山區(qū)道路高陡路堤邊坡設計研究

馮小平

(福建省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院 福建福州 350001)

0 引言

福建地區(qū)多為山區(qū)丘陵地帶，特別是內陸地區(qū)，城市的開發(fā)建設大部分都處在群山溝壑中，市政道路建設經(jīng)常會形成在陡坡上的高開挖，深回填路基邊坡。由于建設擾動、區(qū)域降雨、場地地質情況等影響，使建設形成的高陡斜坡容易發(fā)生失穩(wěn)和不均勻沉降破壞，地面橫坡、山體地質和路堤填方高度對邊坡穩(wěn)定性影響較大[1]，需要對高陡路堤邊坡特別關注。因此，本文依托實際工程中遇到的高陡路堤邊坡，探討高陡路堤邊坡在設計過程的方法。

1 項目概況

海云路位于閩清縣，道路用地現(xiàn)狀主要為農(nóng)田、菜地、林地和荒地等，地勢高低起伏大，屬于山區(qū)丘陵地形。海云路線路總長2.2km，分三期建設，一二期道路寬度為25m，三期道路寬度27m，為城市次干路。設計車速為30km/h，采用瀝青混凝土路面，最大縱坡5.5%。為了銜接道路兩側場地高程、周邊規(guī)劃路網(wǎng)高程和道路平面線型及縱坡，道路建設形成大量的高填深挖路基邊坡。本文選取海云路三期經(jīng)典斷面k0+560橫斷面，路面寬27m，路塹邊坡高13.6m，路堤邊坡高26m，現(xiàn)狀地面橫坡35°。

2 地質情況概述

該項目沿線地段原始地貌單元為剝蝕殘丘地貌單元，道路沿線場地內分布的地層自上而下依次為：①雜填土、②含碎石粉質粘土、③砂土狀強風化凝灰?guī)r、④碎塊狀強風化凝灰?guī)r及⑤中風化凝灰?guī)r。主要物理力學參數(shù)值如表1所示。

表1 主要物理力學參數(shù)值

根據(jù)勘察期間所進行的地下水位觀測結果，擬建場地地下水賦存于風化基巖的裂隙之中，地下水類型為潛水，埋藏較深，且道路路基設計高程較高，可不考慮地下水對路基穩(wěn)定性影響。

3 自然放坡和擋土墻支護方案比選

根據(jù)“安全可靠、經(jīng)濟合理、就地取材、便于施工養(yǎng)護”邊坡防護基本原則，根據(jù)項目地質條件，選取自然放坡、擋土墻支護和放坡+擋土墻組合3種方案進行比選。

方案一：采用自然放坡方案。根據(jù)路基填料的物理力學性質、邊坡高度、工程地質條件和穩(wěn)定性計算確定邊坡坡率。邊坡形式采用臺階形，每級邊坡高度為8m，自上而下邊坡坡率分別取1∶1.75、1∶2.0、1∶2.25、1∶2.5，邊坡與邊坡間設2m寬護坡平臺。該方案需占用道路外側河道，需對河道進行改道并對下邊坡進行防沖刷防護，如圖1所示。

圖1 自然放坡方案斷面圖

方案二：采用擋土墻支護方案。在道路人行道外側設置衡重式擋土墻，由于地面橫坡陡，現(xiàn)狀高差大，擋土墻基礎埋深較深，擋土墻高度為16m。通過修建擋土墻，道路不會對外側河道造成影響，如圖2所示。

圖2 擋土墻支護方案斷面圖

方案三：采用放坡+擋土墻組合方案。由于海云路道路全線挖方土石量較大，為了保持道路全線填挖土石方量整體平衡，充分利用道路路塹土石挖方和減少棄土，從節(jié)約道路建設用地和節(jié)省道路建設成本考慮，提出自然放坡+擋土墻支護組合方案。擋土墻高度為12m。該方案能防止路基侵占河道和河道沖刷路基，如圖3所示。

圖3 放坡+擋土墻組合方案斷面圖

對邊坡支護方案進行對比，如表2所示。方案一雖然邊坡工程造價低，如包括河流改道費用，整體工程造價較高，且需占用大量的用地。方案二路基建設用地最少，建設超高擋土墻施工難度大，工程造價高。方案三，修建路堤擋土墻，合理利用了路塹土石方，解決了路基建設用地侵占河道和河道沖刷路基問題。經(jīng)綜合考慮該項目選用方案三。

