高填陡坡路堤穩(wěn)定性分析及處治方案

■潘建標(biāo)

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004)

高填陡坡路堤穩(wěn)定性分析及處治方案

■潘建標(biāo)

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004)

福建省某高速公路K129+600緊急制動(dòng)車道，路堤填方中心填高10～61m，部分高填陡坡地段形成52～87m高填方邊坡，具有橫坡陡、填方邊坡高度大等特點(diǎn)，直接影響路堤整體穩(wěn)定性。本文對(duì)填方邊坡穩(wěn)定性、應(yīng)力應(yīng)變特性進(jìn)行了計(jì)算分析，總結(jié)影響邊坡穩(wěn)定性的因素及邊坡變形特征；在天然陡坡上正常填筑路堤將會(huì)導(dǎo)致路堤失穩(wěn)，巖土分界處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，填方邊坡將沿土石分界面產(chǎn)生滑動(dòng)，從而引發(fā)上部路基滑移，形成牽引式滑坡。填方邊坡采用了清表、開挖臺(tái)階、填石、加大噸位碾壓、反壓及漿砌片塊石坡腳擋墻等綜合處治措施，取得了良好的效果。

髙填路堤 穩(wěn)定分析 應(yīng)力應(yīng)變 處治措施

近年來隨著我省高速公路的不斷建設(shè)，經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)以及地形較為平坦的地區(qū)的高速公路已基本建成，高速公路建設(shè)逐漸向地形地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)延伸，超過50m的高填陡坡路堤逐漸普遍，在陡坡區(qū)進(jìn)行這種大體積填方加載，不僅容易產(chǎn)生沉降，且易產(chǎn)生滑動(dòng)，直接影響路堤自身穩(wěn)定。本文以福建省閩北某高速公路K129+600緊急制動(dòng)車道高填方路堤為例，對(duì)填方路堤穩(wěn)定性、應(yīng)力應(yīng)變特性進(jìn)行了計(jì)算分析，總結(jié)出邊坡穩(wěn)定性影響因素及邊坡變形特征，并提出相應(yīng)的綜合處治措施。

1 工程概況

福建省某高速公路K129+600緊急制動(dòng)車道高填方路堤部分位于陡坡區(qū)，擬建場(chǎng)地屬中低山地貌，地形起伏大，坡面植被發(fā)育，地表坡度一般25～40°，局部地段可達(dá)50°以上。斜坡區(qū)覆蓋層為殘坡積含碎石粘性土，厚0～3m，下部為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖及弱風(fēng)化凝灰熔巖，為較軟巖-較堅(jiān)硬巖，巖體破碎，強(qiáng)度較高；場(chǎng)區(qū)地下水類型為基巖裂隙水，受地形及巖性影響，僅為淺層風(fēng)化裂隙水，水量較小。

由于本項(xiàng)目該合同段K115+890～K142+050路段為長(zhǎng)下坡路段，長(zhǎng)26.160km，平均縱坡達(dá)2.483%，該段地形復(fù)雜，橋隧相聯(lián)，構(gòu)造物比例達(dá)91.8%，從安全角度考慮，必須在K129+600處設(shè)置緊急制動(dòng)車道，由于緊急制動(dòng)車道縱坡太大，不宜采用橋梁方案，同時(shí)考慮路段土石方平衡及棄土場(chǎng)選址困難，該緊急制動(dòng)車道及主線設(shè)計(jì)采用填方路堤通過。路堤中心填高10～61m，路堤底部最大寬度超過200m。設(shè)計(jì)左側(cè)邊坡結(jié)合主線路基填筑，第一階邊坡坡率為1∶1.5，第二階采用路堤擋墻;右側(cè)邊坡采用2～10 級(jí)放坡， 邊坡坡率為 1∶1.3、1∶1.5、1∶1.75， 單級(jí)坡高8m。主要有圖1、圖2兩種斷面形式：

圖1 典型橫斷面一

圖2 典型橫斷面二

其中橫斷面一填方路堤位于陡坡之上，坡度一般25～40°，路堤中心填高 15～25m，形成的填方邊坡高 52～66m，填方邊坡穩(wěn)定性問題是該路段主要工程地質(zhì)問題；橫斷面二中原始地面相對(duì)平緩，且邊坡坡腳填至對(duì)面山坡，形成反壓，工程條件相對(duì)斷面一路段較好。本文主要以橫斷面一為例，討論陡坡路段高填路堤穩(wěn)定性及變形特性。

