山区高速公路弃土场选址分类方法及其稳定性分析＊

彭 立，黄伟伟，徐希武，李宏泉，方理刚，吴仁铣

(1.湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙 410008;2.中南大学 土木工程学院，湖南长沙 410075)

山区高速公路弃土场选址分类方法及其稳定性分析＊

彭 立1，黄伟伟2，徐希武2，李宏泉1，方理刚2，吴仁铣2

(1.湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙 410008;2.中南大学 土木工程学院，湖南长沙 410075)

通过现场调研，提出锁口型、敞口型、坡面型3种弃土场选址分类方法。运用Bishop－圆弧搜索法模拟弃土场坡体滑动面可能发生的位置，采取加固与防护措施，并周期性地监测墙背土压力变化情况。结果表明:锁口型弃土场是最安全、最合理的设计方法，由于弃土场土体的松散特性，弃土场的局部稳定性较差，坡体上部土体对拦挡结构产生的土压力最大。该研究结果可为今后类似工程提供借鉴。

弃土场;锁口型;稳定性;土压力

公路建设特别是西部地区山区公路建设中，不可避免地会产生大量弃土(石)。弃土场是公路建设中具有破坏性的线外附属工程，乱堆乱弃、弃而不管的现象比较普遍。国内外，弃土场设计与施工没有一套完整的体系作为指导，弃土场引起的地质灾害屡屡发生。

弃土场选址不合理，不仅会给周围环境带来破坏，而且还影响周围居民的生命安全。弃土场位置选择和设计是土方工程的一项重要内容，弃土场若选择在陡坡上，甚至在滑坡体上，极易产生工程滑坡，或者诱使古滑坡复活。另外，弃土随意堆放于挖方坡顶，会给边坡施加不小的超载，并可能造成坡顶积水，在荷载作用和雨水下渗的影响下，很容易造成边坡滑塌失稳［1－5］。

弃土场是一种人工形成的边坡，其稳定性比自然边坡差，它的破坏是有回填形成的松散坡体的破坏，坡体在各种内力和外力的共同作用下，极易产生剪切破坏和土体移动。因此，弃土场稳定性问题在工程设计和施工中应引起足够的重视。

1 弃土场选址分类方法

通过对湖南省内山区公路弃土场现场调研，从安全和环保方面分析，总结提出涵盖考虑稳定性、水土保持、景观协调、弃土场设计类型的3种弃土场选址分类方法和设计原则，即锁口型、敞口型、坡面型弃土场分类方法和设计原则。

锁口型弃土场设计原则，从弃土场稳定性方面研究，锁口型弃土场能够紧紧地将弃土包裹起来，使弃土场的土体更紧密，稳定性更高。从改变地形地貌方面研究，锁口型弃土场很好地将凹地填平，较平地来说，地形地貌变化不大。从占用土地效益方面研究，一般肚大口小的地方，都是没有效益的废弃无用土地，所以锁口型弃土场可以不用占农田、耕地等有效益的土地。从防护加固方面考虑，锁口型弃土场可以不用或少用防护加固措施，只需在锁口处，设计拦挡排水等防护加固设施。

图1 提出锁口型弃土场Fig.1 Locking type spoil ground

图2 锁口型弃土场设计示意图Fig.2 Locking type spoil ground design sketch

敞口型弃土场设计原则，相对于锁口型弃土场，稳定性稍差。从示意图3上可以看出敞口型弃土场的选址特征是:弃土场分为2部分，一部分土体在斜坡上，一部分在平地上。如果地基承载力足够，平地上的土体是处于稳定状态，而斜坡上的土体存在向下滑动的趋势，对平地上的土体产生推力作用，一旦推力过大，弃土场容易发生破坏。

图3 敞口型弃土场设计示意图Fig.3 Exposure type spoil ground design sketch

坡面型弃土场设计原则，在弃土场3种分类中，稳定性最差。一般公路施工中产生的弃土比较多，且周围没有很好的场址可以放置弃土，考虑到运距因素，将弃土放置在附近的荒坡上，这种看起来对无效益的荒坡没有产生影响，但存在的安全隐患却非常巨大，由于整个弃土场都处于不稳定的状态，弃土场与坡面接触的基底可能都是滑动带，整个弃土场都有向下滑动的趋势，这种弃土场设计方法欠佳。

