高地震烈度下的高路堤穩(wěn)定性影響因素研究

馬 康 彭小勇 蒲春林

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

云南、貴州、四川省部分公路穿越高地震烈度地區(qū)，地震動峰值加速度達到0.3～0.4g。在山區(qū)公路中，地形高差大，路線跨越溝谷，難免存在大于20 m的高填方路堤，規(guī)范中將此高度的填方定義為高填方路堤。在環(huán)境敏感區(qū)，棄方位置成為難點，開山石渣無處丟棄，故迫不得已地填筑高路堤以消化廢方。按規(guī)范常用的1∶1.5～2常規(guī)坡率放坡，路基的穩(wěn)定性系數(shù)在1.04附近，無法達到規(guī)范對安全系數(shù)的要求。

何旭等[1]采用極限平衡法，對40 m高的北非某項目高填方路堤設計方案進行了分析與總結(jié)。得出了在地震動峰值加速度為0.3g的情況下“土工布+棄土場反壓+底部填石+大臺階”的綜合處理方案；段彥福等[2]采用有限元分析法，利用midas有限元軟件，得出在地震動峰值加速度為0.3g的情況下，對于8.4 m高的填方，坡腳和H/3高度處在地震作用下容易發(fā)生剪切破壞。土工格柵加筋能有效抵抗地震作用下的邊坡變形；林宇亮等[3]采用振動臺試驗的方法，在地震動峰值加速度為0.1～1g的情況下，研究不同壓實度路堤加速度放大倍數(shù)分布規(guī)律及其影響因素；陳守龍等[4]采用有限元分析法，基于逐步實踐積分法，對水平地震力作用下邊坡受力變形響應特性進行了分析，提供一種設計計算的方法。以往的研究采用不同的方法與不同的模型。但多數(shù)為單一工點方案討論，著重于介紹實際方案，暫時缺少幾種思路方案優(yōu)劣對比及取舍。同時，以往研究的填方高度普遍不大。

1 路堤穩(wěn)定性影響因素

對于高路堤的側(cè)向整體穩(wěn)定性，主要受地面橫坡、地質(zhì)條件、路基填料、地震加速度等影響。在同一工點中，以上因素均為定量，且客觀存在、無法改變，則設計方案就決定了路堤的穩(wěn)定與否。從經(jīng)驗上來說，填方高度越高、邊坡坡率越陡，路堤的穩(wěn)定性就越差。特別地，在高地震烈度環(huán)境下，常規(guī)的設計方案將出現(xiàn)問題。另一方面從路基填料因素入手，在路基內(nèi)鋪設格柵筋帶，能提高路基填料自身的抗剪強度，從而達到提高路堤穩(wěn)定性的目的。

2 工程概況

2.1 場區(qū)情況

云南某公路根據(jù)云南省地震帶劃分，區(qū)域?qū)儆凇肮ⅠR-瀾滄地震帶”，該地震帶長300 km、寬160～200 km，最大地震的發(fā)震時間為1988年11月6日，震級為7.6級。根據(jù)GB 18306-2015 《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，項目設計基本地震動峰加速度為0.30～0.40g，地震動反應譜特征周期均為0.45 s，地震基本烈度為VIII～IX，屬于高地震烈度區(qū)。

2.2 地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報告，場區(qū)沖溝底部下伏巖土由上至下依次為：①坡積黏土(Q4dl+pl)，褐色至深褐色，可塑狀，中濕，含少量約10%碎石，粒徑0.5～1 cm。鉆孔揭露厚度為5.30～8.56 m；②強風化綠泥片巖(Ptml)，結(jié)構(gòu)破碎，風化嚴重，強度低，巖質(zhì)軟，風化層厚度8～10 m，巖性呈碎塊狀。③中風化綠泥片巖(Ptml)，巖性呈短柱狀，偶見柱狀。柱長6～10 cm，巖體結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，巖芯采取率75%～85%。

3 分析模型

3.1 分析方法

目前，邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有定性分析、定量分析和不確定分析3大類[5]，其中定量分析方法有極限平衡法、有限元法較為常用[6]。本文分析采用南京庫倫GEO5軟件進行穩(wěn)定性分析，分析方法為控制變量的極限平衡法。穩(wěn)定性計算方案取3種：畢肖普法(Bishop)、摩根斯坦法(Morgenstern-Price)和簡布法(Janbu)。地震工況下邊坡穩(wěn)定性計算采用擬靜力法[7-8]。

