高速公路坡度及護坡設計研究

霍紅星

摘 要：【目的】高速公路坡度及護坡設計直接關系到公路的安全性，所以需要對高速公路坡度及護坡設計進行研究?！痉椒ā客ㄟ^對坡道進行實地考察，收集相關數據，利用計算機仿真技術，研究如何在坡道坡度及護坡設計中改善道路的安全狀況?！窘Y果】研究結果表明，通過合理有效的設計，可以提高公路的安全性，降低交通事故率?！窘Y論】研究成果可為類似工程設計提供一定的參考。

關鍵詞：高速公路；坡度；護坡；設計

中圖分類號：U416.3? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）04-0075-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.04.014

Research on Slope Gradient and Slope Protection Design of

Expressway Slope

HUO Hongxing

（Shanghai Tianyou Engineering Consulting Co.， Ltd.， Shanghai 200092， China）

Abstract： [Purposes] The slope and slope protection design of the expressway is directly related to the safety of the highway， so it is necessary to study the slope and slope protection design of the expressway. [Methods] Through on-the-spot investigation of ramps， relevant data were collected， and computer simulation technology was used to study how to improve the safety of roads in ramp slope and slope protection design. [Findings] The research results show that through reasonable and effective design， the safety of highway can be improved and the traffic accident rate can be reduced. [Conclusions] The research results can provide some reference for similar engineering design.

Keywords： expressway; slope; slope protection; design

0 引言

高速公路基礎回填方法施工存在極大的不確定性，因此，邊坡回填方法施工中的病害事故時有發生。有的病害情況出現在施工過程中，有的病害情況發生在經營期內［1］，這些病害情況的發生往往與地理條件復雜、設計缺乏充分考慮、施工質量不達標等因素有關。本研究基于多年的勘察設計經驗和高速公路填方工程實踐，提出一些高速公路邊坡坡度及護坡設計優化措施和建議。

本研究采用正交設計思想，進行數值模擬試驗，對斜坡路基的力學性能進行研究，以明確各設計參數對斜坡路的作用程度，并運用回歸分析方法給出斜坡路基強度折減系數的計算結果。通過對嵌巖樁進行穩定性分析［2］，深入了解樁基在各種長細比及橫向水平力條件的受力特性，以及側向山體壓力對路基設計內力、變化和安全性的作用，為高速公路邊坡的工程設計提供參考。

1 邊坡穩定性分析

基于強度折減理論，本研究提出了一種新的方法來解決路基負荷影響下邊坡的穩定性評估難題，能較好地反映邊坡應力應變分布，并且將塑性區能否貫穿當作證明邊坡安全系數的重要準則，為復雜邊界下邊坡穩定性評估提出了一種新的思路和辦法［3］。

高速公路邊坡填方路基的病害可能會導致路基滑移，甚至導致工程滑坡事故。其中縱向裂縫和錯落（差異沉降）等是最常見的病害。高速公路邊坡路基開裂或滑移的原因具體包括：①由于邊坡表面覆蓋層土體與基石面之間存在透水性，地下水活動會導致邊坡路基的下滑；②由于邊坡地面巖層的軟硬度不同，其軟弱面會隨著路基的傾斜而發生變化，從而導致地面和路基滑移；③疏松泥沙濕度很高，若未采取有效的防護措施，這些泥沙填補到邊坡的頂部，使邊坡的高度增加，更易引起滑移［4］；④由于邊坡地基處在半填半挖的狀態，差異下沉會導致路面出現裂縫；⑤由于邊坡基礎上緣坡面匯水范圍較大，即使采取了截水和路基排水溝等防護措施，但地表水仍然可能滲透到基礎或覆蓋土壤內，從而導致整個路基基礎變化或滑移；⑥由于不當的負荷加載，使得原有的坡度失去自然平衡，從而導致邊坡發生破壞，甚至出現滑坡現象；⑦由于護坡路基填料的選用不合理以及道路邊界夯實度不足，使得邊坡對季節變化極為敏感，如果坡面沒有進行封閉處理，雨天邊坡經雨水滲透，會在距離道路邊緣1.0～2.5 m區域內出現縱向裂縫。為了防止高速公路邊坡填方路基病害的發生，應從多個角度著手優化設計方案，包括強化填方體與道路的連接、改進排水系統、減小填方高度、增加填方體的安全性等［5］。

經過多年的研究和實踐，采取的公路邊坡填方工程主要優化措施包括：在天然土層上開挖平臺，在表層進行換填，并鋪上土工格柵，建立地上地下防滲排水盲溝；使用土工布預制塊擋土墻，并且選擇合適的填料，以確保邊坡的穩定性和安全性。

