挖方边坡坡率法设计计算

挖方边坡坡率法设计主要是在保证边坡稳定的基础上控制边坡的高度和坡度。其设计内容包括确定边坡的形状、确定边坡的坡度（削坡坡率）、坡面防护设计及边坡稳定性验算。

挖方边坡坡率法设计时，必须查明边坡的工程地质条件，包括边坡岩土性质、各种软弱结构面性质、地质构造特征、水文地质特征、当地地质条件相似的自然极限山坡或人工边坡等条件。

1）确定挖方边坡的形状

挖方边坡包括建筑挖方边坡和道路路堑边坡。挖方边坡其边坡坡度与边坡的高度、坡体岩土体性质、地质构造特征、岩石的风化与破碎程度、地面水和地下水发育情况等因素有关。

挖方边坡的基本形状一般有4种：直线形（见图5.3（a））、上陡下缓折线形（见图5.3（b））、上缓下陡折线形（见图5.3（c））及台阶形（见图5.3（d））。直线形边坡一般适用于均质或薄层互层且高度较小的边坡；上陡下缓折线形边坡一般适用于边坡较高或由多层土组成而上部岩土层的稳定性较下部好的边坡；上缓下陡折线形边坡一般适用于上部为覆盖层或上部岩土层稳定性较下部差的边坡；当边坡由多层土组成或很高时，可在边坡中部或岩土层界面处设置大于等于1.0 m宽的平台，形成台阶形边坡，台阶形边坡稳定性较好，但相应的土石方量较大。

图5.3　挖方边坡的常用横断面基本形式

2）确定挖方边坡的坡率

挖方边坡坡率的确定应考虑边坡类型、边坡等级、工程地质和水文地质特征、施工方法等因素，并对照当地自然极限边坡或人工边坡的坡度确定。

（1）土质挖方边坡的坡率

《公路路基设计规范》（JTGD30—2015）规定，土质路堑边坡形式及坡率应根据工程地质与水文地质条件、边坡高度、排水防护措施及施工方法，结合自然稳定边坡和人工边坡的调查及力学分析综合确定。边坡高度不大于20 m时，边坡坡率宜不陡于表5.2的规定值，表5.2中土的密实程度划分可参照表5.3确定。

表5.2　土质路堑边坡坡率

表5.3　土的密实程度划分

《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）规定，土质边坡坡率的允许值应根据工程经验，按照工程类比的原则并结合已有稳定边坡的坡率值分析确定。当无经验且土质均匀良好、地下水贫乏、无不良地质作用和地质环境条件简单时，边坡坡率允许值可按表5.4确定。

表5.4　土质边坡坡率允许值

续表

注：1.表中碎石土的充填物为坚硬或硬塑状态的黏性土。
2.对沙土或充填物为沙土的碎石土，其边坡坡率允许值应按沙土或碎石土的自然休止角确定。

（2）岩质挖方边坡的坡率

岩质路堑边坡形式及坡率应根据工程地质与水文地质条件、边坡高度、排水防护措施及施工方法，结合自然稳定边坡和人工边坡的调查综合确定。必要时，可采用稳定性分析方法予以验算。岩石的分类、风化和破碎程度及边坡的高度是决定坡率的主要因素。当岩质路堑边坡高度不大于30 m时，无外倾软弱结构面的边坡可根据这些因素按表2.1确定岩体类型。在按上述分类方法确定岩体类型的基础上，《公路路基设计规范》（JTGD30—2015）规定按表5.5确定边坡坡率。

表5.5　岩质路堑边坡坡率

注：1.有可靠的资料和经验时，可不受本表限制。
2.Ⅳ类强风化包括各类风化程度的极软岩。

边坡高度大于20 m的软弱松散岩质路堑，宜采用分层开挖、分层防护和坡脚预加固技术。当挖方边坡较高时，可根据不同的土质、岩石性质和稳定要求开挖成折线式或台阶式边坡，边坡外侧应设置碎落台，其宽度宜不小于1.0 m；台阶边坡中部应设置边坡平台，其宽度宜不小于2 m。

由于地表岩层和自然条件，以及路基的构造要求与形式变化极大，岩质路堑边坡坡率难以定型，表列数值为一般条件下的经验值。因此，应用时应结合当地的工程地质条件和水文条件，参考各地现有自然稳定山坡和人工成型稳定的山坡，加以对比选用。对土质挖方边坡高度超过20 m、岩质挖方边坡高度超过30 m和不良地质地段的路堑边坡，应进行个别勘察设计和稳定性验算，以及采取排水、护坡与加固等技术措施。

《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）指出，在边坡保持整体稳定的条件下，岩质边坡开挖的坡率允许值应根据实际工程经验，按工程类比的原则并结合已有稳定边坡的坡率值分析确定。对无外倾软弱结构面的边坡，放坡坡率可按表5.6确定。

表5.6　岩质边坡坡率允许值

注：1.表中H为边坡高度。
2.Ⅳ类强风化包括各类风化程度的极软岩。
3.全风化岩体可按照土质边坡坡率取值。(www.xing528.com)

调查统计资料表明，当出现滑动面为黏土岩、黏土页岩、泥质灰岩及泥质板岩等泥化层面且滑动倾角9°~12°，滑动面为砂岩层面或砾岩层面且滑动倾角大于30°，滑动面为无泥质充填物结构面且滑动倾角30°~75°（多数为35°~60°）这些情况时，边坡仅在重力作用下，软弱面的倾角大于摩擦角且小于边坡坡角时是最危险的软弱面。

《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）规定，有外倾软弱结构面的岩质边坡、土质较软的边坡、坡顶边缘附近有较大荷载的边坡和坡高超过上表5.4和表5.5范围的边坡，其坡率允许值应通过稳定性计算分析确定。

