桥改路堤增设箱涵稳定性分析及施工对策

2015-04-24林光哨

福建交通科技 2015年1期

■林光哨

（福建省第一公路工程公司，泉州 362017）

1 工程概况

该省道分析段起讫桩号为K0+000～K3+596，总长3.596km。该段总弃方量约为80000m3。余方路段在K2+281～K3+596，全长1.3km（中山大桥往A 方向），设计弃土地点在K0+000～K2+158（中山大桥往B 方向），沿线很难找到合适的弃土场；开便道运至设计图纸指定弃土场成本高且艰巨。现K0+000～K2+158 段施工路基已接近尾声需另辟新的工作面，但按原设计方案，需在中山大桥完成（12 个月）后才能进行余方路段K2+281～K3+596 的施工，将严重制约整个施工工期。

为确保能按时完成施工任务，业主协同设计、监理及施工单位曾多次组织现场勘察地形、调查原河道的水文情况，研究解决方案。经各方共同探讨，建议取消中山大桥变更为路堤增设2-4×4m 钢筋混凝土箱涵方案。箱涵长度为64.04m，以解决排水，该方案可解决弃方问题并确保工程能按期交付使用。

根据设计方案，拟对河床K0+000～+365 进行回填，先后在河床K0+210、K0+105 处设置墙高4m 的土袋围堰，K0+365 处设置混凝土引水槽及拦水坝，在K0+000处砌筑片石混凝土挡水坝。路线K2+158～+281 处采用路基加设箱涵的形式，涵洞中心位于K2+200 处（图1）。

图1 河道平面图

下文采用现场踏勘、室内试验及数值计算相结合的方式，分析探讨该路段K2+158～+281 处桥改路堤增设箱涵方案中路堤边坡的稳定性，并提出相应的设计施工建议。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

本路段沿线穿越地区为博平岭山脉南端，沿线地貌单元较复杂，主要为低山、丘陵夹沟谷地貌、河流冲积阶地地貌，地形起伏较大。

K2+158～+281 区段属于丘陵坡地夹河流沟谷地貌，附近海拔标高在640～760m 之间。U 型谷发育，地势较高，水流较缓。根据地形等高线图，沿河谷山体较陡峻，斜坡坡度30～35°之间，局部可达到35～55°。采用MAPGIS 软件，对区段内地形地貌进行模拟，结果如图2 所示。区段内植被发育一般，地势起伏较大（图3）。河床纵坡坡度为5.3%。

图2 区段内地形地貌

图3 区段内植被覆盖情况

2.2 地层岩性

根据勘察设计资料，坡地主要分布残坡积层，局部地段含碎石、块石；沟谷地段主要分布漂石层，骨架颗粒充填以砂、卵石及泥质为主；阶地表层局部地段覆盖薄层粉质粘土，下部为厚层漂石；下伏基岩风化裂隙较发育。根据K2+158～+475 段的钻孔柱状图，区段内岩性由上至下依次为坡积粉质粘土（局部分布有凝灰熔岩残积粘性土）、砂土状强风化凝灰熔岩、碎块状强风化凝灰熔岩、中风化凝灰熔岩（图4）。其中粘性土层厚分布不均：海拔小于700m、地势陡峭地段，土层厚度为0.3～1m；海拔大于700m、地势平缓地段，土层厚度较大。钻探获得的粘土层最大厚度为7.8m。根据钻探资料的岩性描述：

（1）坡积粉质粘土：褐红色，湿，可塑。以粘粉粒为主，粘性中等，干强度中等，表层可见少量植物根系。

（2）凝灰熔岩残积粘性土：浅黄色，湿，可塑。以粘性土为主，手搓略有砂感，粘性中等，干强度中等。

（3）砂土状强风化凝灰熔岩：浅黄色。原岩结构可辨，岩石风化强烈，长石矿物已风化成土状，岩芯呈砂土状，手掰易散。属极软岩。

（4）碎块状强风化凝灰熔岩：灰色，深灰色。原岩结构易辨，岩石风化强烈，节理裂隙发育，岩芯呈碎块状，块径以2～5cm 为主，碎块用手不易折断，锤击可碎。属软岩。

（5）中风化凝灰熔岩：浅灰色。凝灰结构，块状构造。安山质，矿物成分以长石、角闪石及凝灰质为主，岩石风化较强烈，节理裂隙较发育，岩芯以柱状为主，岩芯长5～25cm，少量碎块状、短柱状，岩质较新鲜，锤击声清脆，有回弹。属较硬岩。RQD=50。

（6）河谷中有0.6m 厚漂石层，浅灰色，湿-饱和，稍密。漂石含量80～85%，粒径20～30cm，呈次圆状、圆状，母岩岩性以凝灰熔岩为主，呈中风化状态。孔隙间充填以卵砾石为主。

在K2+340 处取土进行室内试验，试验结果如表1。

图4 K2+158～+475 地层分布

表1 K2+340 处土样物理力学性质

2.3 水文地质条件

根据地下水的赋存类型分类，本区主要发育有第四系冲洪积层孔隙水、基岩裂隙水两大类型。

其中第四系冲洪积层孔隙水分布于河流及其支流、阶地和山间冲洪积小盆地、沟谷地带，主要贮存于砂、砾、卵石、漂石层中，透水性较好，水位埋藏较浅，水量较丰富，接受大气降水及地下水侧向补给。