2 主要工程地質(zhì)情況

該段陡坡路堤具有如下特點(diǎn)：

(1)地形橫坡較陡，最大橫坡可達(dá)50°；

(2)斜坡區(qū)覆蓋層為殘坡積含碎石粘性土，厚0～3m，其物理力學(xué)性質(zhì)較差；

(3)填方邊坡高度大，填方邊坡高達(dá)52～66m。

根據(jù)以上特點(diǎn)綜合分析，在天然陡坡上填筑路堤可能存在如下工程地質(zhì)問題：

(1)路堤整體可能沿原覆蓋層及土石交界面產(chǎn)生滑移；

(2)路堤出現(xiàn)較大的工后沉降和不均勻沉降。

針對(duì)以上的實(shí)際工程條件情況，進(jìn)行穩(wěn)定性分析及應(yīng)力應(yīng)變分析。

3 髙填陡坡路堤穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)填方路堤橫斷面特點(diǎn)，選取典型斷面AK0+215橫斷面建立計(jì)算模型。AK0+215橫斷面布置為：路堤中心填高22.9m，路面寬12m，路堤底部最大寬度約136m。左側(cè)邊坡采用2級(jí)放坡，第一階邊坡坡率為1∶1.5，第二階采用路堤擋墻;單級(jí)坡高8m;右側(cè)邊坡采用8級(jí)放坡，邊坡坡率為 1∶1.3、1∶1.5、1∶1.75，坡腳采用路堤擋墻，單級(jí)坡高8m，形成填方邊坡高62m。計(jì)算模型如圖3。

圖3 計(jì)算模型(AK0+215橫斷面)

根據(jù)勘察報(bào)告及相關(guān)規(guī)范，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)綜合確定各層巖土體計(jì)算參數(shù)(見表1)。

表1 巖土體計(jì)算參數(shù)表

3.2 計(jì)算工況

填方邊坡穩(wěn)定性及變形特征除受填料性質(zhì)、車輛荷載、降雨等影響外，主要受覆蓋層厚度及其物理力學(xué)性質(zhì)影響。主要考慮以下3種工況進(jìn)行填方邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算及變形特征分析。

工況一：天然狀態(tài)；

工況二：清除土層，即清除原始邊坡覆蓋層，采用土方填筑；

工況三：清除土層，即清除原始邊坡覆蓋層，采用石方填筑。

計(jì)算結(jié)果見圖4～6及表2。

圖4 工況一最不利滑動(dòng)面計(jì)算結(jié)果

圖5 工況二最不利滑動(dòng)面計(jì)算結(jié)果

圖6 工況三最不利滑動(dòng)面計(jì)算結(jié)果

表2 穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，工況一(天然狀態(tài)土方填筑)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面經(jīng)過斜坡土石分界面及坡底土石分界面，天然狀態(tài)下填方邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.872～0.946；工況二(清除土層土方填筑)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面滑坡前緣位于坡腳擋墻上緣，滑坡后緣位于填方坡頂平臺(tái)，填方內(nèi)部由于剪切破壞產(chǎn)生連貫的滑動(dòng)面，穩(wěn)定性系數(shù)為0.958～0.997，工況二較工況一邊坡穩(wěn)定性系數(shù)有所提升；工況三(清除土層石方填筑)填方邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.346～1.396，最可能滑動(dòng)面前緣位于坡頂以下第二階平臺(tái)處，后緣位于坡頂平臺(tái)處。綜上，工況三較工況二邊坡穩(wěn)定性系數(shù)能提高35%以上。因此，原邊坡覆蓋土體物理力學(xué)性質(zhì)及填料對(duì)填方邊坡的穩(wěn)定性都有較大影響。

4 高填陡坡路堤變形特征分析

為進(jìn)一步研究高填方路基地基與填方路堤內(nèi)應(yīng)力分布和變形特征，采用平面有限元法，對(duì)高填方邊坡應(yīng)力-應(yīng)變進(jìn)行模擬分析。路堤填方高度大，地形邊坡陡，在填方自重的作用下，將引起較大的變形和差異沉降。通過對(duì)變形的研究，可以得到變形破壞的形式和變形破壞的程度，是對(duì)高填方地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的不可缺少的部分。

4.1 計(jì)算模型

選取AK0+215橫斷面進(jìn)行填方路堤應(yīng)力應(yīng)變分析，計(jì)算模型見圖7，計(jì)算參數(shù)見表1。

圖7 計(jì)算模型(AK0+215橫斷面)

