高陡坡加筋路基稳定性分析及优化设计研究

马菖林，张红日，张弋强，易宗石

(1.广西交通科学研究院，广西　南宁　530007；2.长安大学，陕西　西安　710064)



高陡坡加筋路基稳定性分析及优化设计研究

马菖林1，2，张红日1，张弋强1，易宗石1

(1.广西交通科学研究院，广西南宁530007；2.长安大学，陕西西安710064)

马菖林(1987—)，硕士，主要从事公路路基防护设计和地质勘察工作；

张红日(1983—)，工程师，主要从事公路路基防护设计和地质勘察工作；

张弋强(1983—)，工程师，主要从事桥梁结构方面的设计工作；

易宗石(1988—)，工程师，主要从事路基路面设计工作。

摘要：文章结合山区公路建设中的陡坡路段高路堤加筋设计实例，利用理正边坡稳定分析软件，建立模型分析了路基在加筋后的稳定性并得出滑动面位置，通过对稳定性影响因素的分析并结合工程要求和高陡坡路基的特点，提出了优化设计措施。

关键词：高陡坡路堤；格栅加筋；稳定性分析；影响因素；优化设计

0引言

加筋土是一种在土中加入格栅、土工布等加筋材料而形成的复合土，筋材起到提高土体强度和稳定性的作用。由加筋土形成的土工结构由于节省材料、适应性强、施工方便、低造价等而得到广泛应用。近年来，加筋技术在公路建设中占有较大比重，如应用于高路堤形成加筋路基、软土地基的加筋等。加筋路基是在路基填筑时按一定的设计参数(层数、层间距、材料强度参数等)铺设加筋材料，与路基填土构成增强复合体，从而提高路基边坡稳定性和后期沉降。

山区公路建设中，由于地质地形的复杂性，部分陡坡地段路堤填土高大，形成占地巨大的高边坡，而设置加筋路基可达到减小坡高和路基工后沉降及减小占地宽度等效果，经济性明显。加筋路基设计中，路基边坡的稳定性至关重要，稳定性的各影响因素对稳定性的影响不同，结合实际情况，可以根据不同因素优化设计方案，达到经济合理的要求。

1工程概况

一桂北山岭重丘区二级公路，设计速度为40 kM/h，路基宽8.5 m，路线穿越广西东北部地形复杂的猫儿山山脉地带，所经区域地势高，地表起伏大，海拔在200~850 m之间。全线达一半长度路线在山岭地带展布新建，地层为加里东期云母花岗岩，地形险要、坡陡谷深。受地形限制，局部横坡陡峻地段(如K12+800路堤)填方边坡高达数十米，工程量巨大，后期的不均匀沉降也难以避免，按一般路基坡率填筑路基占地宽度大，放坡后侵占常年流水沟谷，在坡脚遭受冲刷的同时对环境也带来不利影响。综合比较表明，采用加筋路堤的设计方案与改移路线、高大挡墙等其他方案比较施工简便，经济性明显，因此采用放陡边坡降低边坡高度，在填筑路基时分层铺设土工格栅的施工方案。

2路堤稳定性分析

加筋路基的设计中，保证边坡稳定性是至关重要的一点，横坡陡峭处的稳定性尤其如此，此处以K12+760~12+830一段位于斜坡上的高路堤为例，分析其稳定性。选取此段路堤K12+800为代表性断面的填方路堤，坡率采用1∶1.5，加筋材料采用土工格栅。通过理正岩土的边坡稳定分析模块分别计算路基边坡在加筋前后的稳定性。

2.1　加筋前稳定性分析

2.1.1建立计算模型

每级坡率采用1∶1.5，分级坡高8 m，边坡平台宽1 m，边坡共4级，边坡高度约32 m。填土按同一层土考虑，地面线作为路基填土层与下部地基土的分界面，原地面以下全风化及强风化层强度指标与上覆土层统一考虑，该层总厚度约5 m。公路等级二级，荷载按公路Ⅰ级计算。利用理正边坡分析软件建立模型如图1所示：