图4 坡面型弃土场设计示意图Fig.4 Slope type spoil ground design sketch

2 弃土场稳定性分析

2.1 稳定性分析方法

弃土场稳定性问题一直是公路建设中的一个重要研究内容。弃土场稳定性分析方法很多，不同的方法又各具特点，有一定的适用条件。弃土场稳定性分析的一般步骤为:实际坡体—力学模型—数学模型—计算方法—结论［6－7］。极限平衡法建立在库伦和郎肯2种不同的思路基础上，这也引起了极限平衡法2个独立分支的形成。一是通过研究滑裂面上作用的力的静力平衡和确定临界滑裂面求得问题的解，在此基础上导出了目前广泛采用的稳定分析的条分法;另一是在假定土体内处处达到极限平衡状态的前提下，用特征线法求解应力场，在一定的简化条件下，获得问题的闭合解。极限平衡法分为极限平衡分析的垂直条分法和滑移线法［8］。

2.2 加固与防护措施

针对不同的山区公路弃土场岩体类型及其破坏模式应相对采用不同的治理措施。为了体现协调性原则，稳态坡形的选择或补强方案的制定必须考虑新建山区公路弃土场的稳态或被加固体的稳态要同自然坡体的稳态相互协调。治理病害山区公路弃土场的方法种类很多，就其所起的作用来说，原则上可分为2种:一种是当山区公路弃土场整体稳定无问题，仅对表部或局部出现的变形破坏而采取的防护措施，例如为防止山区公路弃土场冲刷、侵蚀、风化或局部崩塌的防护措施;另一种则是山区公路弃土场本身不能保持稳定，为清除或减少各种不稳定因素，增强山区公路弃土场稳定性的整治工程措施。从以下3个方面做好弃土场防护与加固措施［9］:

(1)排水工程:应设置地表排水设施和地下排水设施，消除或减轻水对山区公路弃土场稳定性的影响。地表排水设施主要有:截水沟、排水沟和急流槽等;地下排水设施主要有:排水管、泄水孔和反滤层等。

(2)拦挡工程:对有潜在滑动面的弃土场坡体，拦挡工程的修建是必不可少的。拦挡工程可以改善山区公路弃土场的力学平衡条件。拦挡措施主要有:设置抗滑挡墙(重力式挡土墙、锚索挡墙、土钉墙、薄壁式挡墙、加筋土挡土墙、锚定板挡土墙)、抗滑桩、锚固或预应力锚固等。

(3)绿化工程:防止坡面风化，水土流失，脱落，需对弃土场坡面进行绿地整理，增强弃土场坡体稳定性，同时可以改观弃土场与周围环境的协调性。绿化工程主要有:树木栽植、草坪、花卉种植和复耕工程(复耕还林和复耕还农)等。

拦挡加固工程是弃土场坡体防治中的有效方法。近年来在完善已有措施的基础上，正向复合结构、轻小型化和机械化施工方向发展。同时各类弃土场滑坡治理也从单一方式向综合方式发展，由被动受力向主动抗滑发展。山区公路弃土场的拦挡结构形式选用时可根据场地地质环境条件、山区公路弃土场高度以及弃土弃渣岩体的类型［10］。

2.3 实例分析

吉怀高速公路第十九合同段是包头—茂名(包茂高速)高速公路中吉首至怀化的一段，其中K98+800处有一个正在施工的弃土场，运用Bishop－圆弧搜索法理论基础，通过软件模拟该弃土场局部和整体最可能发生滑动的10个滑移面。

