陡坡及高填路堤稳定性分析计算及设计

2015-01-08刘毅

城市道桥与防洪 2015年6期

刘毅

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030）

1 工程背景

拟建工程位于广西壮族自治区钦州市，工程范围内地貌特征主要为剥蚀微丘、田地、虾塘等单元，局部剥蚀微丘被采石开挖，形成深约14 m的采石坑。

道路设计中不可避免的遇到这些采石坑，形成陡坡、高填路基，这些路基的稳定、路基沿基底斜坡滑动的稳定性是亟待解决的问题。总结以往类似高填、陡坡路堤的断面、路基填料、结构尺寸的设计经验，定性分析判定路基的稳定性、寻求经济合理的定量设计思路是非常有必要的，并为以后类似工程提供借鉴。

1.1 场地条件

本工程位于钦州市滨海新城沙井岛片区，道路等级为城市主干路，局部路段道路路基遇采石坑，长约60 m，受规划线位控制，道路平面线形无法避让采石坑，半幅道路位于采石坑范围。该处采石坑底高程约为-16.0 m（85国家高程，下同）左右，道路设计高程约为4.8 m左右，故路基边坡最大高度约为20.8 m。采石坑边缘距坑底距离约为30 m，高度为16.7 m，原地面线边坡平均坡率为1∶1.8，最大坡率处接近 1∶0.85。根据《公路路基设计规范》3.6，该段路基属于高边坡及陡坡路堤，须进行路堤稳定性验算，见图1。

图1 采石坑处剖面简面（单位：m）

1.2 地质条件

根据地质勘察资料，该采石坑由于是人工开挖，地质剖面明显，由上至下依次分布为：表面为厚度0.20～3.70 m填土层，为人工筑堤形成产物，下卧厚度1.10～3.40 m的强风化基岩。层下为风化砂岩，节理裂隙较发育，岩芯多呈碎块和短柱状，岩石坚硬。地下水为裂隙水，裂隙为泥质充填，透水性弱。地下水与地表水相连通，水位受养殖和潮水涨落周期性影响。结合工程经验，各土层主要物理力学参数取值见表1。

1.3 地震

该地区地质岩层连续性较好，构造简单，工程区抗震设防烈度6度，中风化岩剪切波速经验值为500 m/s，属坚硬土层；建筑场地类别为Ⅱ类，属抗震一般地段。工程抗震按7度设防。

2 高填陡坡路堤危害及原因分析

高填陡坡路堤常见病害有路基不均匀沉降导致的纵横向开裂、路基滑动导致的工程滑坡或边坡坍塌等。

针对前述工程现状，本工程路基底无软弱滑动面，故可能的路堤病害发生主要原因有以下几点：

（1）高填土路堤填土压实不足或路基填料为不良土质时，因路堤存在空隙，在雨水及行车荷载的作用下产生竖向压缩变形，路堤失稳破坏。

（2）路堤边坡潜在的滑动面在雨水渗流或冲刷的作用下，存在滑动的趋势，从而引起路堤的侧向位移或沉降。

（3）陡坡路基处于半填半挖地段，差异沉降造成路面裂缝或变形。

（4）斜坡路基填料选择不当和路基边缘压实度不够,边坡对季节性较为敏感。当坡面未封闭处理，雨季边坡水渗透，常在距路基边缘1.0～2.5 m范围内的填方边坡上发生纵向裂缝。

表1 岩土层的主要物理力学参数推荐取值表

（5）高边坡路堤坡脚防护与加固不妥，导致坡脚处抗力不足导致的路基下滑，致使路基沉降开裂；

（6）路基排水系统设计不完善导致的路基范围内排水不良会引起路基填土含水量大、土质松软、强度降低、边坡坍塌、堤身沉陷或滑动。

3 高填陡坡路堤稳定性分析

3.1 软件初步分析

针对路堤边坡较高且位于陡坡上的实际情况，如何选择安全合理的路基断面及结构形式，是本段路基设计的重点。

鉴于路堤基底为中风化岩层，承载力高，路堤填筑施工过程中稳定性好，完工后的路堤断面在路堤自重及行车荷载作用下属最不利工况，故本文仅对运营期的路堤稳定性进行分析。

3.2 经典方法验算分析

3.2.1 路堤整体稳定性分析

（1）最不利滑动面的确定

按前述路基边坡建立模型，以边坡坡脚处为坐标轴0点，采用瑞典条分法计算整体最不利滑动面，滑弧圆心位于X=13.143、Y=27.805处，滑动圆弧半径为27.805m。滑动面出口距离坡脚处高约1.84 m，求得安全系数为1.377，见图2；采用简化Bishop法求得整体最不利滑动面滑弧圆心位于X=8.3、Y=36.81处，滑弧半径为 36.809 m，此时安全系数为1.434，见图3。