（3）土石混合堆积体挖方边坡的坡率

该类边坡一般采用与天然休止角相应的边坡坡率（见表5.7），对已稳定的堆积体可根据其胶结和密实程度采用较陡的边坡坡度。边坡中出现松散夹层时，应进行适当防护。边坡高度超过20 m时，应分台阶进行放坡。原堆积体的平衡条件因挖方而遭到破坏，堆积体可能沿接触面滑动，故在堆积体开挖后形成的边坡应特别注意剩余土体的稳定性，必要时可放缓边坡或清除全部剩余土体。

表5.7　土石混合堆积体边坡坡率参考值

续表

（4）膨胀土挖方边坡

膨胀土工程性质特殊而复杂，膨胀土边坡的破坏与一般黏性土边坡的破坏完全不同，其变形破坏受多种因素的影响，有的位于坡脚，也有的位于坡腰与堑顶，其对建（构）筑物的潜在破坏很严重。膨胀土边坡坡度的确定比较复杂，目前尚无成熟的理论与方法。统计数据表明，无论公路、铁路或渠道膨胀土边坡，坡度在1∶2~1∶3的边坡，仍表现出普遍不稳定，甚至有的铁路路堑及渠道膨胀土边坡，坡度缓至1∶5~1∶8，也不一定完全稳定，特别是在边坡土体结构与环境地质条件较复杂的地区，或分布有软弱夹层（如灰白色、灰绿色强膨胀土），边坡稳定问题更为复杂。

目前，在膨胀土路堑边坡设计中仍然以工程地质比拟法为主，必要时再进行力学分析验算边坡稳定性。工程地质比拟法是以同类膨胀土边坡在相同或相似工程地质、水文地质及环境地质条件下的稳定性为参照，将拟设计边坡的上述条件与已有同类边坡进行对比，参照已有稳定程度最好的边坡进行设计的一种方法。自然界是千变万化的，故在进行对比分析时一定要收集足够的第一手资料，并充分掌握已有膨胀土边坡的历史和现状，切不可简单照搬。根据实践经验得出的边坡坡率参考值见表5.8。

表5.8　膨胀土边坡坡率设计参考值

（5）黄土挖方边坡

黄土是第四纪形成的特殊沉积物。其主要特征是颜色以黄色为主，有浅黄、灰黄、黄褐、褐黄等色，含大量粉粒（一般在55%以上），孔隙度一般在40%~50%，孔隙比约为1，垂直节理发育，具有湿陷性、溶蚀性、易冲刷及各向异性等工程特性。广泛分布于我国北纬34°~45°的干旱和半干旱地区。目前，黄土边坡的坡率设计主要以工程地质类比为主，力学分析验算为辅。各类黄土边坡坡率设计参考值见表5.9。

表5.9　黄土边坡坡率设计参考值

注：当边坡高度>20 m时，宜考虑进行力学验算；本表所提供的参考值，系指一般均质土，并无不良水文地质及工程地质现象时的坡度值。

填土边坡的坡率允许值应按边坡稳定性计算结果并结合地区经验确定。

边坡整体高度可按同一坡率进行放坡，也可根据边坡岩土的变化情况按不同的坡率进行放坡。挖方边坡坡率法施工开挖应自上而下有序进行，并应保持两侧边坡的稳定，保证弃土、弃渣的堆填不导致边坡附加变形或破坏现象发生。

填土边坡施工应自下而上分层进行，每一层填土施工完成后应进行相应技术指标的检测，质量检验合格后方可进行下一层填土施工。

3）坡面防护设计

边坡的防护主要是针对容易风化剥落或破碎程度较为严重的坡面，应考虑坡面的防护措施，以防止各种自然应力对边坡的破坏作用，保证边坡的稳定性。设计中，应注意边坡的防护与边坡环境美化相结合。

边坡应设置排水系统，边坡坡顶、坡面、坡脚和水平台阶应设排水沟，并作好坡脚防护；在坡顶外围应设截水沟；边坡水系应因势利导保持畅通，稳定边坡应采取保护措施，防止土体流失、岩层风化及环境恶化造成边坡稳定性降低。对土质边坡或易软化的岩质边坡，坡顶应作成向外倾斜的不渗水地面，坡底应做不漏水的排水沟和集水井，以便及时排除积水。

当边坡表层有积水湿地、地下水渗出或地下水露头时，应根据实际情况设置外倾排水孔、排水盲沟和排水钻孔，在上游沿垂直地下水流向设置地下排水廊道以拦截地下水等导排措施。

永久性边坡宜采用锚喷、浆砌片石或格构等构造措施护面。在条件许可时，宜尽量采用格构或其他有利于生态环境保护和美化的护面措施。临时性边坡可采用水泥砂浆护面。

边坡工程在雨季施工时，应做好地表水和地下水的排导和防护工作。

4）边坡稳定性验算

边坡稳定性验算可检验坡率设计效果，也可在坡率设计前进行验算。具有张节理和静水压力的边坡的受力情况如图5.4所示。该图所作假定为：滑动面及张节理的走向平行坡面；张节理直立，深度为Z，其中充水深度为ZW；水沿张节理的底进入滑动面并沿滑动面渗透，在大气压下沿坡面的滑动面出露处流出。图5.4中，W为滑动块的重力，U为滑动面上水压所产生的上举力，V为张节理中的水压力，三力均通过滑体重心来作用，也就是假定没有使岩块旋转的力矩，因此，破坏仅是滑动破坏。

对局部不稳定块体应清除，也可采用锚杆或其他有效加固措施。

图5.4　具有张节理和静水压力的边坡受力示意图