黄土地区高边坡设计案例分享
（1）高边坡基本情况
I.该段高边坡位于侵蚀堆积黄土梁峁区，自然斜坡高陡，自然斜坡平均坡度约为1:1.18，根据现场调查该段斜坡区域呈现西北地区典型的鸡爪型地貌，地表多为荒地，坡脚开挖用作农耕道路，根据现场走访外业调查并结合及地质调绘成果，未发现滑塌痕迹，斜坡现状稳定，仅暴雨期会出现小范围坡面冲刷导致的局部水土流失现象，本段地震峰值加速度为0.15g，位于VII度区。
II.本段线路走向约165°，根据高边坡特点，本段高边坡选取2处典型断面，共布设4个钻孔，取样31件，地勘成果显示两个断面揭示地层情况一致，本段高边坡主要岩土层分布情况如下：
1、第四系上更新统风积黄土（Q3eol）
分布于整个路堑区上部，岩性为粉土，孔隙发育，垂直节理发育。
2、第四系上更新统冲积黄土（Q3al）
分布于整个路堑区下部，岩性为粉土，具有层理。本次勘探深度范围内未揭穿。
根据高边坡岩土层分布情况综合判断其主要的潜在破坏模式为考虑黄土垂直裂隙高度的厚层风积黄土边坡圆弧形滑动破坏。
III.路堑区勘察期间未见地下水出露，天然边坡地势较高，坡面上一般难以形成积水，地表水主要接受大气降水的补给，大部分以坡面径流方式排泄坡下，少部分地表水下渗入土层后形成孔隙水。
IV.根据路线方案，本段高边坡沿线附近未有重要建筑物或构造物，该段右侧高边坡未发现黄土陷穴，对应左侧发育1处陷穴，陷穴平面形态呈近圆型等，剖面形态以垂直为主，侧壁局部已坍塌，直径约6-7m，出露地表，深度约2-3米。
（2）高边坡初拟坡形
黄土路堑边坡采用台阶形，优先遵循“陡坡率、宽平台、护坡脚”的设计原则，同时结合高边坡基本情况，本段高边坡设计坡形研究如下：
方案一：考虑陡坡率宽平台的常规形式进行放坡设计，除一级边坡坡率1：1.0其余各级边坡坡率为1:0.75，除3级边坡坡顶平台宽8m外其他边坡平台宽2m。
按照此方案最大边坡高度为101m，并且根据试算各计算工况均不能满足设计要求，其中天然工况仅，这说明按照常规一般高边坡设计无法满足该高边坡的安全稳定性。
方案二：由于定性判断现状斜坡稳定性较高，在方案一的基础上结合稳定性试算对边坡坡形进行优化，根据各断面具体情况尽量避免剥山皮，且保证高边坡的稳定性，对不同宽平台设置位置及不同宽度进行试算，最终确定在6级边坡处设置20m宽平台旨在将边坡整体分为上下两部分，在3级边坡处设置10m宽平台，其他边坡坡率及平台设计与方案一相同，经计算稳定系数满足设计要求，但边坡最大坡高超过120m，且仍无法避免剥山皮的情况。
结合方案一和方案二，充分考虑既有斜坡的坡形及稳定情况，根据《公路边坡防护设计安全提升工作指引（试行）》8.2.3条，对于自然斜坡地形较陡的高边坡，在确保单级边坡安全的前提下可适当放陡，山体开挖应避免削皮式边坡，结合锚固等措施加强设计。因此根据前期试算综合推荐方案三：
一级至五级边坡坡率1:0.75，坡高8m，五级处设置8m宽平台外其他平台均为2m，六级以上按照6m一级，三级一处8m宽平台进行设置。采用本方案大部分边坡高度均在40m以下，如K146+100断面原来需十几级贴山皮收坡的断面现在仅需要四级，通过对一级、二级边坡设置锚杆框架梁加固，确保边坡满足规范安全系数要求。
（3）各设计工况参数的选取
根据《公路工程抗震规范》8.2.2，设计基本地震动峰值加速度大于或等于0.20g地区的高速公路，挖方高度超过20m时应进行地震工况下边坡稳定性分析。因此，本段高边坡主要考虑的工况有：
I.天然工况；
II.暴雨或持续强降雨工况；
III.地震工况（由于本段属于七度区按照规范不需要进行地震工况验算，但由于本段高边坡上部边坡高陡，因此兼顾地震工况综合确定设计方案）。
I.天然工况采用天然参数进行计算；
II.地震工况与暴雨/持续强降雨工况统一采用饱和参数进行计算，其中地震工况因考虑采用天然参数时的稳定性能否满足《公路工程抗震规范》8.2.5的要求。
对于厚层黄土高边坡，暴雨或持续降雨作用下往往发生浅层滑塌破坏，根据《公路边坡防护设计安全提升工作指引(试行)》7.2.5，边坡浅层稳定性计算应考虑地表水或降雨入渗影响，坡面饱和土深度宜根据土质、渗透性和降雨强度等因素利用软件计算或通过试验确定，无试验资料时可取3~5m。因此暴雨工况下时还应检验黄土边坡浅层稳定性。另外，设有大平台的深路堑，除应对整个边坡采用裂隙圆弧法进行稳定性计算外，尚应对大平台毗邻的上下分段边坡进行局部稳定性计算。
综上，高边坡稳定性计算时应该考虑的3大工况下应细分为7个子工况：
I.天然工况应考虑3个子工况，验算裂隙圆弧法下边坡稳定性，同步验算开挖临时稳定性与边坡局部区域稳定性，其中临时稳定性通过整体稳定性与可能得局部区域稳定性对比验证即可。
