1:0.5～1：1之间的有6处，其中5处发生了破坏；坡率在1：1～1:1.5之间的有19处，其中8处发生了破坏；坡率在1：1.5以上的有2处，其中1处发生破坏。调研说明，生物防护对提高边坡稳定性的作用十分有限，对红粘土覆盖较厚的生物防护边坡建议同样应当放缓至1：1. 73以上。

2.3  骨架类防护边坡适用坡率

采用骨架防护（基本配合生物防护）的边坡总共有18处，发生破坏的仅有2处。坡率为1：0.5～1：1的边坡有4处，其中2处发生破坏；坡率缓于1：1的有14处，基本没有发生破坏，见图6。从统计结果可以看出，坡率陡于1：1时即便采用骨架护坡的方式仍然不能保证红粘土边坡的稳定安全，因此骨架防护边坡的适用坡率应当缓于1:1。

2.4护面墙类防护边坡适用坡率

采用护面墙防护类型的边坡共有23处，其中破坏的仅1处。坡率为1:0.5～1：1之间的护面墙防护边坡有8处，其中1处坍塌破坏；而坡率缓于1:1的边坡共有15处，无1处发生破坏，见图7。从分析结果可见，护面墙类防护对于提高红粘土边坡稳定安全性的效果非常好；当边坡坡率陡于1：1时而又不具备支挡加固条件时，建议采用满铺式护面墙进行防护。但是，必须指出的是护面墙防护对公路沿线的环境破坏非常大，建议工程中尽量少用、慎用，应当首先考虑对环境影响较小的防护类型（例如骨架十生物），并且设置合理的坡率，保证边坡的稳定安全性。

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3结论

 (1)从安全系数与坡率的关系可以看出，随着坡率的减缓，无防护边坡的安全系数逐步提高；当安全系数F=1. 25时，对应的坡率(1：1.73)即为高度在30 m以下无防护边坡的安全坡率。

 (2)调研结果说明，工程中对红粘土边坡进行合理的防护治理是必要的，无防护边坡的坡率应当尽量放缓至1：1. 73以上；生物防护对提高边坡稳定性的作用十分有限，红粘土覆盖较厚的生物防护边坡同样建议应当放缓至1：1. 73以上。

 (3)从破坏情况看，红粘土边坡骨架类防护的效果较好，坡率缓于1：1时基本可以确保边坡的稳定安全性，因此骨架防护边坡的适用坡率应当缓于1:1。

 (4)护面墙类防护对于提高红粘土边坡稳定安全性的效果非常好；当边坡坡率陡于1:1时而又不具备支挡加固条件时，建议采用满铺式护面墙进行防护。但是，工程中应当首先考虑对环境影响较小的防护类型（例如，骨架十生物）,并且设置合理的坡率，保证边坡的稳定安全性。