張 偉
(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安710043)
高速公路設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的高填方路堤,常見(jiàn)病害主要是由于滑坡、位移造成的公路開(kāi)裂和沉降,魏斌[1]、彭小云[2]等人對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響因素及病害原因進(jìn)行了分析,魏斌對(duì)高填土邊坡穩(wěn)定性采用極限平衡法和有限單元法進(jìn)行分析,提出高填方邊坡穩(wěn)定性分析采用有限單元法對(duì)求得合適的臨界滑裂面位置更加具有優(yōu)勢(shì)。彭小云用灰關(guān)聯(lián)分析法分析高陡邊坡穩(wěn)定性,認(rèn)為高陡邊坡的重力和滑動(dòng)面上的強(qiáng)度參數(shù)是影響邊坡穩(wěn)定的主要因素。呂偉等[3]人通過(guò)建立影響邊坡穩(wěn)定性的10 個(gè)因素,對(duì)影響因素采用Fuzzy AHP 和AHP方法計(jì)算權(quán)重,認(rèn)為AHP 方法計(jì)算結(jié)果精度高。
阿爾及利亞?wèn)|西高速公路M5 標(biāo)段(KHEMIS MILIANA-HOCEINIA)共12 處高填方路段,填方最大高度21.5 m,全線為泥質(zhì)巖,劉德旺等[4]人對(duì)泥巖全破壞過(guò)程中滲透特性的研究表明,干燥狀態(tài)下泥巖試樣強(qiáng)度較高,隔水性好,遇水后抗壓強(qiáng)度大幅度降低。蘇憶[5]認(rèn)為在陡坡路段采用加筋土路堤可有效收縮坡腳,減少工程占地,且造價(jià)低。耿敏[6]通過(guò)土工格柵加筋高填方路堤的沉降觀測(cè)和理論計(jì)算,認(rèn)為加筋后的高填方路堤使得巖體的應(yīng)力重新分布,土體的垂直和水平應(yīng)力減小,加筋土體抗剪強(qiáng)度增強(qiáng),可有效增加土體碾壓密實(shí)度、土體的抗壓及抗剪強(qiáng)度。且加筋土路堤具有耐久性、可靠性、工程造價(jià)低、占地少及抗震能力強(qiáng)等特點(diǎn),其造價(jià)約為擋土墻的40% ~60%,在邊坡工程設(shè)計(jì)上,具有安全性和經(jīng)濟(jì)性雙重優(yōu)勢(shì)。
經(jīng)對(duì)項(xiàng)目地形及地質(zhì)狀況分析,M5 標(biāo)段路線大部分走行于CHELEF 盆地北緣及Gountas 低山區(qū),地形起伏,溝壑縱橫,岡巒起伏,部分路段坡度較大(25%到35%),根據(jù)地質(zhì)工程論證[7]及公路邊坡處治技術(shù)[8],考慮對(duì)M5 標(biāo)段高填方路堤邊坡采用加筋土路堤設(shè)計(jì)方案,以有效實(shí)現(xiàn)邊坡防護(hù)需求,并減少填方數(shù)量和占地面積,且在地震發(fā)生時(shí),土工布較大的延展性和加強(qiáng)筋的抗拉強(qiáng)度可以有效的防止加筋邊坡的斷裂,有很大的安全性。
采用的加筋土路堤設(shè)計(jì)方法旨在使邊坡坡率達(dá)到1H/1V,采用的坡度為18 至33%,平均約為25%.在設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)的一級(jí)邊坡采用3H/2V 的坡率,邊坡最大高度為5.5 m[8-9]。二級(jí)和三級(jí)加筋土路堤邊坡采用1H/1V 的坡率,對(duì)于高填方路段,每8 m 高設(shè)置一個(gè)2 m 寬的過(guò)渡平臺(tái)。
加強(qiáng)筋的垂直間距一般為0.20 m 至0.8 m 之間,以便保持加強(qiáng)路堤合成材料的特性。筋體sv/Hm最大相對(duì)間距根據(jù)Linf/Hm比例計(jì)算令X=Linf/Hm,其結(jié)果見(jiàn)表1.
