巖質(zhì)公路邊坡防治設(shè)計(jì)及合理性評(píng)價(jià)

摘 要：為有效保障公路邊坡的安全運(yùn)營(yíng)，該文以某巖質(zhì)公路邊坡為實(shí)例背景，先開展其防治措施設(shè)計(jì)，再通過層次分析法、專家法等構(gòu)建邊坡防治的合理性評(píng)價(jià)模型，以分析防治措施準(zhǔn)確性。分析結(jié)果表明，在邊坡基礎(chǔ)地質(zhì)條件下，邊坡防治措施設(shè)計(jì)為坡面處理+格構(gòu)錨桿，即先按照設(shè)計(jì)要求對(duì)邊坡進(jìn)行開挖，并在完成坡面處理后，再進(jìn)行格構(gòu)錨桿施工，以實(shí)現(xiàn)坡面防治，并且采取防治措施進(jìn)行計(jì)算和分析，驗(yàn)證了各類措施是合理有效的；同時(shí)，通過邊坡防治措施的合理性評(píng)價(jià)，得到邊坡的合理性得分為85.62，對(duì)應(yīng)等級(jí)為Ⅳ級(jí)，說明邊坡防治設(shè)計(jì)很好，能充分滿足防治要求，為類似工程施工積累了一定經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：公路邊坡；防治設(shè)計(jì)；層次分析法；合理性評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：U 213" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在公路交通建設(shè)的快速發(fā)展過程中，受地形地貌條件限制，會(huì)形成較大規(guī)模的邊坡，且為保證其安全運(yùn)營(yíng)，開展其防治設(shè)計(jì)研究是十分必要的[1-2]。在以往研究過程中，鄭清松等[3]分析了復(fù)雜條件下的邊坡支護(hù)技術(shù)；彭韋等[4]研究了生態(tài)防護(hù)技術(shù)在公路邊坡中的應(yīng)用效果；黃鋒等[5]評(píng)價(jià)了公路邊坡的支護(hù)穩(wěn)定性。上述研究為公路邊坡防護(hù)提供了一定的指導(dǎo)思路，但均未系統(tǒng)性綜合開展公路邊坡防治設(shè)計(jì)及合理性評(píng)價(jià)，因此，仍可進(jìn)一步擴(kuò)展研究范圍。

綜合上述，該文以某巖質(zhì)公路邊坡為實(shí)例背景，先開展其防治措施設(shè)計(jì)，再通過層次分析法、專家法等構(gòu)建邊坡防治的合理性評(píng)價(jià)模型，以分析防治措施的準(zhǔn)確性，旨在為類似項(xiàng)目積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 基本信息

邊坡是由公路修建形成的，此公路為高速公路邊坡，隸屬廣西東部山嶺重丘區(qū)，設(shè)計(jì)速度為120km/h，停車視距為130m，曲線最小半徑為1000m，最大縱坡極限值為6%。

經(jīng)公路修建，形成邊坡形態(tài)大致為“舌狀”（如圖1所示），縱向長(zhǎng)度約80m，橫向?qū)挾燃s200m，前、后緣高差近28m，屬人工高邊坡。

根據(jù)勘察成果，邊坡區(qū)具丘陵地貌，地形波動(dòng)起伏較大，且區(qū)內(nèi)地層相對(duì)較為單一，其中，地表主要是厚度為0.5m～1.0m的耕土層，巖性主要為粉質(zhì)黏土，可塑～硬塑，局部含有角礫，含量一般少于10%，磨圓度相對(duì)較差，多為次棱角狀；下覆基巖主要為砂巖，強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化，淺部節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯多為柱狀，局部為塊狀，完整性整體較好。

1.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

結(jié)合前述邊坡穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)及定量評(píng)價(jià)結(jié)果，得出邊坡整體均處于穩(wěn)定狀態(tài)，但受風(fēng)化暴露影響，地表巖體風(fēng)化程度較高，如果不及時(shí)采取防治措施，就會(huì)存在局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。因此，建議加快邊坡防治方案的落實(shí)，以確保安全。

1.3 邊坡變化趨勢(shì)及危害性預(yù)測(cè)