注：为全面分析局部与整体稳定性，本次高边坡计算滑动面搜索法采用综合智能搜索算法，首先由遗传算法进行全局搜索（交叉变异的全局进化搜索）然后再采用布谷鸟算法对遗传算法搜索出的危险滑动面进行复核，并同时对局部进行二次跳跃式搜索，确保所有的最不利滑动面均能搜索到；最后采用灰狼算法进行精确搜索求解，通过极强的局部收敛能力精确锁定最小Fs。
II.暴雨工况应考虑2个子工况，同步验算浅层滑塌稳定性（饱和参数不考虑裂隙高度）及裂隙圆弧法下边坡稳定性；
III.地震工况应考虑2个子工况，同步验算饱和参数与天然参数下的边坡稳定性。
（4）各设计工况安全系数的选取
结合高边坡特点，各设计工况安全系数确定如下：
I.天然工况安全系数为1.20；
II.暴雨工况安全系数为1.10；
III.地震工况（饱和参数）安全系数为1.05，地震工况（天然参数）安全系数为1.15。
另外高边坡的临时稳定性应满足Fs≥1.05的要求。
（5）定量评价分析方法
根据《黄土地区公路路基设计与施工技术规范》（JTGT D31-05-2017 ）5.4，采用圆弧裂隙法进行稳定性计算，主要步骤如下：
（1）根据5.4.2计算边坡土体最大直立高度(hg)max，如果坡顶倾斜应采用朗肯修正法进行计算；
（2）根据边坡高度H选取裂隙深度h0：当(hg)max≤0.5H时，取h0=(hg)max;当(hg)max >0.5H时，取h0=0.5H；
（3）将h0高度内的土体当作静载荷均匀施加于其下部土体上，不计坡顶裂隙段的抗剪强度，其下部土体稳定性仍按简化Bishop方法计算。
（4）设有大平台的深路堑，除应对整个边坡采用裂隙圆弧法进行稳定性计算外，尚应对大平台毗邻的上下分段边坡进行局部稳定性计算。局部稳定性计算方法可视情况采用简化Bishop方法，当稳定系数不满足设计要求时，可采用不平衡推力法（显式）进行剩余下滑力计算，或由Bishop法直接反算确定支挡措施设计锚固力。
（5）简化Bishop法应综合同时考虑裂隙充满水的水平向压力及滑动面贯通饱水或部分饱水的情况，公式进一步完善。
（6）典型断面的选取
关于典型断面的选取，典型断面代表整段高边坡的特征，可作为最不利断面或者可以代表其他断面，如有不相同的地质断面情况，应选取不同区域的典型断面进行分析。
本段高边坡根据地质复杂程度及长度布设2条地质断面，综合选取典型断面K146+100建立模型进行计算。充分考虑可能的滑动面尺寸效应问题，经过试算确定高边坡模型建立如下：
（7）参数选取
采用极限平衡法分析边坡稳定性时主要的岩土体物理力学参数有密度、黏聚力、内摩擦角，根据规范规定，岩土体抗剪强度取值宜根据室内试验资料、监测成果反分析、极限平衡反算值、工程地质类比和当地经验综合确定分析，结合该段边坡特点及地区经验，根据钻探取样试验成果结合现场实际情况，依据有关规范、规程，综合确定抗剪强度参数。
各主要岩土层的力学指标如下表：
（8）各工况下边坡稳定性分析
I.建立模型采用圆弧裂隙法进行稳定性计算，根据5.4.2计算边坡裂隙高度为5.8m；
II.将h0高度内的土体当作静载荷均匀施加于其下部土体上，不计坡顶裂隙段的抗剪强度，其下部土体稳定性仍按简化Bishop方法计算，经计算天然工况下稳定系数为1.211＞1.20，同时满足临时开挖边坡稳定性要求；暴雨工况稳定系数为1.067＜1.10，地震工况（饱和参数）稳定系数为1.023＜1.05，地震工况（天然参数）稳定系数为1.109＜1.15，不能满足设计要求；
因此对一级二级边坡施加锚杆框架梁加固，每根锚杆与水平面夹角为25°，锚固力为120kN，间距2.8m。
加固后天然工况下稳定系数为1.273≥1.20，同时满足临时开挖边坡稳定性要求；暴雨工况稳定系数为1.107≥1.10，地震工况（天然参数）稳定系数为1.169≥1.15，地震工况（饱和参数）稳定系数为1.078≥1.05，均满足设计要求。
III.对高边坡采用简化Bishop方法进行天然工况下局部稳定性验算，稳定系数为1.4267，满足设计要求。
IV.结合项目特点及工程经验，对此高边坡考虑3m入渗深度下的高边坡浅层滑塌稳定性分析，在3m入渗范围采用饱和参数，经计算稳定系数为1.1772，满足设计要求。
综上，本高边坡各工况下稳定系数均满足设计要求，因此拟采用方案合理。
防护方案为：一级、二级边坡设置锚杆框架梁防护、三级及以上边坡开挖刷坡后裸 露，同步做好排水设计。
为保证黄土地区锚杆成孔质量，保证锚杆锚固力效果，采取如下施工手段：
I.成孔工艺。成孔不得加水钻进，在成孔时采用套管跟进，套管外径采用φ114mmDZ40无缝钢管，边拔套管边高压注浆。钻进过程中应对每孔地层变化、钻进速度、漏风、反渣、地下水情况以及其他特殊情况作现场记录；
II.注浆工艺。注浆采用水泥砂浆，水灰比建议0.4-0.45，灰砂比1:1，砂浆体强度不应低于30Mpa，为保证注浆质量，必须采用二次注浆（包含初凝前的孔口补浆及二次高压劈裂注浆）。
