山區(qū)斜坡軟基路堤穩(wěn)定性研究

金 鑫

(中國鐵建昆侖投資集團有限公司貴州分公司，貴州 貴陽 550000)

0 引言

我國西南地區(qū)山高谷深，地形地貌復(fù)雜，山谷之間的盆地常有黏性土分布。由于地區(qū)氣候多雨潮濕，導(dǎo)致黏性土天然含水率高，多為流塑-可塑狀態(tài)的高液限黏土，并具有壓縮性高、強度較低、厚度分布極不均勻的特點。西南地區(qū)的高速公路常沿山谷布線，工程建設(shè)不可避免地在一些斜坡軟弱地基上填筑路基。大量工程案例表明，斜坡軟基路堤的穩(wěn)定性差，施工過程中常發(fā)生整體失穩(wěn)，一些通車后的路段仍可能發(fā)生整體失穩(wěn)現(xiàn)象，這對公路工程建設(shè)帶來了極大的挑戰(zhàn)[1]。國內(nèi)對此也進行了許多研究與實踐，并采取多種技術(shù)措施如清除換填、碎石樁等方式處理[2-3]，也有部分工程直接填筑。在軟基路堤的破壞機理方面，魏小楠、魏永幸、劉金龍[4-6]等人對山區(qū)斜坡軟基上填方路基的成因、工程特性、變形特性、滑坡機理進行了分析與研究。王亞鵬[7]通過室內(nèi)模型試驗、現(xiàn)場壓填試驗和數(shù)值模擬計算相結(jié)合的方法，對壓填片石處理軟基的結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作性狀進行了研究，針對不同填土高度，提出了相應(yīng)的壓填復(fù)合體深度。王希寶[8]以高填方軟弱地基失穩(wěn)處治方案為案例，探討了CFG樁對剪出口與填方區(qū)范圍地基軟弱土進行加固的機理，為復(fù)合地基處治軟基提供了經(jīng)驗。陳紫云[9]對軟弱地基高填方路堤發(fā)生的多次滑移失穩(wěn)進行了深刻研究，剖析了各個階段滑移失穩(wěn)后處治方案的失誤和原因，強調(diào)了準(zhǔn)確掌握具體問題失穩(wěn)機制的重要性，才能做到有的放矢，進而采用針對性強、效果顯著的處治措施。

從已建工程看，軟基路段發(fā)生路基整體失穩(wěn)的概率比較高[10-12]，本研究以貴州某高速公路某整體失穩(wěn)路基為案例，對深厚斜坡軟基路堤的穩(wěn)定性及處治技術(shù)進行了分析研究。運用數(shù)值模擬分析了處治后的路基穩(wěn)定性，計算了路基沉降和位移，結(jié)果表明計算結(jié)果與工程實測數(shù)據(jù)基本相符。

1 工程概況

該路段的路基橫斷面與地質(zhì)狀況如圖1所示。路堤處于斜坡地形上，原地面坡度約10°，坡腳為沖溝。路基填土高度約16 m，兩級邊坡，坡率依次為1∶1.5,1∶1.75，襯砌拱護坡。左側(cè)坡腳處設(shè)置26根1.8 m×2.4 m×20 m抗滑樁。

圖1 路基橫斷面與地質(zhì)狀況Fig.1 Subgrade cross-section and geological condition

地基土為第四系殘坡積層，主要為粉質(zhì)黏土，處于軟塑狀態(tài)，強度較低。路基填筑體及其所處山坡巖土體從上到下依次為：填土，由人工填筑碎石土和黏性土構(gòu)成，主要由粉質(zhì)黏土回填，夾少量礫石；粉質(zhì)黏土，土質(zhì)較均勻，局部巖芯相對較軟，強度相對較低；黏土，土質(zhì)較均勻，未揭穿；圓礫土，鉆探揭示該層最大厚度0.60 m。

該段填方路基于2018年1月開始進行填筑，采用天然混合土石填料進行填筑，2018年9月基本填筑完成，2018年11月路基頂面發(fā)生了開裂，裂縫寬度約10～15 cm，垂直高差約5 cm，長度約60 m，路基一級邊坡平臺位置和坡腳位置均出現(xiàn)了鼓脹變形，而坡腳抗滑樁未發(fā)生位移，抗滑樁處于穩(wěn)定狀態(tài)，即抗滑樁樁頂上部的路基填土發(fā)生了越頂變形。

