路基邊坡加固技術(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用要點(diǎn)分析

吳婷婷

(長(zhǎng)沙市望城區(qū)城市發(fā)展集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410200)

1 引 言

進(jìn)入“十四五”開(kāi)局之年，公路的建設(shè)由城市向自然地質(zhì)條件較差的山區(qū)沿伸。路塹邊坡的修建改變了巖土體原有應(yīng)力狀態(tài)，降低了邊坡的穩(wěn)定性，在山區(qū)地表水的影響下，坡面容易產(chǎn)生徑流，導(dǎo)致坡面巖土遭到?jīng)_刷，造成邊坡失穩(wěn)，還會(huì)威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。路堤邊坡填筑完成后，在重力以及車(chē)輛荷載的長(zhǎng)期作用下，會(huì)出現(xiàn)路基整體沉降以及局部沉降的現(xiàn)象；在水的影響下，路堤邊坡穩(wěn)定性也會(huì)降低，出現(xiàn)路基滑動(dòng)或者邊坡滑塌。因此對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性影響因素以及加固技術(shù)進(jìn)行研究，依托實(shí)際工程，對(duì)現(xiàn)有的路基邊坡加固技術(shù)提出優(yōu)化變得十分重要[1,2]。

2 路基邊坡病害及其影響因素

2.1 路堤邊坡

在道路修建過(guò)程中，路堤邊坡的病害主要有路堤整體沉降、路堤邊坡的失穩(wěn)。路堤邊坡病害主要有以下幾個(gè)影響因素。

(1)道路所在的地區(qū)地質(zhì)條件較差，原基礎(chǔ)強(qiáng)度較低。特別是在泥沼、黃土地區(qū)填筑路堤，如果填筑前未對(duì)原基礎(chǔ)采取相關(guān)措施進(jìn)行加固處理，在路堤填筑完成后，原路基在填料重力的作用下產(chǎn)生較大的沉降。

(2)水文氣候環(huán)境。在自然條件較差的地區(qū)修建道路時(shí)，路堤穩(wěn)定性會(huì)受到水文氣候環(huán)境的影響。在年降雨量較大、凍土等地區(qū)修建的路堤會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降的現(xiàn)象。

(3)路堤填料質(zhì)量。路堤填料的質(zhì)量也會(huì)很大程度上影響路堤的穩(wěn)定性，路堤填料中的有機(jī)質(zhì)土、黃土、膨脹性土等劣質(zhì)土的含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致路堤在雨水作用下產(chǎn)生局部沉降。

(4)路堤施工質(zhì)量。路堤邊坡的穩(wěn)定性很大程度上取決于路堤的施工質(zhì)量。在路堤施工中，填料壓實(shí)度不足、排水不通暢都會(huì)造成路堤邊坡的病害。

2.2 路塹邊坡

路塹邊坡是指道路修建過(guò)程中挖方形成的邊坡，在自然環(huán)境等因素的影響下邊坡內(nèi)部巖體抗剪強(qiáng)度降低，路塹邊坡常出現(xiàn)滑坡等病害。路塹邊坡病害主要有以下幾個(gè)影響因素。

(1)路塹邊坡的幾何形態(tài)。路塹邊坡幾何形態(tài)是指邊坡高度、邊坡坡度。路塹邊坡的幾何形態(tài)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響很大，當(dāng)路塹邊坡的高度和坡度較大時(shí)，容易出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象。路塹邊坡的穩(wěn)定性也受到坡面形狀的影響，凸形邊坡比凹形邊坡更可能發(fā)生滑坡。

(2)地層巖性。不同的地層巖體由于其礦物組成不同，會(huì)導(dǎo)致其物理性質(zhì)和力學(xué)強(qiáng)度也大不相同。對(duì)于一些巖石，其質(zhì)地堅(jiān)硬，抗剪強(qiáng)度大，抵御雨水侵蝕的能力較強(qiáng)，由其形成的邊坡穩(wěn)定性較好。