图2 条分法最不利滑动面（单位：m）

图3 简化Bishop法最不利滑动面（单位：m）

（2）瑞典条分法检算简化Bishop法

考虑到地基情况对计算结果有较大影响，本次计算的非自然形成地质情况，路堤直接填筑在中风化岩上，地基平均固结度可按U=1考虑更加合理，即地基完全固结。

根据上述简化Bishop法求得的滑动圆弧，按瑞典条分法计算求得的安全系数为1.42，小于简化Bishop法求得的安全系数1.434，且结果相近，与规范条文中说明中“简化Bishop计算结果比瑞典条分法平均大6.5%”相符合，证明计算结果合理。

（3）简化Bishop法检算瑞典条分法

根据《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）（以下简称“规范”），“路堤的堤身稳定性、路堤和地基的整体稳定性宜采用简化Bishop法进行分析计算”，稳定安全系数Fs计算公式如下：

当土条i滑弧位于地基中时：

当土条i滑弧位于路堤中时：

其中：

通过上述公式，对瑞典条分法确定的滑动面进行检算，求得安全系数为1.485，较瑞典条分法安全系数大7.8%，符合规范要求，计算合理。

（4）安全系数分析

结合本工程特点，采用简化Bishop法计算时按固结度U=1考虑，采用两种计算方法求得的最不利滑动面的两个安全系数与检算过程中所取得的两个个安全系数分别如下：

由瑞典条分法取得的 1.377、1.42与简化Bishop法取得的1.434、1.485，结果相近且最大相差7.8%，符合规范说明的6.5%左右，取得的安全系数均大于规范规定的1.35，路堤堤身稳定性满足要求。

3.2.2 路堤沿斜坡地基滑动稳定性分析

地面横坡都与1:2.5时，应预防路堤沿地面陡坡下滑。下滑情况一般分为路堤沿基底接触面及路堤连同基底下的山坡覆盖层沿基岩面下滑两种情况。本工程不存在地基覆盖层，故仅需分析验算路堤沿基底接触面滑动的情况。

根据《规范》：路堤沿斜坡地基滑动稳定性分析采用不平衡推力法进行分析计算，稳定安全系数计算公式如下：

经计算，安全系数较大，分析原因主要是现状地基为中风化岩层、路堤基底摩阻力大、抗滑能力强；现状地基坡线至路堤边缘处已基本结束，路堤边坡投影长度范围内现状坡线基本水平，故最后一块滑体抗滑力较大，故路堤沿现状斜坡地基不会产生滑动。

4 增强高填陡坡路堤稳定性的措施

提高陡坡及高填方路堤的稳定主要有以下几种措施。一是改善基底状况，增加滑动面的摩擦力或减小下滑力；二是改变填料及断面形式，如采用大颗粒填料活放缓坡脚处的边坡以增加抗滑力；三是在坡脚处设置支挡构筑物。

4.1 填料选择

路基填料对路基的稳定性起到决定性作用，所以在工程施工之前须对路基填料做严格的试验，包括各种填土，土工材料等。在施工中路堤一般都是选用粗粒土级别较好的（如砂砾土）来做为填料的。

结合工程区域为低山丘陵地区，存在大量石方，可利用石方填筑坑底路堤，同时坑底无用地限制，可采用10～15 m的反压护坡道平台，对增强底部路堤稳定性，减少沉降变形有利，并在填石路堤坡脚处设置块石砌筑挡墙以收缩坡脚，稳定路堤。考虑原地面为岩层，可在原状地面处采用挖台阶处理，以改善路堤的整体稳定性。

4.2 路基填料c、φ值与安全系数的关系

根据对区域勘察情况及道路施工情况的调查分析，区域取土存在较大的差异。同时，路堤填料c、φ值对路堤稳定性计算存在较大影响，为此，利用前述模型，分别调整c、φ值，以求解同一模型的安全系数（见表2），并对勘察报告中提供的填料性质进行验证，以明确路基填料c、φ值变化对路堤稳定性的影响关系，对施工期间的路基填料的选择起指导作用。

通过计算求得的安全系数不难发现，当内摩擦角φ值不变的情况下，路堤的安全系数近似按8%的线性增大；当粘聚力c不变的情况下，路堤的安全系数在内摩擦角小于40°时，按约22%的线性增大，大于40°时，基本可认为已属于风化岩，对线性关系的适应性不是太适用，但从上述计算可以证明，路基填料的φ值相对于c值对安全系数的影响更大，故改善填料的内摩擦角相对可以更好的达到提高路堤稳定性的目的，这也与工程实际（如填石路堤较填土路基更加稳定）相符合。

4.3 设置支挡构筑物

路堤坡脚处设置支挡构筑物如挡土墙及防滑铲等。由于支挡构筑物的设置将导致圆弧滑动面向填方体或向地基深层移动。向上移动时，由于填方材料本身的抗剪强度参数一般大于地基，所以，稳定系数必然较高；向下移动时，本工程的地基为中风化基岩，不存在软弱土层，地基承载力好、抗剪强度高，抗滑力较大，稳定系数相应增大；少数情况下，滑动圆弧面从防护设施位置通过，则由于构筑物或防滑铲的高抗剪强度，替换了原来的土，也使稳定系数得到提高。如采用防滑铲，宜采用透水性天然碎砾石材料，除起到坡脚置换作用外，还起到排水的作用，以保证填方坡脚的强度不因地下水的作用而下降。