表1 根據(jù)Linf/Hm 比例計(jì)算的最大相對(duì)間距[8]Tab.1 Maximum relative spacing of calculation according to Linf/Hm ratio
設(shè)計(jì)中,需保證下部邊坡的L =14 m,中間邊坡為10 m;設(shè)定的垂直間距將是sv=0.3 到0.6 m.
設(shè)計(jì)中對(duì)坡率為1H/1V 的邊坡所采用的加強(qiáng)土工布由聚脂加強(qiáng)筋網(wǎng)和二維(Bidim)無(wú)紡布組合而成,抗拉強(qiáng)度為T(mén)r= 190 kN/ml,延伸率為11.5%,垂直間距為0.6 m. 高強(qiáng)土工布的布置按照《NFP94 -220 規(guī)范》[7]要求,加強(qiáng)材料橫向?qū)挾纫话慵s為平均力學(xué)高度的0.7 倍,對(duì)低于平均力學(xué)高度0.7 倍的路段,坡腳橫向?qū)挾炔坏陀谄骄W(xué)高度的0.4 倍,平均橫向?qū)挾炔坏陀谄骄W(xué)高度的0.5 倍,且對(duì)路堤各個(gè)部位進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證其整體穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)中,所采用的:二級(jí)邊坡采用長(zhǎng)10 m 的土工布加強(qiáng);三級(jí)邊坡采用長(zhǎng)14 m 的土工布加強(qiáng)。
加強(qiáng)式路堤設(shè)計(jì)時(shí)需考慮各部分的安全系數(shù),根據(jù)歐洲規(guī)范的方法利用ELU 進(jìn)行計(jì)算[8],并考慮應(yīng)力以及土質(zhì)、填料和土工布的部分系數(shù)。在加筋土路堤的設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)保證臺(tái)階底部排水層的材料、邊坡底部護(hù)腳換填的天然砂礫、邊坡坡腳底部填筑的滲水材料、PVC 管的封閉層材料以及盲溝碎石等符合CCTP 第B3.6.2.5 款的規(guī)定。
應(yīng)力組合方法上考慮的加權(quán)系數(shù)見(jiàn)表2.
根據(jù)法國(guó)安全要求標(biāo)準(zhǔn)(NFP94 - 270)規(guī)范[10],土工布需考慮力學(xué)破壞系數(shù)、蠕變系數(shù)、化學(xué)漸變系數(shù)以及由γM,t 特有拉力表示的強(qiáng)度系數(shù),并對(duì)加筋土構(gòu)造物土工布各個(gè)部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)性抗拉強(qiáng)度檢驗(yàn)。
表2 應(yīng)力的部分加權(quán)系數(shù)[8]Tab.2 Part of the weighted coefficient of force
邊坡穩(wěn)定性分析采用簡(jiǎn)化的Bishop 法,稱為畢肖甫條分法[8],是一種考慮條塊間側(cè)面的土坡穩(wěn)定性分析方法。其邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)應(yīng)符合CCTP 要求[10],本項(xiàng)目邊坡加強(qiáng)采用抗拉強(qiáng)度為190 kN/mL 的土工布,土工布最大拉力變形11.5%.穩(wěn)定性計(jì)算系根據(jù)歐洲規(guī)范方法所要求的TALREN4 軟件進(jìn)行。根據(jù)NF P 94 -270 規(guī)范確定土工布部分安全系數(shù):力學(xué)坡壞系數(shù)ρend=0.4,蠕變系數(shù)ρflu=1/3,化學(xué)漸變系數(shù)ρdég= 0.83;土壤參數(shù)及與土工布的相互作用所需考慮的部分安全系數(shù):土壤容重γ mγ = 1.00,土壤摩擦角切線γmφγ=1.45,黏結(jié)力γmφγ =1.85. 應(yīng)力組合系數(shù)見(jiàn)表2.