目前，受坡體巖性影響，如果不及時(shí)采取防治措施，在未來持續(xù)暴雨作用下，存在局部失穩(wěn)可能，甚至巖體繼續(xù)風(fēng)化后，可形成貫穿裂隙，造成大面積失穩(wěn)。

如果該段邊坡失穩(wěn)，主要威脅前側(cè)道路，威脅長(zhǎng)度約200m，一旦發(fā)生失穩(wěn)，易造成嚴(yán)重后果，因此，必須對(duì)該邊坡進(jìn)行防治處理，以保障后續(xù)運(yùn)營(yíng)安全。

由于該邊坡的威脅對(duì)象是運(yùn)營(yíng)公路，危害性相對(duì)較大，因此采取防治治理措施是十分必要和較緊迫的。

2 邊坡防治設(shè)計(jì)

2.1 防治措施設(shè)計(jì)

在此邊坡基礎(chǔ)地質(zhì)條件下，將邊坡防治措施設(shè)計(jì)為坡面處理+格構(gòu)錨桿，即先按照設(shè)計(jì)要求對(duì)邊坡進(jìn)行開挖，并在完成坡面處理后，再進(jìn)行格構(gòu)錨桿施工，以實(shí)現(xiàn)坡面防治，如圖2所示。

結(jié)合工程實(shí)際，此邊坡的坡面處理主要采用分級(jí)放坡處理。1）共計(jì)設(shè)計(jì)4級(jí)放坡，其中，一級(jí)邊坡位于最低端，坡率設(shè)計(jì)為1∶0.25，垂直高度10m；二級(jí)邊坡坡率設(shè)計(jì)為1∶1，垂直高度10m；三級(jí)邊坡坡率設(shè)計(jì)為1∶1，垂直高度10m；四級(jí)邊坡坡率設(shè)計(jì)為1∶1，垂直高度10m。2）格構(gòu)錨桿。在坡面整理后，在整理完善的地表上做格構(gòu)錨桿，其中，格構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)為2.5m×3.0m，其錨桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為13m，中部為1根直徑26mm的鋼筋，等級(jí)設(shè)計(jì)為HRB335級(jí)；格構(gòu)梁設(shè)計(jì)為40cm×40cm，配置4根直徑22mm的鋼筋，其等級(jí)也為HRB335級(jí)，且其箍筋間距設(shè)計(jì)為30cm，所用鋼筋直徑為14mm。

在上述防治設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，再將必要防治建議介紹如下：由于剛進(jìn)入雨季，降雨會(huì)進(jìn)一步侵蝕坡體表面巖層，因此，開展該段邊坡防治處理的必要性顯著，且十分緊迫，建議盡快開展防治方案的制定及實(shí)施。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，在邊坡各級(jí)馬道臨時(shí)設(shè)置的截排水溝中存在一定量的泥土淤積，一定程度上影響其排水，建議進(jìn)行疏導(dǎo)，保證截排水順暢。由于坡體基巖的抗風(fēng)化能力較差，遇水易軟化，建議采取必要措施，保證坡體基巖的完整性，避免形成貫穿裂隙。

2.2 防治措施計(jì)算分析

按照此邊坡防治思路，對(duì)坡面處理、格構(gòu)錨桿的設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行計(jì)算分析。

2.2.1 坡面處理計(jì)算分析

當(dāng)采取坡面處理后，再進(jìn)一步利用圓弧法開展邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，坡面整理主要是為了保證邊坡穩(wěn)定，其穩(wěn)定系數(shù)Ks由邊坡所具的抵抗彎矩Mp與邊坡所具的下滑彎矩Ma的比值。

通過滑面搜索計(jì)算，最終得到邊坡最不利情況下的穩(wěn)定系數(shù)Ks值為34.15，明顯大于規(guī)范規(guī)定的1.3，因此，判斷此邊坡在進(jìn)行坡面處理后的穩(wěn)定性是滿足規(guī)范要求的。

2.2.2 格構(gòu)錨桿計(jì)算分析

根據(jù)格構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸，通過經(jīng)典法算出單孔所需錨固力為711.62kN，因此，再對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行合理性評(píng)價(jià)；一般來說，錨桿錨固力Pt如公式（1）所示。