(3)路塹邊坡內(nèi)部巖體結(jié)構(gòu)。巖質(zhì)路塹邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)面之間的聯(lián)通程度和發(fā)育程度都會(huì)影響路塹邊坡的穩(wěn)定性。同時(shí)，路塹邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的傾向也會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。另外，巖質(zhì)邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的存在也為地下水的活動(dòng)提供了便利，為路塹邊坡失穩(wěn)提供了條件。

(4)地質(zhì)構(gòu)造影響。路塹邊坡穩(wěn)定性也受到巖體地質(zhì)構(gòu)造的影響，邊坡內(nèi)部巖體的褶皺往往會(huì)引起邊坡滑塌，具有反向傾斜結(jié)構(gòu)的邊坡穩(wěn)定性較好。另外，巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育會(huì)使巖質(zhì)邊坡的完整性降低，導(dǎo)致邊坡發(fā)生滑坡崩塌等災(zāi)害。

(5)其他外在因素影響。根據(jù)相關(guān)研究，水以及人類(lèi)工程活動(dòng)都是路塹邊坡穩(wěn)定性的重要影響因素。含有CO2等氣體的水會(huì)與巖體發(fā)生化學(xué)作用，對(duì)巖體產(chǎn)生侵蝕，降低巖體的抗剪能力。另外，人類(lèi)不恰當(dāng)?shù)墓こ袒顒?dòng)也會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。

3 路基邊坡加固技術(shù)研究

路基邊坡的加固是指通過(guò)工程手段對(duì)存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的路基邊坡進(jìn)行處理，以提高公路行車(chē)安全以及舒適性的方法。路基邊坡的加固類(lèi)型一般分為輔助加固和主體加固技術(shù)[3]。

3.1 路基邊坡主體加固技術(shù)

路基邊坡主體加固技術(shù)是指通過(guò)技術(shù)手段增強(qiáng)路基邊坡主體力學(xué)參數(shù)，降低邊坡失穩(wěn)的可能。路基邊坡常用的加固技術(shù)主有以下幾種。

(1)換填法。換填法是指在實(shí)際工程中將天然地基上部一定范圍內(nèi)的軟弱土置換成為砂、礫石、礦渣等強(qiáng)度較大、壓縮性較小的材料。對(duì)于路堤邊坡來(lái)說(shuō)，其穩(wěn)定性受到路堤填料以及原路基強(qiáng)度的影響，采用換填法對(duì)原有軟弱地基進(jìn)行處理，提高了填筑后路堤邊坡的穩(wěn)定性，且換填法施工難度較小，經(jīng)濟(jì)性較高。

(2)固化劑處理。固化劑處理是指將水泥、粉煤灰、石膏等摻入路基填筑材料，改善路基填料力學(xué)參數(shù)的一種加固技術(shù)。采用固化劑處理的路堤填料進(jìn)行路堤邊坡的修筑，增強(qiáng)了路堤邊坡的抗剪強(qiáng)度以及抵御水損害的能力，降低了路堤邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)錨固處理。路塹邊坡加固技術(shù)中，錨固處理是指將金屬桿件打入邊坡破碎巖體內(nèi)部，通過(guò)混凝土砂漿將邊坡破碎巖體與內(nèi)部穩(wěn)定巖體粘結(jié)為一體的加固技術(shù)。錨固處理采用金屬桿改善了巖體的抗拉能力差的問(wèn)題，對(duì)于節(jié)理裂隙發(fā)育的路塹邊坡具有很好的加固效果[4]。

(4)抗滑樁加固?？够瑯妒侵复┻^(guò)邊坡滑體深入滑床的結(jié)構(gòu)物。工程中，抗滑樁通過(guò)抵抗滑坡體的滑動(dòng)，防止邊坡的滑動(dòng)失穩(wěn)，在路塹邊坡加固中應(yīng)用廣泛[5]。