考慮各項(xiàng)安全系數(shù)后,邊坡的內(nèi)部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性驗(yàn)算的總安全系數(shù)根據(jù)CCTP 確定,一般工況下邊坡的內(nèi)部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性驗(yàn)算安全系數(shù)為F≥1,在地震力的偶然荷載工況下總安全系數(shù)為F≥1.2,為更好的說(shuō)明加筋土路堤的安全性,分別對(duì)未設(shè)置和設(shè)置土工布后的安全系數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)算[11-12]。
在未設(shè)置土工布時(shí),對(duì)1H/1V 未加筋陡峭邊坡(原始邊坡)的填方分析結(jié)果如圖1 所示。
圖1 未設(shè)置土工布時(shí)的內(nèi)部穩(wěn)定性和總體穩(wěn)定性Fig.1 Internal stability and overall stability without setting the geotextile
圖1 分析結(jié)果可知,未設(shè)置土工布時(shí),邊坡內(nèi)部穩(wěn)定性取最小值0.75 和總體穩(wěn)定性取最小值0.83 時(shí),填方邊坡的安全系數(shù)均不能滿足要求,因此,1H/1V 邊坡不設(shè)置土工布時(shí),邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。
在利用Tr=190 kN/m 土工布方法加強(qiáng),計(jì)算隔柵垂直間距為0.6 m.基本組合和偶然組合2 種情況下的穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖3 ~圖6 所示。
以上組合計(jì)算的安全系數(shù)表明:采用抗拉強(qiáng)度Tr=190 kN/m,間距0.6 m 的土工布加強(qiáng)后,邊坡的穩(wěn)定性滿足使用要求[13]。
采用的驗(yàn)證方法是針對(duì)邊坡出現(xiàn)的滑坡范圍(內(nèi)部穩(wěn)定性)以及穿透基礎(chǔ)的滑坡范圍(總體穩(wěn)定性)進(jìn)行合乎規(guī)定的穩(wěn)定性驗(yàn)算(F≥1)[14-15]。
驗(yàn)證是在考慮偶然應(yīng)力地震的情況下進(jìn)行,在此情況下,在各個(gè)地層獲得的地質(zhì)特征是屬于“短期”數(shù)據(jù)的特征,求得的總安全系數(shù)為F≥1.2.
加筋路堤設(shè)計(jì)的填方處需進(jìn)行基底處理[11],由于M5 段泥灰質(zhì)粘土強(qiáng)度低,安全系數(shù)無(wú)法滿足規(guī)范要求,對(duì)路基穩(wěn)定性有很大的影響,對(duì)此采取了換填土的處理方法,將泥灰質(zhì)粘土挖除,當(dāng)自然坡度大于15%時(shí),開(kāi)挖臺(tái)階,臺(tái)階的寬度≥5 m,高度約為1 m,臺(tái)階具體高度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)調(diào)整。換填材料依據(jù)GTR(施工技術(shù)指導(dǎo),歐洲規(guī)范)[7]采用分類(lèi)為C1B1 或C1B2 類(lèi)填料(相當(dāng)于中國(guó)規(guī)范的碎石類(lèi)土)進(jìn)行填筑。經(jīng)對(duì)項(xiàng)目沿線材料調(diào)查,對(duì)填方基底的表層泥灰質(zhì)粘土清除換填為來(lái)自PK11 的2 號(hào)借土場(chǎng)的材料進(jìn)行填方,該種填料為富含紅色砂礫的第四紀(jì)沉積土,等級(jí)為C1A1 至C1A2,滿足規(guī)范要求[2]。
圖2 2 種基本組合的內(nèi)部穩(wěn)定性和總體穩(wěn)定性Fig.2 Internal stability and overall stability of two basic combination
圖3 2 種偶然組合的內(nèi)部穩(wěn)定性和總體穩(wěn)定性Fig.3 Internal stability and overall stability of two kinds of accidental combination
對(duì)原始地面清表開(kāi)挖臺(tái)階后,為更好保證路基穩(wěn)定性[11],需對(duì)邊坡坡腳下開(kāi)挖設(shè)置坡腳加強(qiáng)基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)中針對(duì)設(shè)計(jì)段具有較厚泥灰質(zhì)粘土情況進(jìn)行分析,采用在坡腳設(shè)置腳墻基礎(chǔ)或砌石基礎(chǔ)無(wú)法提供足夠的抗滑力,將坡腳設(shè)置為6 m 寬,基礎(chǔ)由壓實(shí)的天然砂礫構(gòu)成,以便擁有足夠的抗滑力應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的滑坡,基礎(chǔ)深度至密實(shí)的泥灰?guī)r層(如圖4)。在風(fēng)化層局部厚度較大的情況下,在基礎(chǔ)下增設(shè)混凝土楔子(如圖5),楔子由加強(qiáng)基礎(chǔ)底部深入至密實(shí)的泥灰?guī)r層[16]。