Pt=F×（cos（α+β）+sin（α+β）tanφ）-1 （1）

式中：F為單孔所需錨固力的計(jì)算值；a為錨桿入射角度；β為錨固角；φ為錨固體與地層的摩擦角。

根據(jù)公式（1）計(jì)算，按照設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算得到單根錨桿的錨固力設(shè)計(jì)值為954.04kN，大于711.62kN，因此，滿足計(jì)算要求。

3 邊坡防治的合理性評(píng)價(jià)

3.1 合理性評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

結(jié)合工程實(shí)際，提出利用P×C法開展邊坡防治措施的合理性評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)過程主要包括構(gòu)建模型層次結(jié)構(gòu)、評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值計(jì)算、評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度計(jì)算及合理性等級(jí)劃分。

3.1.1 構(gòu)建模型層次結(jié)構(gòu)

結(jié)合文獻(xiàn)[6]研究成果，將邊坡防治的合理性評(píng)價(jià)模型劃分為3層，其一為目標(biāo)層，主要為邊坡防治設(shè)計(jì)的合理性評(píng)價(jià)；其二為一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，即安全因素A1、工程進(jìn)度因素A2及經(jīng)濟(jì)因素A3；其三為二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體細(xì)分如下。1）安全因素A1。此一級(jí)指標(biāo)再進(jìn)一步劃分為3個(gè)二級(jí)指標(biāo)，主要包括安全系數(shù)B1、位移因素B2及豎向應(yīng)力B3。2）工程進(jìn)度因素A2。此一級(jí)指標(biāo)再進(jìn)一步劃分為4個(gè)二級(jí)指標(biāo)，主要包括棄土外運(yùn)B4、機(jī)械準(zhǔn)備B5、材料準(zhǔn)備B6及施工速度B7。3）經(jīng)濟(jì)因素A3。此一級(jí)指標(biāo)再進(jìn)一步劃分為2個(gè)二級(jí)指標(biāo)，主要包括人工費(fèi)用B8及機(jī)械費(fèi)用B9。

綜上，邊坡防治設(shè)計(jì)的合理性評(píng)價(jià)模型如圖3所示。

3.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值計(jì)算

根據(jù)以往研究[7]，提出利用1-9標(biāo)度法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值。通過比較各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性來構(gòu)建判斷矩陣，并進(jìn)一步計(jì)算一致性指標(biāo)CR，CR為判別指標(biāo)CI與標(biāo)度指標(biāo)RI的比值。

當(dāng)CR值小于0.1時(shí)，說明判斷矩陣滿足要求，反之進(jìn)行調(diào)整；在判斷矩陣滿足要求前提下，判斷矩陣對(duì)應(yīng)最大特征向量的歸一化值即為相應(yīng)的權(quán)值。

3.1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度計(jì)算

由于專家長(zhǎng)期接觸工程實(shí)際，因此通過專家法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度，此處要求專家是邊坡設(shè)計(jì)、施工行業(yè)的老專家，并具有高級(jí)職稱；當(dāng)統(tǒng)計(jì)得到若干專家的隸屬度結(jié)果，將其均值作為最終的評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度。

3.1.4 合理性等級(jí)劃分

結(jié)合工程試驗(yàn)，邊坡防治設(shè)計(jì)的合理性等級(jí)劃分為4級(jí)，各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下。1）Ⅰ級(jí)。評(píng)分范圍為0～60分，相應(yīng)合理性得分為55分，此時(shí)說明邊坡防治設(shè)計(jì)極不合理，不能滿足防治要求。2）Ⅱ級(jí)。評(píng)分范圍為60～70分，相應(yīng)合理性得分為70分，此時(shí)說明邊坡防治設(shè)計(jì)一般，勉強(qiáng)能滿足防治要求。3）Ⅲ級(jí)。評(píng)分范圍為70～85分，相應(yīng)合理性得分為85分，此時(shí)說明邊坡防治設(shè)計(jì)較好，基本能滿足防治要求。4）Ⅳ級(jí)。評(píng)分范圍為85～100分，相應(yīng)合理性得分為95分，此時(shí)說明邊坡防治設(shè)計(jì)很好，能充分滿足防治要求。

