高速公路陡坡地基的桥梁与路基方案的比较研究

文/邹霖、唐云浩、苏开敏

1 陡坡地基的受力特点分析

1.1 陡坡路段地基承载能力分析

依托于理想弹塑性力学理论作为分析工作中的理论指导，引入有限元技术后，围绕地基承载力特性，并根据地基与基础的共同作用机制创建接触非线性计算模型，为地基承载力分析提供全新的思路。根据实际验算结果，证实了该方法的可行性，并用于陡坡地区路基性能分析工作中。现阶段，针对陡坡地区路桥基承载力问题的研究具有多样化，但缺乏明确的方法，因此需要选择多种设计参数，综合对比陡坡地区路桥基的受力情况，将其作为设计的基本依据[1]。

1.2 陡坡路段桥基稳定性分析

选取嵌岩桩作为分析对象，探讨在多种长细比工况下各自对应的受力特性，从路桥基内力、变形与稳定性三方面切入，分析横向山体荷载对各项指标产生的具体影响。同时，根据陡坡路桥基的基本特性，对比各设计参数下所带来的结构稳定性情况，提出桥基埋置的合适深度，以此为相关人员陡坡路桥基的设计工作提供参考。

1.3 路桥基荷载作用下陡坡稳定性分析

依托强度折减理论，引入改变步长搜索法，在其指导下分析边坡稳定安全系数，由此解决了常规二维平面的局限之处，在应用强度折减法时将其扩展到三维空间，更为全面地呈现出边坡应力分布特点，有助于陡坡稳定性分析。

2 陡坡区桥梁方案设计研究

山区高速公路桥梁建设过程中，上部结构普遍选择的是标准跨径形式，以T 梁居多；下部结构是桥墩桥台和基础，桥墩应用较为广泛的有柱式墩；桥台多选择重力式U 型桥台，部分情况下为肋板台。由于陡坡地段的特殊性，地质构造成为设计工作中重点考虑的内容，为协调与地形，左右幅可能采用不同的跨径甚至结构形式，部分情况下还将采取错幅布置方案。

由于地形原因，设置锥坡的难度较大，桥台需与挡土墙连接。若选择肋板台，在施工与后续使用中易出现开裂等质量问题，建议优先选择U 形桥台，并采用桩基础[2]。开挖时，陡坡施工易引发边坡失稳，桩基可起到减少开挖量的效果；另外，桥台布置要尽可能避免桥台过高的情况。陡坡桥梁桥墩设计中，桩基础是尤为关键的部分，受地形横坡变化幅度较大的影响，同幅的墩高和桩长各不相同。

从受力的角度来看，内外侧桥墩状态存在差异，部分设计方案中引入开挖平台，目的在于确保内外墩高度的一致性，此法在改善受力状况中具有较好应用效果，但弊端是易对环境造成不良影响，边坡受扰更为明显，由此表明在不稳定边坡地段中，此方法的适应性较差。

3 陡坡区路基方案设计研究

3.1 高速公路陡坡填方路基的病害

3.1.1 陡坡地基的特殊之处体现在覆盖土层和基岩面两方面，其均为稳定性不足的透水软弱面，在该处施工时路基易受到地下水影响，随之引发路基下滑问题。

3.1.2 陡坡地层构成较为复杂，具有岩层软弱相间的特点，因风化和地下水的双重影响，软弱面的路基易出现不同程度的滑移。

3.1.3 松散岩土堆积物偏多，由于缺乏合适的处治措施，在地面横坡较陡的施工条件下，路基边坡的临空面高度较大，此外封闭措施未到位，因此遇强降雨天气时会带来明显的地表水下渗现象，路基出现滑移。

3.1.4 陡坡布线方式特殊，部分线路穿越岩层构造交界区，该处的基本特点在于岩层软硬不均且为活跃的地下水活动区，因此易在丰水季节出现质量问题，如不均匀压缩而引发的沉降裂缝；因缺乏及时的处理措施，最终路基发生滑移。

3.1.5 由于半填半挖地段缺乏稳定性，该处的路基易引发差异性沉降，从而形成裂缝或是发生变形。

3.1.6 针对陡坡路基上缘坡汇水范围广的特点，尽管该处采取了防水沟防护措施，但受到地表水渗透的影响，地基与路基出现共同变形现象。另外，陡坡后缘处的加载作业存在盲目性，造成现场自然生态失衡，随之发生陡坡变形。