图1　计算模型示意图

2.1.2计算过程

路基填土为粘性土时，可能滑动面为弧形，因此以瑞典圆弧条分法搜索最危险滑弧并计算安全系数。土层参数按表1取值，地基土为碎石质粘土，跟据路基的实际情况不考虑水的作用。荷载作用为Ⅰ级，路基宽11 m，荷载分布宽度为9。

表1　土层参数表

为加快计算速度，土条初次计算宽度取较大值1，后缩小搜索范围后采用更小的土条宽度，搜索圆心步长和半径步长采用相似方式处理。

2.1.3计算结果及分析

圆弧条分法的计算结果如图2所示：

图2　搜索的最危险滑弧示意图(安全系数FS=0.997)

计算结果表明路基在未加筋时是不稳定的(FS=0.997)，且最危险滑面位置见图2，表明滑动开始于路基中线附近，沿填土层内部发展，在第三级台阶处切出，形成坡面圆的形式。

2.2　加筋后稳定性分析

2.2.1建立计算模型

(1)确定格栅的铺设方式和选取力学参数

格栅按水平成层全断面方式铺设，层间距50 cm，则格栅铺设总层数为59层，见下页图3；根据公路土工材料应用规范，填土与格栅间的似摩擦系数f=0.4，格栅设计抗拉力T=100 kN/m。土层的抗剪强度参数取值见表1。格栅力学参数见表2。

表2　格栅的力学参数及铺设方式表

(2)确定格栅的铺设长度

格栅长度L=La+Lm，La、Lm分别为滑动面内长度和锚固长度。根据上述计算结果，滑动面内长度在最危险滑动面确定时已知，锚固长度的确定需要先计算最小锚固长度Lmin，最终的锚固长度不小于Lmin。

Lmin=TF/2σf

(1)

式中，T——格栅设计拉力；

F——安全系数，此处填土为粘性土，F=2；

σ——格栅上的上覆压力，按土柱自重应力计算；

f——筋土界面的似摩擦系数。

计算的最小锚固长<2 m时，取为2 m。

在格栅的铺设方式确定后，各层的位置已知，设第i层锚固段处的土柱高为hi，则：

σi=γhi

(2)

Lmin=TF/2σf=TF/2γhif

(3)

据此确定锚固长度后，由L=La+Lm可确定格栅总长度，Lm≥Lmin+3。以5~22层为例(顺序按位置由上至下)的计算表格如下，其余各层计算方式相同。

表3　格栅长度计算表(5~22层)

(3)确定计算模型

根据以上计算结果，确定路基加筋后的计算模型如图3所示。

图3　加筋后计算模型示意图

2.2.2计算及结果分析

在计算过程中，格栅拉力作用方向按作用于铺设方向考虑，格栅沿路线方向连续铺设不搭结，稳定性计算断面取沿路线方向1延长米计，各层格栅产生的摩擦力FN=2Lmσf，则各层格栅与填土粘结强度Ci=FN/2Lm=σif=γhif。已知hi，则可得出Ci，见表2。计算结果如下所示：

图4　搜索的最危险滑弧示意图(安全系数FS=1.255)

从计算结果可知，加筋后最危险滑动面的安全系数达1.255，说明在利用格栅加筋后边坡达到稳定；最危险滑面退移到格栅的铺设范围以外，表明格栅与土构成加筋土强度增加；最危险滑动面从填土内部往深层发展至地基土层内，说明此时边坡浅层的填土层稳定性增加，可能的滑动模式为边坡和地基土的整体滑动。