(5)格構(gòu)加固。格構(gòu)加固是指將錨桿或錨索與格構(gòu)梁結(jié)合形成加固技術(shù)。格構(gòu)加固通過(guò)格構(gòu)梁與錨桿將邊坡松動(dòng)巖體的下滑力分散傳遞到巖體內(nèi)部，錨桿與錨索還可以增強(qiáng)巖體的抗剪強(qiáng)度。在坡度較大、有落石風(fēng)險(xiǎn)的路塹邊坡的加固中應(yīng)用較為廣泛[6]。

(6)生態(tài)加固。邊坡生態(tài)加固是指在邊坡上種植植被并與巖土技術(shù)相結(jié)合形成的一種邊坡加固技術(shù)。采用生態(tài)加固技術(shù)對(duì)路塹邊坡進(jìn)行加固有助于節(jié)約水資源、減緩水土流失，還可以提高行車(chē)舒適性，具有良好的綜合效益[7]。

3.2 路基邊坡輔助加固技術(shù)

當(dāng)路堤邊坡高度較高且可能受到道路排水沖刷時(shí)，如果不設(shè)置邊坡輔助加固設(shè)施，邊坡在水流的沖刷下很容易發(fā)生破壞。常用的路基邊坡輔助加固設(shè)施主要有截水溝和坡內(nèi)排水溝。

截水溝是指在邊坡上部設(shè)置的防止地表徑流進(jìn)入坡體的邊坡加固輔助設(shè)施，對(duì)于可能受到水流沖刷的路堤邊坡，應(yīng)當(dāng)在道路邊緣設(shè)置截水溝，防止路堤邊坡的沖刷破壞。

坡內(nèi)排水溝是指在邊坡內(nèi)設(shè)置的排水溝，破內(nèi)排水溝能夠?qū)⒙访鎻搅骰蚪厮疁蠀R集的水流快速排出坡體，防止邊坡產(chǎn)生破壞。

4 工程實(shí)例研究

4.1 項(xiàng)目概況

該路塹邊坡坡高20 m，坡度為1∶1.5。地質(zhì)調(diào)查表明，該處邊坡地層主要由風(fēng)化砂巖組成，由于受到降雨侵蝕的影響，該邊坡出現(xiàn)了局部掉落碎石現(xiàn)象，并有滑坡風(fēng)險(xiǎn)。因此需要對(duì)該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和加固，以保證該路段的安全運(yùn)行。綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本，加固效果，該治理工程采用抗滑樁對(duì)邊坡進(jìn)行加固，抗滑樁樁徑0.8 m，距離坡腳20 m，樁間距為5 m沿邊坡水平方向等間距布置。

4.2 數(shù)值模擬

通過(guò)Abaqus建立有限元模型對(duì)上述工程進(jìn)行分析計(jì)算。模型寬度為60 m，左側(cè)高度為15 m，右側(cè)高度為35 m。模型左右兩側(cè)約束條件為水平約束，底部約束條件為垂直約束。

(1)抗滑樁加固機(jī)理研究

對(duì)采用抗滑樁加固的邊坡進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到邊坡位移和等效塑性應(yīng)變。

可以看出，抗滑樁設(shè)置后，與未加固前相比，路基內(nèi)部的位移生了變化，抗滑樁下方位移較大，邊坡下滑力大幅度減小。路基的等效塑性應(yīng)變?cè)诳够瑯兜淖饔梅植几泳鶆?。路基整體處于安全狀態(tài)，表明設(shè)置抗滑樁可以顯著提高路塹邊坡的整體穩(wěn)定性。

(2)抗滑樁加固設(shè)計(jì)優(yōu)化

在樁的其他參數(shù)不變的情況下，對(duì)不同長(zhǎng)度的抗滑樁加固情況進(jìn)行了模擬。通過(guò)計(jì)算不同長(zhǎng)度抗滑樁加固時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)、邊坡最大位移的值評(píng)價(jià)抗滑樁的加固效果，對(duì)實(shí)際工程中抗滑樁的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