4.2 應(yīng)變特征分析

由圖8可以看出水平位移集中在填方邊坡右側(cè)中部附近，水平位移為0～0.37m。其中第三級(jí)邊坡水平位移最大；由圖9可以看出垂直位移主要集中在填方邊坡的中上部位置，位移值為-0.63～0m，其中第三級(jí)邊坡垂直位移最大。由圖10可以看出最大位移在填方邊坡右側(cè)第三級(jí)附近，最大值為0.73m；同時(shí)可知填方邊坡易沿土石分界處產(chǎn)生滑動(dòng)，路基右側(cè)沉降大于路基左側(cè)沉降，路面將出現(xiàn)明顯的不均勻沉降，路基右側(cè)可能出現(xiàn)錯(cuò)落，路面及路基左側(cè)易產(chǎn)生拉裂縫。

圖8 X方向位移

圖9 Y方向位移

圖10 最大位移

4.3 應(yīng)力特征分析

由圖11可以看出天然狀況下填方邊坡最大主應(yīng)力值為0～1445kPa，最大值出現(xiàn)在巖土體最厚處，等值線在填方體內(nèi)呈現(xiàn)條形分布，與填方體形態(tài)基本一致；由圖12可以看出天然狀況下填方邊坡最小主應(yīng)力值-934.3～666.6kPa，最小值出現(xiàn)在填方左側(cè)與原地基土交界處，為拉應(yīng)力。由圖13可以看出天然狀況下最大剪應(yīng)力值為0.964～534.8kPa，在填方路基兩側(cè)擋墻與原地基土交界處及土石分界處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，可能導(dǎo)致填方體在坡腳處發(fā)生剪切破壞，并沿土石分界處產(chǎn)生滑動(dòng)，即右側(cè)填方邊坡發(fā)生破壞，坡面產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而誘發(fā)上部路基滑移，產(chǎn)生牽引式滑坡，這與邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果一致。由圖14可以看出最大剪應(yīng)變等值線密集處出現(xiàn)在土石分界面附近土體內(nèi)，最大值為0.069，存在較大的潛在破壞。

另外由表3可看出，在3種工況下填方邊坡應(yīng)力沒有明顯變化。工況二水平位移降幅為5.41%，垂直位移降幅為4.76%，剪應(yīng)變降幅30.43%；工況三條件下水平位移降幅為45.95%，垂直位移降幅為46.03%，剪應(yīng)變降幅62.32%?？梢钥闯鎏罘铰返坛两抵饕芴盍嫌绊懀轿灰浦饕茉吰赂采w層土體性質(zhì)影響。

圖11 最大主應(yīng)力

圖12 最小主應(yīng)力

圖13 最大剪應(yīng)力

圖14 最大剪應(yīng)變

表3 應(yīng)力特征分析計(jì)算結(jié)果

5 處治措施

通過上述分析可以看出，若不經(jīng)工程處理直接進(jìn)行路基填筑，將造成路堤不均勻沉降及失穩(wěn)。要提高填方路堤穩(wěn)定性可從以下幾個(gè)方面考慮：①改善原始邊坡覆蓋層土體力學(xué)特性；②增強(qiáng)路基填料強(qiáng)度，控制填料規(guī)格，加強(qiáng)施工控制；③對(duì)坡體進(jìn)行反壓，設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)。基于上述考慮該段填方路堤采用了清表、挖臺(tái)階、采用石方填筑、加大噸位碾壓、坡腳反壓或坡腳漿砌片塊石擋墻等綜合處治措施，具體如下：

(1)清表：原邊坡覆蓋層土體力學(xué)性質(zhì)差，且厚度一般不大，可將其清除。同時(shí)由于原邊坡縱坡較陡，原地面采用開挖臺(tái)階，臺(tái)階寬度2～10m。

(2)石方填筑：路基要求采用石方填筑，不得填土。填方石料抗壓強(qiáng)度不小于35MPa，用于護(hù)坡碼砌的石料抗壓強(qiáng)度不小于40MPa。對(duì)于路堤石料的開采，采用密集深孔毫秒微差爆破技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)爆巖塊度80%在20～30cm之間。在填筑路堤過程中嚴(yán)格控制填料的粒徑，對(duì)超粒徑的石塊要進(jìn)行二次解小，不能解小的不得用于路基填筑。

(3)分層填筑：路堤采用逐層填筑，下路堤每層松鋪厚度小于45cm，上路堤每層松鋪厚度小于35cm。每層填料分兩次填筑，先填筑粗顆粒石料，厚約松鋪層厚度的3/4，用推土機(jī)將粗粒層攤平穩(wěn)壓一遍，再填筑一層石屑或石渣，厚約松鋪層厚度的1/4，其用量約占粗石料的15%～20%，予以填滿大粒徑填料之間的縫隙，攤鋪層面應(yīng)相對(duì)平順，利于碾壓。另外通過碾壓后密實(shí)的細(xì)粒層可以起到一定的阻水作用，減少施工期雨水的下滲。