3.2 合理性評(píng)價(jià)結(jié)果分析

首先，以B1～B3指標(biāo)進(jìn)行權(quán)值示例性分析，且通過分析，得到B1～B3指標(biāo)的判斷矩陣，如公式（2）所示。

（2）

通過計(jì)算，得到此矩陣的CR值為0.036，滿足小于0.1的要求，通過了一致性檢驗(yàn)，再計(jì)算得到B1～B3指標(biāo)的權(quán)值依次為0.512、0.342及0.146。

首先，類比上述過程，對(duì)其他評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)值求解，結(jié)果見表1。

其次，收集24個(gè)專家的隸屬度評(píng)價(jià)結(jié)果，并對(duì)其進(jìn)行均值計(jì)算，結(jié)果見表2。各評(píng)價(jià)指標(biāo)在一級(jí)等級(jí)的隸屬度范圍為0.104～0.185，平均值為0.130；在二級(jí)等級(jí)的隸屬度范圍為0.139～0.284，平均值為0.216；在三級(jí)等級(jí)的隸屬度范圍為0.195～0.302，平均值為0.271；在四級(jí)等級(jí)的隸屬度范圍為0.333～0.454，平均值為0.383。

最后，基于表1和表2中的計(jì)算結(jié)果，開展各類評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理性得分。

3.2.1 二級(jí)指標(biāo)的合理性得分

通過計(jì)算，得到9個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理性得分結(jié)果見表3。二級(jí)指標(biāo)的合理性得分為68.19～90.21，且按照合理性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，合理性等級(jí)為Ⅳ級(jí)的二級(jí)指標(biāo)有3個(gè)，所占比例為33.33%；合理性等級(jí)為Ⅲ級(jí)的二級(jí)指標(biāo)有5個(gè)，所占比例為55.56%；合理性等級(jí)為Ⅱ級(jí)的二級(jí)指標(biāo)有1個(gè)，所占比例為11.11%。

3.2.2 一級(jí)指標(biāo)的合理性得分

計(jì)算A1指標(biāo)的合理性得分為86.23，合理性等級(jí)為Ⅳ級(jí)；A2指標(biāo)的合理性得分為87.49，合理性等級(jí)為Ⅳ級(jí)；A3指標(biāo)的合理性得分為81.05，合理性等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

3.2.3 邊坡總體合理性得分

通過9個(gè)二級(jí)指標(biāo)的權(quán)值及隸屬度計(jì)算得到3個(gè)一級(jí)指標(biāo)的隸屬度，如公式（3）所示。

（3）

據(jù)表1可知，3個(gè)一級(jí)指標(biāo)的權(quán)值向量如公式（4）所示。

K1=[0.396 0.403 0.228] （4）

通過一級(jí)指標(biāo)的隸屬度向量和權(quán)值向量可計(jì)算得到其得分矩陣，如公式（5）所示。

U1=K1R1=[0.109 0.120 0.202 0.569] （5）

再進(jìn)一步結(jié)合得分矩陣E=[55708595]T，進(jìn)一步計(jì)算得到此邊坡防治設(shè)計(jì)的合理性得分F=U1E=85.62。

據(jù)3.1節(jié)標(biāo)準(zhǔn)，判斷此邊坡的合理性等級(jí)為Ⅳ級(jí)，說明邊坡防治設(shè)計(jì)很好，能充分滿足防治要求，充分驗(yàn)證了第2節(jié)邊坡防治措施的合理性。

4 結(jié)語

通過巖質(zhì)公路邊坡防治設(shè)計(jì)及合理性評(píng)價(jià)，結(jié)論主要如下。1）在邊坡基礎(chǔ)地質(zhì)條件下，邊坡防治措施設(shè)計(jì)為坡面處理+格構(gòu)錨桿，即先按照設(shè)計(jì)要求對(duì)邊坡進(jìn)行開挖，并在完成坡面處理后，再進(jìn)行格構(gòu)錨桿施工，以實(shí)現(xiàn)坡面防治。同時(shí)，通過防治措施計(jì)算分析，驗(yàn)證了各類措施是合理有效的。2）通過邊坡防治措施的合理性評(píng)價(jià)，得到邊坡的合理性等級(jí)為Ⅳ級(jí)，說明邊坡防治設(shè)計(jì)很好，能充分滿足防治要求。

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