2 失穩(wěn)機理與處治措施

2.1 失穩(wěn)機理分析

根據(jù)類似工程經(jīng)驗，路堤自身的沉降量一般不會導(dǎo)致如此大的沉降與開裂。路基整體失穩(wěn)后，對該路段進行了補充地質(zhì)勘察。該處的地基為深厚粉質(zhì)黏土和黏土(地質(zhì)勘察至深25 m未揭穿)，土體抗剪強度低，且處于斜坡上，穩(wěn)定性差。因此，可以判斷地基土體抗剪強度低和穩(wěn)定性差是該段路基失穩(wěn)的主要因素。

采用應(yīng)用廣泛的Geo Slope巖土軟件進行穩(wěn)定性分析[13]。土層計算參數(shù)根據(jù)地質(zhì)資料確定，見表1。利用軟件自動搜索最危險滑動面，采用簡化Bishop法計算得出邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為0.831(如圖2所示)，不滿足規(guī)范[2]穩(wěn)定性要求。

圖2 處治前失穩(wěn)時邊坡穩(wěn)定性計算Fig.2 Calculated unstable slope stability before treatment

2.2 處治技術(shù)措施

針對路基失穩(wěn)的成因機理分析，提出了相應(yīng)的處治技術(shù)措施方案。(1)自上而下分層清除原路基填筑體，路基右側(cè)進行邊溝順接；(2)基底分臺階超挖5 m 后，基底澆筑0.5 m厚的素混凝土后采用石渣進行換填；(3)路堤采用石渣進行重新填筑。處治設(shè)計橫斷面如圖3所示。處治后的Bishop法邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.452(如圖4所示)，滿足規(guī)范要求。

圖3 處治后路基橫斷面Fig.3 Cross-section of subgrade after treatment

圖4 處治后邊坡穩(wěn)定性計算Fig.4 Calculated slope stability after treatment

表1 巖土材料的物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of geotechnical materials

3 處治前后對比分析

采用FLAC3D有限差分數(shù)值軟件對破壞時和處治后的路基地基穩(wěn)定性、位移、沉降進行對比分析[14-15]，由于地基圓礫土分布很薄，故模擬的地基土層以粉質(zhì)黏土層和黏土層為主。

3.1 模型的建立

計算模型中，路基的第1級邊坡高8 m，坡率1∶1.5，平臺寬2 m，第2級坡高8 m，坡率1∶1.75，坡腳處設(shè)置1.8×2.4 m抗滑樁，樁長20 m。土層劃分從上至下為粉質(zhì)黏土、黏土。樁體為Elastic彈性模型，土層和其他各種巖土材料單元均設(shè)置為Mohr-Coulomb模型，樁體和土體之間設(shè)置接觸面Interface單元。計算時，模型底部為固定邊界，四周為滾支邊界約束，頂部為自由邊界。處治前和處治后的模型示意如圖5所示，各巖土材料的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

圖5 模型示意圖Fig.5 Schematic diagrams of model

3.2 水平位移對比分析

圖6 水平位移云圖(單位:×10-2 m)Fig.6 Nephograms of horizontal displacement(unit:×10-2 m)

由圖6可知，處治前路基基底的最大水平位移在左幅，且達到9.7 cm，并逐漸向路基坡腳處延伸，坡腳處的水平位移約為8 cm，路基和地基粉質(zhì)黏土層有逐步向外側(cè)滑移，直至失穩(wěn)的風(fēng)險。處治后，原有路基體清除后采用石渣進行了重新填筑，提高了路基本身的自穩(wěn)性，且地基進行了換填處理。處治后的路基基底最大水平位移較處治前明顯減小，僅為3.5 cm。且最大水平位移值的位置由處治前地基往上2 m的位置降至了處治后地基以下6 m的位置，最大水平位移值的范圍也明顯下降。處治后的路基和深0～2 m范圍的地基，其水平位移僅約0～1 cm，穩(wěn)定性得到了大幅度提高。

圖7 沉降云圖(單位:×10-2 m)Fig.7 Nephograms of settlement(unit: ×10-2 m)

3.3 沉降對比分析

對比沉降云圖，由圖7可知，沉降最大值發(fā)生在路基頂面。處治前，路基頂面最大沉降值約17.7 cm，路基左幅坡腳沉降接近0 cm。處治后，路基頂面最大沉降值約為3.3 cm，且路基左幅路肩處沉降約為2.5 cm，左幅坡腳沉降接近0 cm，地基換填和路基重填后，路基沉降明顯減小，處理效果顯著，也說明了路基穩(wěn)定性得到了大幅度改善。