圖4 邊坡坡腳下開(kāi)挖設(shè)置坡腳加強(qiáng)基礎(chǔ)布置圖Fig.4 Strengthening base layout slope foot toe excavation
圖5 風(fēng)化層局部厚度較大邊坡基礎(chǔ)下增設(shè)混凝土楔子布置圖Fig.5 Additional concrete wedge layout of large base slope with regolith local thickness
經(jīng)對(duì)設(shè)計(jì)段調(diào)查,干旱季節(jié)存在開(kāi)挖的基底和路塹基巖裂隙水滲出現(xiàn)象,因項(xiàng)目段泥灰?guī)r及泥灰質(zhì)土對(duì)水具有極大敏感性,設(shè)計(jì)中需考慮基底排水設(shè)計(jì)[10](如圖6),挖除泥灰質(zhì)黏土層后[17],在路堤下游一半位置的臺(tái)階底部設(shè)置30 cm 天然砂礫排水層,沿線路縱向每隔20 至50 m設(shè)置一道橫向盲溝,路堤坡腳下護(hù)腳內(nèi)設(shè)置集水管集中排放盲溝水,在上方側(cè)用粘土封閉路堤坡腳,設(shè)置排水溝攔截上方來(lái)水以免下滲,形成一個(gè)完整的排水系統(tǒng),達(dá)到加筋土路堤最佳排水效果。
排水系統(tǒng)使用的土工布應(yīng)符合CCTP 第B 2.14.3.4 款的規(guī)定[7]。臺(tái)階底部排水層的材料、邊坡底部護(hù)腳位置用于換填的天然砂礫、邊坡坡腳底部填筑的滲水材料、PVC 管的封閉層材料以及盲溝碎石等[19-20],均應(yīng)符合CCTP 第B 3.6.2.5款的規(guī)定[7]。上方側(cè)填方坡腳的封閉黏土應(yīng)符合CCTP 第B 6.7.4 款的規(guī)定。
圖6 加筋土路堤排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Fig.6 Reinforced embankment drainage system design
鑒于M5 標(biāo)段高填方路堤、泥灰質(zhì)巖土地質(zhì)及該段無(wú)法采用擋土墻的特殊情況,提出采用加筋土路堤設(shè)計(jì)。研究從邊坡坡率、加強(qiáng)筋、土工布布置及邊坡加強(qiáng)3 個(gè)方面對(duì)加筋土路堤進(jìn)行了幾何設(shè)計(jì),提出對(duì)于高填方路段,每8 m 高設(shè)置一個(gè)2 m 寬的過(guò)渡平臺(tái),且需保證下部邊坡的加強(qiáng)筋間距L=14 m,中間邊坡為10 m,筋體設(shè)定的垂直間距將是sv=0.3 到0.6 m,設(shè)計(jì)的二級(jí)邊坡采用長(zhǎng)10 m 的土工布加強(qiáng),三級(jí)邊坡采用長(zhǎng)14 m 的土工布加強(qiáng)。對(duì)加筋土路堤的邊坡分析采用簡(jiǎn)化的Bishop 法,通過(guò)對(duì)土工布各項(xiàng)安全系數(shù)的考慮,根據(jù)CCTP 確定了邊坡的內(nèi)部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性驗(yàn)算的總安全系數(shù)為:一般工況下為F≥1,地震力的偶然荷載工況下為F≥1.2,并分別對(duì)未設(shè)置和設(shè)置土工布后的安全系數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)算,分析證明采用土工布后的穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。在通車(chē)六年時(shí)間里,設(shè)置加筋土路堤路段的排水效果良好,沉降數(shù)據(jù)觀測(cè)結(jié)果滿足規(guī)范要求,實(shí)踐證明,通過(guò)采用加筋土路堤設(shè)計(jì)可有效收縮坡腳,降低工程造價(jià),提高高路堤邊坡的穩(wěn)定性,且證明高強(qiáng)度土工布的加筋土路堤對(duì)泥灰?guī)r及泥灰質(zhì)粘土高填方邊坡的處理措施是合理有效的,設(shè)計(jì)方法對(duì)國(guó)內(nèi)外類(lèi)似地質(zhì)條件的工程設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。
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