表2 邊坡支護方案對比表

4 選用圓弧滑裂面計算

采用放坡+擋土墻組合方案修建時，邊坡滑裂面根據(jù)邊坡地質條件和路堤回填材料等可分為圓弧滑裂面和折線滑裂面。參考《公路路基設計規(guī)范》(JTC D30-2015)[2]，在計算邊坡整體穩(wěn)定性時宜采用簡化Bishop法，采用圓弧滑裂面計算，根據(jù)JTC D30-2015公式(1)計算路堤邊坡穩(wěn)定性，即：

(1)

其中，F(xiàn)s為路堤穩(wěn)定系數(shù)；

bi為第i個土條寬度；

αi第i個土條底滑面的傾角；

ci、φi第i個土條滑弧所在土層的黏聚力和內摩擦角；

Wi第i個土條重力；

Qi第i個土條垂直方向外力。

利用理正軟件中邊坡綜合治理模塊，計算圓弧滑裂面穩(wěn)定安全系數(shù)。計算結果如圖4所示。

圖4 圓弧滑裂面計算結果圖

計算出最不利滑裂面前緣位于第二級坡面中下部，后緣位于坡頂處，總的下滑力為473kN，總的抗滑力為657kN。

5 選用折線滑裂面計算

根據(jù)張健，張鑫[3]等研究陡坡路基沿基底的滑動穩(wěn)定性，可能比路基范圍內的滑動穩(wěn)定性更難以滿足；而結合項目現(xiàn)狀地面橫坡35°，則有必要驗算沿填挖交界面滑動的穩(wěn)定性。基此，參考《公路路基設計規(guī)范》(JTC D30-2015)[2]，路堤沿斜坡地基的穩(wěn)定性分析采用不平衡推力法，采用折線滑裂面計算，根據(jù)JTC D30-2015公式(2)、(3)計算路堤邊坡穩(wěn)定性。

(2)

(3)

其中，WQi第i個土條的重力與外加豎向荷載之和；

αi第i個土條底滑面的傾角；

ci、φi第i個土條底的黏聚力和內摩擦角；

li第i個土條底滑面的長度；

Ei-1第i-1個土條傳遞給第i個土條的下滑力；

Fs為路堤穩(wěn)定系數(shù)。

利用理正軟件中邊坡綜合治理模塊，計算沿填挖交界面折線滑裂面穩(wěn)定安全系數(shù)，計算結果如圖5所示。

圖5 折線滑裂面計算結果圖

表3 圓弧滑裂面和折線滑裂面穩(wěn)定安全系數(shù)表

根據(jù)表3計算結果，組合方案穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，方案可行。

6 處治措施

路基填筑條件、填料強度、臺階開挖尺寸、路堤斷面型式和路基滲水等，對高陡路堤邊坡的穩(wěn)定性影響較大[4-5]。根據(jù)工程地質條件，對原地面采用挖臺階處理，臺階寬度不小于2m，臺階底做成向內傾斜4%的坡度。填方路基優(yōu)先選用級配較好的礫類土、砂類土等粗粒土作為填料；對填方邊坡高度≥15 m的高路堤，采用沖擊碾壓或大噸位的壓路機對路基進行補強處理，使路堤填土得到最大的密實度。應用鋪設土工合成材料等綜合措施，提高路堤整體性和強度。在放坡段采用骨架噴草(植灌)防護，設置平臺邊溝和排水溝，防止雨水滲入邊坡和擋土墻墻背。同時，對高邊坡項目進行監(jiān)控，明確監(jiān)測項目和位置，以確保設計方案的可靠性，進而確保本邊坡支護工程的安全。

7 結論

海云路三期高陡路堤邊坡，存在地面橫坡陡、路基填方邊坡高度大、路基邊坡臨近河道等特點，通過高陡路堤邊坡設計方案比選，針對邊坡地質情況進行邊坡穩(wěn)定性分析，主要結論如下：

(1)對高陡路堤自然放坡、擋土墻支護和放坡+擋土墻組合方案進行比較，組合方案在施工難度、土石方利用、建設使用土地、結構穩(wěn)定性和工程經(jīng)濟等方面都具有較大優(yōu)勢；

(2)高陡路堤邊坡需同時滿足路基圓弧滑裂面和沿填挖交界折線滑裂面穩(wěn)定安全性驗算；

(3)高陡路堤設計，需注意地面橫坡處理、路基填料選擇、路基壓實、邊坡排水和邊坡監(jiān)控等問題，對邊坡穩(wěn)定性具有較大影響。