圖1為不同長(zhǎng)度抗滑樁加固時(shí)邊坡最大位移規(guī)律圖。當(dāng)邊坡未進(jìn)行抗滑樁加固時(shí)，邊坡最大位移為8.254 cm。當(dāng)抗滑樁長(zhǎng)度為22 m時(shí)，邊坡最大位移量為5.443 cm，比未進(jìn)行加固的邊坡減小了36.15%的位移量。當(dāng)抗滑樁長(zhǎng)度為24 m時(shí)，邊坡最大位移量為4.223 cm，減小了22.41%的位移量。當(dāng)抗滑樁長(zhǎng)度為26 m時(shí)，邊坡最大位移量為3.321 cm， 減小了21.36%的位移量。當(dāng)抗滑樁長(zhǎng)度為28 m時(shí)，邊坡最大位移量為2.761 cm，邊坡減小了16.86%的位移量。當(dāng)抗滑樁長(zhǎng)度為30 m時(shí)，邊坡最大位移量為2.621 cm，邊坡減小了5.07%的位移量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，抗滑樁對(duì)邊坡最大位移具有良好的控制效果。當(dāng)抗滑樁長(zhǎng)度為28 m時(shí)，隨著樁長(zhǎng)增加，邊坡最大位移減小幅度逐漸下降。因此，抗滑樁長(zhǎng)度為28 m時(shí)，抗滑樁對(duì)路塹邊坡的位移控制效果最好。

圖1 邊坡最大位移隨變化規(guī)律

圖2為不同長(zhǎng)度的抗滑樁對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)影響規(guī)律圖。從圖2可知，邊坡穩(wěn)定系數(shù)會(huì)隨著抗滑樁長(zhǎng)度的增加而增加，但是該曲線的斜率隨著樁長(zhǎng)增加逐漸減小，當(dāng)樁長(zhǎng)超為28 m時(shí)，曲線趨于平緩。這表明，如果此時(shí)單純?cè)黾涌够瑯堕L(zhǎng)度，邊坡穩(wěn)定系數(shù)不會(huì)有特別大的提高。

圖2 邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律

綜上所述，通過(guò)對(duì)不同長(zhǎng)度抗滑樁加固下的邊坡最大位移量控制以及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，將抗滑樁長(zhǎng)度設(shè)置為28 m的加固效果最好。

5 結(jié) 論

路基邊坡的穩(wěn)定對(duì)公路后期運(yùn)營(yíng)的安全十分重要。通過(guò)對(duì)影響路基邊坡穩(wěn)定性的因素以及常用加固措施進(jìn)行了研究。主要得到以下結(jié)論。

(1)在路基邊坡穩(wěn)定性影響因素中，路堤邊坡的穩(wěn)定性受到路基填料質(zhì)量以及路基施工質(zhì)量影響；路塹邊坡穩(wěn)定性受到邊坡幾何形態(tài)、地質(zhì)條件的影響較大。路基邊坡的加固技術(shù)根據(jù)加固機(jī)理不同可以分為邊坡主體加固技術(shù)和邊坡輔助加固技術(shù)。

(2)采用抗滑樁對(duì)邊坡進(jìn)行處理后，抗滑樁下部邊坡位移減小，邊坡下滑力減小?？够瑯兑彩沟寐穳q邊坡內(nèi)部等效塑性應(yīng)變的分布更加均勻，增強(qiáng)了邊坡的穩(wěn)定性。

(3)通過(guò)對(duì)不同長(zhǎng)度抗滑樁的加固效果計(jì)算得出，增加樁長(zhǎng)可以減小路塹邊坡最大位移量，提高邊坡穩(wěn)定系數(shù)。但是當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)28 m時(shí)，抗滑樁對(duì)邊坡的加固效果呈下降趨勢(shì)，在實(shí)際工程中考慮到施工成本應(yīng)當(dāng)對(duì)抗滑樁長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化。