3.2 計算剖面

選取工點位于兩隧道之間的明線處，隧道長度分別為2 112，1 366 m。場區(qū)為構(gòu)造侵蝕中低山溝谷地貌，路線位于瀾滄江上游，棄土條件極差，遂以填方路基穿過沖溝，以消化前后隧道洞渣。計算斷面為K47+740，中心設計填高57.79 m，地面橫坡10°～15°，以設計坡比放坡后左側(cè)填方高度達78 m，其斷面示意見圖1。

圖1 計算斷面K47+740(單位：m)

3.3 計算參數(shù)

1) 巖土參數(shù)。根據(jù)工點勘察報告，本次計算選用的巖土體物理力學參數(shù)見表1。

表1 各巖土體參數(shù)一覽表

2) 地震參數(shù)。該路堤位于場區(qū)地震動峰值加速度0.4g，地震動反應譜特征周期均為0.45 s，地震基本烈度為IX。依據(jù)JTG B02-2013 《公路工程抗震規(guī)范》中相關(guān)條款，設置地震參數(shù)見表2。

表2 地震參數(shù)表

4 各因素的影響情況分析

4.1 填方高度

本次研究旨在分析高地震烈度區(qū)的高填方穩(wěn)定性，故控制填方邊坡高度由30 m起算，以10 m一階均勻上升，最高填方高度設為90 m。作為統(tǒng)一：填方坡比為1.5-1.75×2-2，第一級邊坡高度為8 m，其余邊坡高度為10 m，平臺寬度統(tǒng)一為2 m。經(jīng)過逐一計算，穩(wěn)定性系數(shù)隨填方高度變化的趨勢見圖2。

圖2 穩(wěn)定性系數(shù)與填方高度關(guān)系圖

4.2 填方坡比

高地震烈度區(qū)，按照常規(guī)坡比放坡，所得的填方路基在極端地震發(fā)生時的穩(wěn)定性系數(shù)已經(jīng)難以滿足規(guī)范對安全系數(shù)的要求。故設置不同坡比的填方放坡方式，研究其穩(wěn)定性情況。為了控制變量，取填方中心填高為定值24.04 m。設置試驗組以常規(guī)坡比1.5-1.75×2-2為起點，逐步放緩，坡比設置情況見表3。不同放坡坡比下的穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果見圖3。

表3 不同坡比試驗組設置表

圖3 穩(wěn)定性系數(shù)與填方坡比關(guān)系圖

4.3 路基加筋

現(xiàn)今路基土自身加固措施中，加筋成為常見處置措施。加筋土路基通過筋帶與路基土之間的摩擦，能充分發(fā)揮筋帶的抗拉強度，減少路堤填筑后的地基不均勻沉降，提高地基承載能力，增強路堤的整體性和穩(wěn)定性。相比于常規(guī)筋帶土工格柵，三維結(jié)構(gòu)的土工格室更是在提供筋帶摩擦力的基礎上，提供了格室內(nèi)一定土體的側(cè)向約束，以達到更好的效果。

圖4 土工格室大樣與路基內(nèi)布置示意圖

加筋土在高地震區(qū)的利用已成為一種有效、經(jīng)濟的處置方式。加筋間距可根據(jù)不同型號的筋帶、不同情況的工點進行調(diào)整。本次研究選取筋材厚度為90 mm的土工格室，抗拉強度取110 kN/m。筋帶位于近坡面?zhèn)?，設置反包，滑體內(nèi)端點假設為固定。設置加筋間距分別為20，10，5，2 m作為研究對象，并設置不加筋組作為對照。取填方中心填高為定值24.04 m(填方高度42.15 m)，填方坡比1.5-1.75×2-2。