3结合项目实际提出优化加筋措施

根据以上计算结果可知，采用土工格栅加固本段路堤是可行的，但本项目总体地形复杂，土石方数量大，施工面窄，加上排水、防护、桥涵等分项工程相互制约，工期紧张。本段加筋路基长70 m，较一般路堤施工工期长，而且本路段距离旧路远，路基一旦不能按要求的工期完成，则可能对其他分项工程的施工造成极大的干扰。所以在保证路基稳定性的情况下，优化设计缩短工期对保证项目总工期的完成是非常有必要的。

在影响加筋路基稳定性的因素中，加筋路基的稳定性随填料抗剪强度、筋土界面摩擦系数、加筋材料层数、锚固长度的增大而增大。但对处于斜坡地段的高陡路堤，加筋间距过小(层数过多)，则铺设格栅往往工期较长；而下部格栅的锚固长度过大，则需要开挖原地面后再铺设，同样造成耗时过多的情况。

据勘察，本项目的填料丰富，挖方段开山石渣、碎石土如利用作为路基填料抗剪强度大，经过合理的施工组织利用就近挖方也是完全可行的，所以此处主要从提高填料抗剪强度和适当减少格栅层数、减少原地面挖方等方面来考虑优化措施，在保证路基稳定性的前提下，缩短施工工期。根据勘测资料，距离此处最近(约2.6 km处)可利用的粗粒填料强度φ=30°，C=10 kPa，经过多次试算，最终采用以下方案：格栅间距采用0.7 m，格栅长度按前述方式确定，即先确定未加筋时的滑面位置，再确定格栅长度；根据试算结果，第四级边坡格栅的铺设与否对稳定性的影响不大，因此格栅采用从第三级边坡开始铺设至坡顶的方式。计算滑弧和圆心、半径如图5所示：

图5　优化后最危险滑弧示意图(安全系数FS=1.251，格栅间距0.7 m，非全断面铺设)

计算结果表明调整后边坡的稳定系数达1.251，较图4的计算结果(格栅间距0.5，全断面铺设)而言(见表4)，安全储备基本不变，但格栅层数从59减少至43，第四级边坡可不铺设，边坡下部因铺设格栅对原地面的开挖量大大减少，在保证稳定的情况下大大缩短了工期，加快了本段路基的施工速度，此优化方案是可行的。

表4　优化前后对比表

4结语

从以上的路基稳定性分析过程和优化计算过程可得出如下几点结论：

(1)路堤未加筋时，路堤边坡不稳定性，浅部稳定性最差，滑面出现在浅层的填土层内。

(2)路堤加筋后，边坡稳定达到安全要求；滑面向更深层发展且更为平缓，表明填土和格栅形成加筋土结构，整体性能得到增强。

(3)加筋路基稳定性影响因素较多，如在陡坡地段只考虑增加格栅的铺设层数和全断面铺设，虽然稳定性有所增加，但工期会增加较多且不经济。

(4)利用含碎石粗粒填料，可减少格栅层数；且根据试算结果，可不采用全断面铺设从而减少下部开挖量，加快施工进度。

参考文献

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[4]阙云.土工格栅加筋土路堤力学行为与设计方法研究[D].上海：同济大学，2007.

[5]JTJ/T 019-98，公路土工合成材料应用技术规范[S].

Research on Stability Analysis and Optimization Design of High Steep Reinforced Embankment

MA Chang-lin1，2，ZHANG Hong-ri1，ZHANG Yi-qiang1，YI Zong-shi1

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007； 2.Chang’an University，Xi’an，Shaanxi，710064)

Abstract：In combination with the high embankment reinforcement design practices at steep segment during mountain highway construction，and by using the Lizheng slope stability analysis software，this article built the model to analyze the embankment stability after reinforcement and obtained the position of sliding surface，and through analyzing the stability influencing factors and combined with engineering requirements and the features of high steep embankment，it proposed the optimization design measures.

Keywords：High steep embankment； Grid reinforcement； Stability analysis； Influencing factors； Optimization design

收稿日期：2015-05-04

文章编号：1673-4874(2015)04-0012-04

中图分类号：U416.1

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.004

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