2 公路邊坡設計

2.1 設計過程

為了確保公路“平包豎”線形組合設計原則的實現，本研究以兩條豎曲線道路設計為例，其中一條設置在平曲線上，另一條則采用合理的縱坡，并且精確控制土石方的填挖，最終確定兩條豎曲線的設計高程。

2.2 變坡點設計

變坡點指的是路線縱斷面上兩相鄰坡度線的相交點，具體如圖1所示。

2.2.1 變坡點Ⅰ的計算。在K1+370樁號處，豎曲線為凸形，其高程為101.5 m，半徑為5 500 m，i1為0.583 9%，i2為-2.247 2%。通過計算得到曲線變化率w的值為-2.831 1%，曲線長L為155.711 m，切線長T為77.855 m，外距E為0.551 m。起點樁號為K1+292.145，起點高程為101.05 m，終點樁號為K1+447.855，終點高程為99.75 m。以K1+300為例，由于該點位于豎曲線上，因此需要計算切線高程和設計高程。首先根據橫距X和豎距Y計算出該點的切線坡度，然后利用起點高程、切線坡度和橫距X計算出該點的切線高程，最后再加上豎曲線產生的高差即可得到該點的設計高程。經過計算，該點的切線高程為101.091 m，設計高程為100.086 m，具體見表1。

2.2.2 變坡點Ⅱ的計算。變坡點[Ⅱ]位于樁號K3+150，高程為61.5 m，半徑為12 000 m，i2為-2.247 2%。通過計算得到曲率變化率w的值為2.974 37%，表示該豎曲線為凹形，曲線長L為356.916 m，切線長T為178.458 m，外距E為1.327 m。起點樁號為K2+971.542，高程為65.51 m；終點樁號為K3+328.458，高程為62.80 m。以樁號K3+000為例，其橫距X為28.458 m，豎距Y為0.034 m。根據這些數據計算該點的切線坡度，并結合起點高程和橫距X計算該點的切線高程。最后，將豎曲線產生的高差加上切線高程即可得到該點的設計高程。經過計算，該點的切線高程為64.871 m，設計高程為64.905 m。

3 邊坡路基橫斷面布置數值模型

路基橫斷面布置設計曲線超高為2%～3%，并且要求曲線半徑大于250 m，不設加寬。路基總寬度為24.5 m，其中行車道寬度為15.0 m，中間帶寬度為3.0 m，其中包括中央分隔帶寬度2.0 m和左側路緣帶寬度1.0 m，硬路肩寬度為5.0 m，土路肩寬度為1.5 m。此外，路面橫坡為2%，硬路肩橫坡為4%，土路肩橫坡也為4%。

荷載條件選用壓強和位移加載法，并通過降溫加載法對混凝土結構施加預應力。在施加預應力過程中，需要對網格劃分的各個節點進行降溫，以模擬不同位置處的預應力損失。同時，在對整個結構施加壓強時，根據等效荷載法對結構底面施加向上的分力。具體而言，對于該混凝土結構，采用一系列計算方法來優化結構設計，以保證其安全可靠。此外，結構所承受的荷載也會在設計過程中被充分考慮。公路邊坡路基橫斷面示意如圖2所示。

4 路面設計

4.1 設計資料

路面由二至三層構成，其中三層瀝青面層厚度為16 cm，表層使用細粒式密等級配置水泥瀝青水泥（厚4 cm），中央層使用中粒式密等級水泥瀝青水泥（厚5 cm），下部則使用粗粒式密等級水泥瀝青水泥（厚7 cm）。材料的抗壓模量和劈裂強度見表2。需要注意的是，石灰土的厚度未給出。在設計中，需要綜合考慮該路段的水文地質條件、交通量、車輛類型、道路等級規范要求等因素，確定最終路面結構方案，并保證路面質量和安全性。

4.2 確定設計指標

4.2.1 計算設計彎沉值。該高速公路采用面層系數為1.0的瀝青混凝土作為路面材料，半剛性基層和底基層總厚度大于20 cm。彎沉值是指車輛荷載作用在路面上引起的路面下沉量，可根據公路等級系數計算設計彎沉值。在道路設計中，需要考慮彎沉值是否符合規范要求。具體計算方法因不同國家或地區規范而異，一般涉及路面結構層厚度、路面材料特性參數（如抗壓模量、劈裂強度等）、荷載頻率和強度等因素，具體為：[ld=600N-0.2eACASAB=600×8 202 643-0.2×1.0×1.0×1.0=24.85（0.01 mm）]。