4 沉降和位移觀測

4.1 監(jiān)測點布置

圖8 監(jiān)測點布置Fig.8 Layout of monitoring points

監(jiān)測內(nèi)容主要包括地表與支護結(jié)構(gòu)破壞情況、路基的沉降與位移等[16-18]，在沉降開裂路段、上下邊坡外側(cè)、抗滑樁頂附近設(shè)置沉降、水平觀測點。路基滑坡工點的監(jiān)測斷面沿滑坡主滑動方向布設(shè)，如圖8所示。橫向監(jiān)測斷面分別為滑坡后緣以外的坡體W0-1～W0-2測點、路基左側(cè)坡腳抗滑樁頂附近C/W1-1～C/W1-4測點、路基左側(cè)平臺C/W2-1～C/W2-4測點、左側(cè)路肩位置C/W3-1～C/W3-4測點、滑坡前緣以外的坡體W0-3～W0-4測點，水平位移監(jiān)測點共16個，沉降監(jiān)測點共12個。

4.2 水平位移觀測結(jié)果

圖9 水平位移與時間變化關(guān)系曲線Fig.9 Curves of relationship between horizontal displacement and time

路基處治施工期和運營期不同測點的位移變化如圖9所示。在路基填筑和路面結(jié)構(gòu)層施工期間，受施工擾動的影響，圖9(b),9(c)中路基的位移變形波動較大，月位移量在0～27 mm之間波動。然而，路基位移并沒有隨時間的增長而持續(xù)增加。因此，路基位移變化波動可解釋為主要是路基施工時壓路機碾壓和坡面防護施工對臨近測點擾動影響所致。且圖9(a)滑坡前、后緣以外的坡體在施工期間的位移變形波動范圍僅為0～10 mm，可解釋為距離路基有一定距離，受施工時的影響較小。3.2節(jié)中處治后的路基和深0～2 m范圍地基的水平位移約為0～1 cm，與W0-1、W0-2測點水平位移數(shù)據(jù)0～10 mm基本吻合。在道路運營期間，路基位移逐漸趨于穩(wěn)定，數(shù)據(jù)曲線波動幅度非常小，單點的變化量均在5 mm以內(nèi)。

4.3 沉降觀測結(jié)果

路基的沉降變化如圖10所示。路基經(jīng)歷了一個雨季的考驗，路基的沉降值在12～30 mm范圍內(nèi)。當(dāng)監(jiān)測至2020年7月份時，圖10(a)、10(b)的沉降曲線均開始逐漸收斂，圖10(c)的沉降變化趨勢也逐漸變緩，但收斂不明顯，路基左側(cè)路肩的填筑時間晚于路基坡腳和平臺處，收斂滯后也是正常的。當(dāng)觀測至2020年10月份時，路基左側(cè)坡腳、左側(cè)平臺處的最大沉降值均為30 mm左右，大小相當(dāng)，也與沉降模擬計算結(jié)果2.5～3.3 cm基本吻合。而路肩處的沉降暫時相對較小，為22 mm左右，預(yù)計再經(jīng)歷3～4個月之后路肩沉降達到30 mm也會開始逐漸收斂。

圖10 路基沉降與時間變化關(guān)系曲線Fig.10 Curves of relationship between subgrade settlement and time

從路基沉降和水平位移監(jiān)測結(jié)果分析可知，本段路基的沉降和位移均已趨于穩(wěn)定，目前路基的沉降和穩(wěn)定性(整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定)均得到了保證。監(jiān)測結(jié)果也復(fù)核了數(shù)值模擬計算的準(zhǔn)確性。謹慎起見，應(yīng)繼續(xù)加強道路運營期間尤其是在雨季的沉降和位移監(jiān)測，及時分析與預(yù)判路基穩(wěn)定狀況；并加強雨季道路運營期間的巡查和養(yǎng)護，確保雨季路基右側(cè)邊坡匯水能順利通過排水系統(tǒng)排出。

5 結(jié)論

本研究結(jié)合某具體工程案例，分析了山區(qū)斜坡軟基路堤的失穩(wěn)機理，得到如下主要結(jié)論：

(1)路堤坡腳處設(shè)置的抗滑樁雖可增強穩(wěn)定性，但基底處理不好，仍可能發(fā)生地基的越頂滑移變形。應(yīng)充分論證換填的必要性和換填深度，確保路基與地基的整體穩(wěn)定。

(2)通過數(shù)值模擬軟件對處治前后地基和路基的水平位移、沉降進行了計算對比分析，處治后地基和路基的沉降和水平位移均明顯減小，地基和路基的穩(wěn)定性得到了保證。處治后，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場工程實測結(jié)果基本吻合。

(3)針對具體的斜坡軟基路堤工程問題，應(yīng)準(zhǔn)確認識失穩(wěn)機理，才能采用有效的處治措施。