复杂地形条件下填方路基稳定性分析与设计

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(同济大学 a.岩土及地下工程教育部重点实验室; b.地下建筑与工程系，上海 200092)

1 加筋土技术的发展与应用规模

现代加筋土的概念和设计理论是法国工程师Herri Vidal于1963年根据三轴试验结果提出的[1]，国外自20世纪60年代开始应用，目前在岩土工程领域已应用得相当普遍；我国于80年代逐渐在公路、水运、铁路和水利工程中开始试用，90年代开始，应用规模和范围进一步扩大[2]；目前，土工合成材料加筋土边坡及挡墙已经在公路、铁路路基工程，水利堤坝工程和地质灾害防治中的支护工程中都得到了广泛应用，并取得了巨大的经济效益和显著的社会效益，相关的理论及研究成果也为加筋土技术的应用和发展奠定了一定的基础[3]。

随着西部大开发的不断深入，中西部山区公路建设不断推进。在这些地区，大部分为高原、山地、丘陵，地形地貌条件复杂，自然灾害频发，公路建设中普遍存在取土不便、符合标准的土石料来源不足等问题。为减少工程建设对周围环境的冲击，建造高填方路基难以避免。在这种情况下，土工合成材料加筋土路基可以发挥其因地制宜、就地取材，对环境扰动小等特点，满足复杂地形地质条件下的施工要求，对于提高公路质量、节约工程用地、保护生态环境意义重大[4]。

本文结合湖北省宜昌至巴东(鄂渝界)公路第11合同段土工格栅加筋高路堤实际工程，利用ReSSA3.0对某一典型断面进行稳定性验算，并结合相关理论作出分析，为我国山区高填方公路建设，特别是加筋土路基应用提供借鉴。

2 工程概况

湖北省宜昌至巴东(鄂渝界)公路第11合同段(K72+934.25至K73+053.25)位于宜昌市雾渡河镇刘家屋场村附近，雾渡河南岸，庙湾1#隧道与2#隧道之间。该段长约100 m，将原桥梁方案改为利用隧道开挖弃土修筑填方路基方案。路基段路线呈东西向展布，路基形式主要为高路堤，两端属浅挖区，加筋土路基最大的填筑高度约50 m。

该路段地貌上属构造剥蚀丘陵地貌区，路基位于雾渡河南岸低山斜坡地带一冲沟处，山体相对高差约150～220 m，自然坡角37°～47°。

据宜巴公路第11标段路基勘察报告，钻探揭露的浅部地层从上到下依次为：①残坡积碎石层，由黏性土及砂土所充填；②强风化花岗片麻岩、角闪岩、角闪片岩，原岩结构构造已破坏；③中风化花岗片麻岩、角闪岩、角闪片岩，岩心破碎，节理裂隙较发育，属硬质岩。

该段路基坡高为5～50 m不等，差别巨大，容易引起填方路基表面的不均匀沉降；原地形横向坡底为37°～47°，路基边坡受地形限制，坡率较陡，填方路基自身的稳定性无法保证，需采用加筋措施提高路基稳定性；另外，路基中段跨越一冲沟，冲沟与路线呈大角度相交，冲沟为大气降雨汇集和排泄的主要通道，需及时排除。

3 填方路基稳定性分析方法与参数

3.1 稳定性分析方法

本文采用ReSSA 3.0进行路基稳定性分析，该软件主要依据美国联邦公路管理局规范(FHWA)[5]和美国公路运输管理协会规范(AASHTO)[6]，由美国ADAMA Engineering公司研发，采用简化Bishop法和Spencer楔形体法，可对不同情况下(如地下水、地震、张裂等)的挡墙和边坡进行稳定性分析，亦可进行加筋土结构的设计验算。

简化Bishop法是一种建立在圆弧滑裂面基础上，基于极限平衡原理的垂直条分法，针对的破坏模式主要是圆弧滑动破坏，可用于土坡内外稳定性分析。因其计算简便、所得结果与工程实践较为吻合，该方法是目前工程中的常用方法。

楔形体法同样是基于极限平衡思想的稳定性分析方法，但与简化Bishop法不同，它主要用于分析楔形体破坏模式[7]。工程实践表明，若滑动面顶部不存在侧向力，其精度比简化Bishop法要高[8]。

3.2 填方路基几何特征与参数

根据宜巴公路第11标段路基勘察报告，各土层的岩土参数值见表1；取典型断面K72+998进行填方路基稳定性分析，地形剖面见图1。断面坡高36 m，下部基岩取强风化层参数，即重度取24 kN/m3，黏聚力为5 MPa，内摩擦角取42°；根据填方材料及压实度控制情况，路基填土重度取20 kN/m3，黏聚力为0，内摩擦角取34°。墙顶荷载按30 kPa考虑。

图1 K72+998路基断面

表1各岩土层的特性参数

Table1Geotechnicalparametersofeachsoillayer

岩土名称状态或密度层厚/m重度/(kN·m-3)承载力Fa/kPa抗剪强度c/MPaφ/(°)碎 石稍密-中密0.8～3.018.7200—38花岗片麻岩强 风 化0～3.424.0400542角闪岩中 风 化22.3～28.525.82 000