采用大噸位推土機(jī)整平攤料，整平過程中要將粗細(xì)填料混合均勻，加強(qiáng)填料顆粒的相互擠壓，使其有較好的平整度，避免有明顯的坑槽、低洼或凸起的石塊。

(4)分層碾壓。

①整平后的路堤適當(dāng)灑水，以利于碾壓時(shí)石塊移動(dòng)、嵌鎖。

②壓實(shí)時(shí)的操作要求，應(yīng)先壓兩側(cè)(即靠路肩部分)后壓中間，壓實(shí)路線對(duì)于輪碾應(yīng)縱向互相平行，反復(fù)碾壓。

③碾壓時(shí)，先輕后重，先用25T輪式振動(dòng)壓路機(jī)或相近的重型壓路機(jī)初壓兩遍，起穩(wěn)壓作用，選擇穩(wěn)定的測(cè)點(diǎn)，便于施工中觀測(cè)。

④穩(wěn)壓后再采用加大噸位的壓路機(jī)復(fù)壓6～8遍。加大噸位的壓路機(jī)主要參考技術(shù)指標(biāo)如下：額定功率220kW，激震力590/450kN，最大總作用力810kN。復(fù)壓時(shí)橫向重疊40～50cm，縱向重疊100～150cm，做到無漏壓、無死角。

⑤施工過程中的路堤壓實(shí)度主要以沉降差法控制，必須碾壓至沉降差達(dá)到規(guī)定要求為止。

坡腳反壓或漿砌片石擋墻：為進(jìn)一步防止邊坡從坡腳剪出，在填方邊坡坡腳處采用石方填筑形成反壓平臺(tái)，壓至對(duì)向山包；對(duì)反壓困難位置，采用漿砌片塊石擋墻收口。坡面采用2m厚碼砌邊坡。

經(jīng)驗(yàn)算采用上述措施后填方路堤及地基整體穩(wěn)定性系數(shù)為1.393(見圖15)，滿足安全性要求。同時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明路堤無明顯工后沉降，滿足工程建設(shè)要求。

圖15 處治后填方邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

6 結(jié)論

福建省某高速公路K129+600緊急制動(dòng)車道高填方路堤存在橫坡陡、地表土體物理力學(xué)性質(zhì)差、路堤填方邊坡高度大等特點(diǎn)，本文對(duì)填方邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析、應(yīng)力應(yīng)變特征分析，并提出了相應(yīng)的治理措施，形成以下結(jié)論：

(1)在天然陡坡上填筑路堤將會(huì)導(dǎo)致路堤失穩(wěn)，填方邊坡將沿土石分界面產(chǎn)生滑動(dòng)，從而引發(fā)上部路堤產(chǎn)生滑移，形成牽引式滑坡。填方邊坡穩(wěn)定性受原始邊坡覆蓋層土體力學(xué)性質(zhì)影響較大。

(2)土石分界面處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，土石分界面處土體剪應(yīng)變值最大，填方邊坡易沿土石分界面產(chǎn)生滑動(dòng)，這與穩(wěn)定性分析是一致的。填方邊坡最大水平位移出現(xiàn)在路堤右側(cè)三級(jí)坡面處，最大垂直位移(沉降)出現(xiàn)在二級(jí)坡面處，最大剪應(yīng)變出現(xiàn)在土石分界面處土體內(nèi)部。填方路堤沉降受路基填料力學(xué)性質(zhì)影響較大。

(3)針對(duì)邊坡上述特點(diǎn)，提出清表、挖臺(tái)階、采用石方填筑、加大噸位碾壓、坡腳反壓或坡腳漿砌片塊石擋墻等綜合處治措施，能有效提高填方路堤及地基整體穩(wěn)定性，路基的整體穩(wěn)定及沉降滿足工程建設(shè)要求。

[1]丁靜聲，黃龍顯，姚波.同坡多層髙填路基穩(wěn)定性實(shí)例分析.公路交通科技技術(shù)版，2010.

[2]魏永幸，羅強(qiáng)，邱延峻.斜坡軟弱地基填方工程技術(shù)研究與實(shí)踐.北京：人民交通出版社，2011.

[3]夏元友，李梅.邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法研究及發(fā)展趨勢(shì).巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002.

[4]王清洲，劉淑艷，馬士賓，等.山區(qū)高填方土石混填路基強(qiáng)夯方案優(yōu)化研究.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010.