圖5 穩(wěn)定性系數(shù)與加筋間距關(guān)系圖

4.4 結(jié)果分析

1) 填方高度對于路基穩(wěn)定性的影響。由圖2可知：①穩(wěn)定性系數(shù)從趨勢上來看，隨填方邊坡高度的增大而降低；②圖中當填方高度處于50～70 m范圍時，結(jié)合具體工點，填方坡腳局部地形相對平緩，坡腳處屬于阻滑段。當填方高度增加時，坡腳阻滑段增長，抗滑力相對增大，從而造成了穩(wěn)定性系數(shù)的不降反增；③隨著填方高度由30 m增大到90 m，穩(wěn)定性系數(shù)并無某區(qū)間內(nèi)驟降趨勢顯示，整個區(qū)間的穩(wěn)定性系數(shù)僅從1.08降至了0.99，幅度較小。這表明只要基底滿足填筑要求，且填方體本身抗剪強度能夠保證(嚴格控制填方施工質(zhì)量)，填方高度的增大不會成為極大影響填方穩(wěn)定性的原因；④因為基本假設的不同，Bishop法在本工點問題的計算上存在稍大的誤差(因為考慮了土體條帶之間的相互作用力)。Bishop法和Morgenstern-Price法得到結(jié)果吻合度較高，其中Morgenstern-Price法相對更加保守。

2) 填方坡比對于路基穩(wěn)定性的影響。從圖3的結(jié)果可知：①穩(wěn)定性系數(shù)隨著填方坡比的放緩而提高，且效果顯著(1.05～1.29)；②Bishop法、Janbu法和Morgenstern-Price法得到結(jié)果吻合度較高，其中Janbu法和Morgenstern-Price法相對更加保守；③按JTG B02-2013《公路工程抗震規(guī)范》中相關(guān)條款，抗震區(qū)高路堤的穩(wěn)定性系數(shù)不應小于1.15。從本次計算中可知，擬用坡比2-2.25×2-2.5放坡，邊坡的自穩(wěn)性可基本滿足抗震要求，再加之適當?shù)?普通防護)支檔、路基土處置、加筋等，小幅度提高穩(wěn)定性系數(shù)，即可保證路堤穩(wěn)定性。同時此坡比也不至于過緩，對于填方坡腳收坡和節(jié)省占地范圍均有利；④在以近乎均勻的坡率放緩邊坡的過程中，穩(wěn)定系數(shù)也近似均勻地提高。

3) 填方加筋對于路基穩(wěn)定性的影響。從圖5的結(jié)果可知：①路基加筋后能較為顯著(1.04～1.17)地提高路基的穩(wěn)定性系數(shù)；②以《公路工程抗震規(guī)范》中相關(guān)條款，抗震區(qū)高路堤的穩(wěn)定性系數(shù)不應小于1.15。從本次計算中可知，常規(guī)1.5-1.75×2-2坡比下，設置2 m間距的土工格室能使路基整體達到穩(wěn)定性要求，這可用于地形較陡、放坡條件較差、需要較陡坡率收坡的填方路段；③Janbu法和Morgenstern-Price法得到結(jié)果吻合度較高且更加保守，并在設置間距為2 m時，穩(wěn)定性系數(shù)超過Bishop法所得；④2 m間距鋪設土工格室，在填方高度較高、填方面積較大時，格室的工程量較大，經(jīng)濟性相對稍差。實際設計中可綜合與放緩坡比、鋪設間距大于等于5 m方案做經(jīng)濟性對比，擇優(yōu)推選。

5 結(jié)論

1) 以0.4g為例，高地震下的高填方穩(wěn)定性較差。在無下伏軟弱層的情況下，常規(guī)路基方案的自身穩(wěn)定性系數(shù)均處于1.00～1.10，無法達到規(guī)范要求。

2) 常規(guī)處置措施中，可通過控制填方高度、放緩坡比、路基加筋的手段來提高路堤穩(wěn)定性。

3) 基底滿足填筑要求，且填方體本身抗剪強度能夠保證，填方高度的增大不會成為極大影響填方穩(wěn)定性的原因，但會造成小幅度影響(僅1.08～0.99)。

4) 填方穩(wěn)定性系數(shù)隨著填方坡比的放緩而提高，且效果顯著(1.05～1.29)。擬用2-2.25×2-2.5坡比放坡，邊坡的自穩(wěn)性可基本滿足抗震要求，同時此坡比也不至于過緩，對于填方坡腳收坡和節(jié)省占地范圍均有利。

5) 路基加筋后可較為顯著(1.04～1.17)地提高路基的穩(wěn)定性系數(shù)。筋帶鋪設間距2～5 m，配合常規(guī)支擋措施，可基本解決填方高度40余m的斜坡填方在高地震區(qū)的自身穩(wěn)定問題。