4.2.2 計算各層材料的容許層底拉應力。具體見式（1）。

σR = σsp / Ks? （1）

式中：σsp采用極限劈裂強度；Ks為抗拉強度結構系數。

細粒式密集配瀝青混凝土：Ks = 0.09·Aa·Ne0.22 / Ac = 0.09 × 1.0 × 8 051 3030.22 / 1.0 = 2.98，σR = σsp/Ks = 1.4/2.98 = 0.470 5 MPa。中粒式密集配瀝青混凝土：Ks = 0.09·Aa·Ne0.22 / Ac = 0.09 × 1.0 × 8 051 3030.22 / 1.0 = 2.98，σR = σsp/Ks = 1.0/2.98 = 0.336 1 MPa。粗粒式密集配瀝青混凝土：Ks = 0.09·Aa·Ne0.22 / Ac = 0.09 × 1.1 × 8 051 3030.22 / 1.0 = 3.27，σR = σsp / Ks = 1.4/2.98 = 0.470 5 MPa。水泥穩定碎石：Ks = 0.35·Ne0.11/Ac = 0.35 × 8 051 3030.11 / 1.0 = 2.01，σR = σsp / Ks = 0.5 / 2.01 = 0.248 5 MPa。石灰土：Ks=0.45·Ne0.11/Ac=0.45[×]8 051 3030.11/1.0=2.59；σR = σsp / Ks = 0.225/2.579 = 0.087 0 MPa。

4.3 設計資料總結

相關設計資料的匯總見表3，設計彎沉值為24.85（0.01 mm）。

4.3.1 填方路基。當回填高程H≤8.0 m時，填土邊坡坡率應采取1∶1.5以保證填土的高度穩定和安全。

4.3.2 挖方路基。經過對全線巖土類型、物理力學特性、水文要求、山勢地貌、已建路基開挖坡度及其穩定性狀態進行詳細調查，本段隧道一般情況下采用1∶0.5～1∶1的比例，以確保安全性。挖方邊坡的高度在8.0～10.0 m之間。如果上層山坡有較大的匯水范圍，應在切坡口外至少5.0 m處設置攔洪溝，并利用急流槽或邊溝將水導入排水溝或自然水溝。

4.3.3 斜（陡）坡路堤的加固。為了有效抑制陡坡路堤的地基不均勻沉降和橫向滑動，采用以下方法：當地表橫坡陡于1∶5時，應先在基礎上清理遮擋層，而后在基巖上開鑿反相階梯，階梯長度不宜低于2.0 m，以便填筑路堤。如果路堤處于陡坡上，且無法填筑，則應根據實際情況設置護腳或矮墻。當陡坡路堤坡腳處靠近農田時，應采取軟基或過濕土的措施，必要時可采用反壓護坡以確保安全。當水田地段的回填標高超過10 m時，如果地基下部軟基不能完全去除，應在下部設計4～6層土工格柵；而當坡度超過15 m時，則應在路堤頂部敷設3～6層土工格柵，以確保路堤安全性。土工格柵的抗拉力必須達到50 kN/m，而且其伸長率不得低于3%。當發現路堤范圍內有泉眼或地下水出現時，應立即采取措施，如建造碎石盲槽或滲溝，將水導出路堤。

4.3.4 高邊坡穩定性驗算示例。某挖方邊坡里程樁號為K3+100，挖方高度為12.98 m。路基填土為砂土，挖方邊坡土為黏性土。該黏性土的黏聚力為18.7 kPa，內摩擦角尚未給出明確數值，挖方邊坡的設計比例為1∶0.5。在進行邊坡設計時，需要考慮多種因素，如土體類型、地形地貌、氣候水文等情況，以便選取合適的邊坡類型和穩定措施。驗算過程：由tan α=1∶0.5得，cot α=0.5，則α=26°57′。csc α=1/sin α=1/sin26°57′=2.21。而f = tan φ= tan35°=0.700 2，[α0=2cγh=2×18.718×12.98] =0.172。把f，csc α，α0帶入式中，得Kmin =（2α0 + f ）cot α + 2[α0f+α0] csc α =1.31。因為Kmin >1.25，所以路基邊坡穩定。

4.4 路堤邊坡防護

當填方邊坡高度H≤4.0 m時，應采取綠化防護措施；當填方邊坡高度為4.08.0 m時，應采取三維網噴播植物綠化技術，并在其下方設置帶槽的拱形護坡，以保護邊緣免受破壞；當填方坡腳接近塘堰或水電站時，應采取實體護坡措施，以確保設計水位低于0.5 m的部分得到有效的防護；當山坡上的半填半挖道路的回填標高較低且坡度延伸較遠，無法完成填筑時，應采取護肩的措施來保護道路。

5 結論

隨著地球氣候變化的加劇，暴露在惡劣天氣條件下的高速公路可能出現嚴重的滑坡和崩塌。為了確保未來的高速公路安全可靠，必須采取有效的措施來防御這些災難。為此，應開展相關研究， 結合當前的氣候條件，進行科學的分析與評估，確保道路的安全可靠，最大限度地減少損失，實現可持續的社會和經濟效益。

參考文獻：

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