3.1.7 陡坡路基填筑所用材料不当，边坡易因季节的变化而产生不同程度的质量问题。若坡面封闭处理不当，遇持续性降雨时，填方边坡处易产生纵向裂缝，且主要集中于路基边缘相距1m～2.5m 的区域。

3.2 路基方案设计

基于陡坡地区的设计施工条件，有四类路基设计方案可供比较研究，见图1。诸如地形、边坡高度、自然条件等均是此类路基设计中的重点考虑因素，工作人员需根据实际情况选择相适应的路基形式。此外，施工人员有必要分析路基稳定性，辅以浆砌片石护肩、挡土墙等相关措施，确保路基的稳定性。

图1 陡坡路基断面典型形式示意图

针对半挖半填路基设计，基底部分宜优先选用挖台阶的方式，通过增强土工格室以达到提高路基稳定性的效果。挖方路基设计中，首先对路基适量超挖，并在此基础上再安排回填，以填土高度为基本参考，合理设置增强土工格室，提升路基的稳定性。

4 陡坡区半幅桥、半幅路方案设计研究

4.1 陡坡区半幅桥半幅路方案

如果陡坡区部分区域地质状况优良，尽管为陡坡地段，但允许在中央分隔带处施作挡土墙，此条件下以半幅路基、半幅桥的方案为宜，具体见图2。部分设计中还会选择整幅桥梁方案，具体见图3。相比之下，半幅路基、半幅桥施工所需的成本能够得到有效控制，经济效益更为可观。中央分隔带处挡土墙设计，根据陡坡地段的地质特点，墙身1.3m 以内为宜；若高度超过5m，施工材料为C25 片石混凝土；若高度在5m 内，此时推荐选用C15 片石混凝土或M7.5 浆砌片石。部分路段施工条件欠佳，挡墙基础开挖时易产生扰动，从而引发边坡失稳问题，此时以桩板式挡土墙的形式更为合适[3]。

图2 半幅桥、半幅路路基路方案示意图

图3 整幅桥梁方案示意图

4.2 陡坡区纵向桥梁方案

如果陡坡区为“V”形深谷，此条件下建议选择高架桥方案，可与山区特殊地形协调，施工中扰动性更小，有助于保护现场自然环境，并具备一定的防洪抗灾能力。由于边坡纵桥向较为陡峭，因此在设计时工作人员应重点关注边坡纵向稳定状况，若存在失稳边坡，则要采取合适的加固措施。此外，布跨时应注重对桥墩的设计，尽可能避免设置于谷底的情况，否则易受到滚石等自然灾害的威胁。

5 陡坡区路桥方案的比较研究及建议

5.1 方案比较研究

基于桥梁方案的应用，可提高陡坡路段施工的安全性，对周边环境破坏小，能够实现对自然环境的有效保护，且具有可观赏价值，但成本投入相对较多。桥墩与基础是重要结构，设计时所考虑的因素较多，工作人员要确保此类结构具有抵御滑坡等地质灾害的能力。路基方案的优势在于成本低、施工效率高，但其极容易破坏周边环境，在施工条件允许的前提下，分离式路基或错幅路基都具有可行性。

5.2 对于施工的建议

5.2.1 山区高速公路路基开挖过程中易产生大量的废方，而现场作业条件不良，弃土场相对较少，因此弃土常被抛弃在桥下。在陡坡地段中，大量的堆载易引发墩台位移现象，需尽可能杜绝此类弃土，以合理的方式处理。

5.2.2 陡坡路段环境下，为确保边坡开挖的稳定性，应遵循逐级开挖的原则，每结束一级开挖后均采取防护措施，并设置排水设施。

6 结语

山区高速公路建设领域，陡坡地段的施工难度较大，该处的路基及桥梁易发生不同程度的质量问题。对此，需根据陡坡路段的基本特点，考虑质量、安全、成本等方面的要求，在多种方案中比选，选择最合适的方案。而针对地质特殊复杂路段，工作人员应结合边坡坡度、路基高度等要素，灵活应用多种方案，通过交错布置的方式确保工程质量，实现人与自然环境的协调发展。