在实际工程中，采用现场监测技术，观察K98+800弃土场土体对挡土墙产生的土压力的周期性变化，分析其稳定性变化规律。

2.3.1 弃土场坡体模拟分析

在弃土场坡体上选取某个断面，对其进行局部和整体搜索，找到可能发生的滑动面。

从地形图中可得中断面地表和地层线段的坐标如表1，其中地层1为红砂岩，地层2为亚砂土。

表1 断面边界坐标Table 1 The boundary coordinate of section

断面分析图见图5，从图中可以看出:局部和整体滑动面主要集中在弃土场坡体下端的土体，说明挡土墙上部会受到最大的滑动力作用。

图5 断面滑移面分析图Fig.5 The sliping surface of section

在分析地层和坡体走向时，选择局部最危险滑移面进行计算。对搜索范围有如下设计:允许搜索的起点的范围为从X坐标值12到X坐标值14，允许搜索的终点范围为从X坐标值25到X坐标值30。搜索的密度，在起点范围内设计10个点数，通过每一个点的滑动面数为10个。其中，滑动面条分线段长度为1 m。

由于存在潜在滑动面的危险，弃土场需要进行拦挡措施，考虑拦挡工程对弃土场坡体的力系平衡作用，再计算弃土场坡体稳定性，结果如表2，拦挡工程稳定性符合要求。

表2 弃土场稳定性计算结果Table 2 Retaining wall stability calculations

2.3.2 弃土场现场监测

K98+800弃土场的挡土墙有6 m高，在弃土之前，挡土墙已修建好，在墙背同一深度左右2个断面分别安装土压力盒传感器，共5组，目的是为了对同一深度的观测值进行校正，或取2个观测值的平均值代表这个深度的最终观测结果，安装示意图见图6。

图6 土压力盒传感器安装示意图Fig.6 The installation diagram of soil pressure sensor

对挡土墙墙背土压力进行了6个月的监测，监测结果如图7～图8所示。

图7 K98+800弃土场左断面土压力变化情况Fig.7 The left section changes of soil pressure in K98+800 spoil ground

图8 K98+800弃土场右断面土压力变化情况Fig.8 The right section changes of soil pressure in k98+800 spoil ground

土压力变化跟时间有关，但时间并不是影响土压力变化的根本原因，根本原因在于墙体变形、土体流变、固结、沉降以及降雨等因素。

3 结论

(1)通过现场调研，提出锁口型、敞口型和坡面型的3种弃土场选址分类方案，安全性依次减弱，建议高速公路类似弃土场工程采用锁口型弃土场选址方案;

(2)通过软件模拟试验，反映实际工程中弃土场稳定性的变化情况和坡体稳定性的变化规律，得出弃土场坡体下端土体处在自重和上端土体滑动力的双重作用下稳定性最差的结论，必须采取合理经济的拦挡加固措施;

(3)现场监测结果表明:2.6 m深土压力最大，由于该深度以上的土体处在向下滑动趋势，弃土场坡体深部土体相对稳定，结合模拟试验分析，弃土场发生局部滑坡的可能性较大。

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The methods for site choosing and stability analysis of mountain highway spoil ground

PENG Li1，HUANG Wei-wei2，XU Xi-wu2，LI Hong-quan1，FANG Li-gang2，WU Ren-xi2

(1.Hunan Provincial Communications Planning，Survey ＆ Design Institute，Changsha 410008，China;2.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

According to site investigation，three methods for site choosing of spoil ground，which are locking－type method，exposure－type method，slope－type method，were proposed firstly.Using Bishop －arc searching method to simulate the most possible place of sliding surface of slope in the spoil ground，we adopted measures of strengthening and protection.We monitored the changing of soil stress of wall back periodically.The results shown that the locking －type method is most safety and reasonable.Because of the loose characteristics of soil in the spoil ground，the local stability become worse，and we find the soil pressure of supporting －structure caused by the upper soil of slope is maximum.The study of this paper may provide reference for the similar projects in the future.

spoil ground;locking－type;stability;soil pressure

U412

A

1672－7029(2011)06－0075－05

2011－12－02

西部交通建设科技项目(200731822313)

彭立(1968－)，男，湖南长沙人，硕士，高级工程师，从事公路工程勘察与设计、科研、管理工作