根据路基所处位置的地震情况和地下水发育情况，在进行路基稳定性分析的时候，不考虑水平地震力和地下水(孔隙水压力)的影响。

4 填方路基稳定性分析与设计

4.1 无筋填方路基的稳定性分析

利用ReSSA3.0中简化Bishop法和楔形体法对不加筋条件下填方路基K72+998断面进行整体稳定性分析，计算结果见图2及表2。

图2 不加筋填方路基稳定性分析结果

表2无筋填方路基安全系数

Table2Safetyfactorsoffilledsubgradeintheabsenceofreinforcement

填土内摩擦角/(°)安全系数K简化Bishop法楔形体法340.391.24390.471.27

由计算结果可知，正常施工条件下如不采用加固措施，无论是圆弧法还是楔形体法，填方路基的安全系数均不满足规范要求[9]的1.3。工程实践中可通过提高填方压实度来提高填土的内摩擦角，增强路基稳定性。如将填土内摩擦角从34°提高到39°，对路基稳定性重新进行分析，结果见表2。

由分析结果可知，提高压实度对路基稳定性的影响非常有限，无法满足稳定性要求。因此，需进行加固以改善路基稳定性。

4.2 土工格栅加筋土路基设计

选择单向HDPE土工格栅作为加筋材料，其极限抗拉强度为90 kN/m，按规范要求[6]进行强度折减，取施工损伤折减系数1.5，蠕变折减系数1.5和老化折减系数1.1，则加筋材料的抗拉强度容许值为36 kN/m。

4.2.1 初步设计

根据我国规范[10]，对于加筋土高边坡，可按坡高将边坡划分为上、中、下3个区，各区所分配(承担)总加筋力依次为上部1/6、中部1/3和下部1/2，因此，初步加筋时，采用统一间距(0.5 m)布筋；加筋长度：下部(1/2H，H为坡高)延伸到基岩开挖面；中部(1/3H)为21 m；上部(1/6H)为24 m，加筋路基最上面3层筋材满铺。据此布筋方案进行分析计算，结果见图3。

图3 加筋路基初步设计方案的稳定性分析结果

由计算结果可知，采用土工格栅加筋后，路基的稳定性得到很大改善，但简化Bishop法的结果仍然无法满足规范要求，需要进一步调整设计方案。

4.2.2 调整设计

在初步设计(布筋)方案的基础上，考查布筋间距对整体稳定性的影响，下部(1/2H)加密，取0.4 m；中部(1/3H)及上部(1/6H)仍取0.5 m；加筋长度与初步设计一致，保持不变。加筋土路基设计调整后的计算结果见图4。

图4 加筋间距调整后路基稳定性分析结果

从分析结果看，仅调整加筋路基下部的布筋垂直间距，按简化Bishop法的稳定性分析，路基稳定性基本满足要求。为保证高速公路路基的可靠性，需对布筋方案做进一步调整。

4.2.3 最终设计

同时调整加筋间距和加筋长度，为防止路面不均匀沉降，路基最上面6层筋材满铺；由于坡脚易出现应力集中，将路基下部一定范围内的加筋层间距调整为0.3 m；由坡脚至坡顶，加筋土路基的具体布筋方案如表3。按此方案的稳定性分析计算结果见图5及表4。

表3 土工格栅布置表

表4 加筋填方路基的安全系数

上述加筋土路基稳定性分析与设计过程显示，在复杂山区地形条件下，高陡填方路基稳定性，即使提高填方压实度，也难以满足规范要求，需要采用特殊的加固措施；采用土工合成材料加筋措施，可大幅度提高填方路基的稳定安全系数。

图5 加筋路基最终设计方案的稳定性分析结果

计算结果表明，简化Bishop法所得安全系数与楔形体法相比偏保守。但许多工程实例表明，填方路基上部多为圆弧滑动破坏，接近坡脚的部分由于应力集中，特别是加筋后，常出现楔形体破坏。因此，在加筋土边坡设计中，应同时采用圆弧法和楔形体法进行稳定性分析。

5 结 语

结合宜巴公路第11标段土工格栅加筋土高填方路基工程，利用ReSSA3.0对典型断面进行了稳定性分析与设计，分析认为“

(1) 复杂地形条件下高填方路基可以采用土工格栅加筋以满足其稳定性要求；

(2) 路基加筋设计时，应结合实际工程特点，合理调整加筋材料布置来提高填方路基的可靠性。

参考文献：

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[4] 周 晖，吴建奇.加筋土技术研究现状及发展趋势[J].矿业工业, 2005，3(6) :17-19. (ZHOU Hui, WU Jian-qi. Situations of Researches and Development Trends on Reinforced Soil Techniques[J]. Mining Industry, 2005，3(6) :17- 19.(in Chinese))

[5] Code for FHWA: GEC-011[S]. Washington， DC：U. S. Department of Transportation, 2009.

[6] AASHTO LRFD Bridge Design Specifications[S]. Washington, DC: American Association of State Highway and Transportation Officials，2007.

[7] SPENCER E. A Method of Analysis of the Stability of Embankments Assuming Parallel Inter-slice Forces [J]. Geotechnique, 1967, 17(1):11-26.

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[9] JTG D30—2004，路基设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.( JTG D30—2004, Specifications for Design of Highway Subgrades[S]. Beijing: China Communications Press, 2004.(in Chinese))

[10] GB50290—1998， 土工合成材料应用技术规范[S].北京:中国计划出版社，1999.(GB50290—1998. Technical standard for Applications of Geosynthetics[S]. Beijing. China Planning Press，1999. (in Chinese))