基岩裂隙水赋存于风化层裂隙-孔隙中，富水性较差，沿线凝灰熔岩分布区岩石风化层厚度普遍较大，碎块状强风化岩结构松散，透水性相对较好，中风化岩富水性较差。主要受大气降水补给，水量受季节变化影响大，往两侧沟谷或低洼地带排泄。

地下水对混凝土不具腐蚀性，根据《公路工程地质勘查规范》（JTG C20—2011），为Ⅱ类环境。

3 路堤边坡稳定性分析

3.1 稳定性要求与分析方法

边坡稳定性分析常采用刚体极限平衡理论，该理论是经典的确定性分析方法，在工程界应用非常广泛。基本思想是将滑动趋势范围内的边坡岩土体按一定规则划分为一个个小块体，通过块体的平衡条件来建立整个边坡的平衡条件，以此为基础进行边坡分析。目前已有了多种极限平衡分析方法，如：瑞典条分发、毕肖普法、简布法、摩根斯顿-普赖斯法、不平衡推力传递法、萨尔玛法、楔体法等。

路堤边坡稳定分析中，填料为散体结构。由于摩根斯顿-普赖斯法可用于任意形状的滑动面，同时满足力矩平衡条件和静力平衡条件，还容许条块间力的方向发生变化，因此采用该方法对路堤边坡进行稳定性分析。计算中采用GEO-SLOPE 计算软件。路堤施工期稳定性分析采用快剪试验结果，公路营运期稳定性分析采用固结快剪试验结果。

3.2 施工期路堤边坡稳定性分析

K2+158～+281 段变更为路堤加设涵洞方案，路堤各处填土高度不一，其中K2+218 处填土高度最大，为31m。根据《中山大桥变更设计》，原河道纵坡坡率5.3%，通过回填调整为1%，根据提供的设计图纸资料及路线平面图，涵洞中心桩号为K2+200 处，涵洞底高程为675.7m，箱顶填土高度为15.56m。此处原地面高程为681.8m。

下文对K2+218 处路堤进行施工期稳定性分析，此处路堤填高为31m。针对填土、上部填土下部填石、填石三种填筑方式，分别计算分析路堤左侧、右侧边坡的稳定性，结果参见图5 和表2。上部填土下部填石的填筑方案指路面底面以下0～14m 填土，14m 以下填石（此数据通过优化分析填土高度与边坡稳定安全系数之间的关系得出，参见表3）。计算中路堤填土的强度参数通过直剪快剪试验获得（表1）。分析得出：

（1）路堤采用填土、上部填土下部填石、填石三种情况中，填土边坡稳定性最差、上部填土下部填石次之，填石边坡稳定性最佳。分析填土高度与边坡稳定安全系数之间的关系表明，填土高度越大，边坡稳定安全系数越低，参见表3。

（2）优化分析表明，路面底面以下0～14m 填土，14m 以下填石的填筑方案刚好满足《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）对路堤堤身稳定性的要求（表3）。

图5 各工况路堤边坡稳定性分析

表2 路堤边坡计算安全系数

表3 填土高度与路堤边坡稳定性之间的关系

3.3 营运期路堤边坡稳定性分析

根据3.2 节的分析结果，考虑到路堤填料存在石料和土两种类型，因此营运期主要针对路面底面以下0～14m 填土，14m 以下填石的填筑方案进行路堤稳定性分析。

计算中路堤填土的强度参数通过直剪固结快剪试验获得（表1），汽车荷载按汽车-20 级计。由于左侧边坡稳定性优于右侧边坡，因此营运期稳定性分析仅针对右侧边坡。公路运营过程中，右侧路堤稳定安全系数为1.544（图6），满足规范要求。

图6 公路营运期路堤稳定性分析

4 施工对策

（1）根据填料类型及规范，参照项目部提供的初步设计资料，结合同类工程实例，路堤边坡坡率建议采用如下设置方式：8m 以内为1∶1.5；大于8m 小于等于24m 的部分为1∶1.75；大于24m 部分为1∶2.0。边坡每8m 高设2m 宽平台。

（2）为避免两侧山体渗水造成地下水对路堤长期浸泡，路基半填半挖处应做好防、排水工作，或增加涵洞顶高程以下填料的透水性（例如填石），同时做好路基边沟。

（3）填筑过程中应控制填土高度，尽量填石。按照规范要求最小坡率，填土部分宜控制在路面底面以下0～14m 范围内，路基填筑压实度应严格满足规范要求。如果需增加土方填筑方量，建议路堤边坡放缓，路堤中分层铺设土工织物或者加设挡土墙以增加路堤边坡的稳定性。

（4）根据钻探资料，砂土状强风化凝灰熔岩、碎块状强风化凝灰熔岩属于极软岩-软岩，在水的作用下，容易崩解，不宜用于填筑台涵背，台涵背回填建议采用中风化或微风化岩。

（5）路基填筑压实度应严格满足规范要求。对于填筑总高度大于20m 的地段，建议进行稳定性监控。

（6）在原地面线横坡大于1∶5 的斜坡上填筑路堤时，对原坡面应开挖台阶，宽度不小于2m，台阶应有2%～4%的内倾横坡，以保证填土的稳定性。开挖台阶前，首先必须清除地表草皮、腐殖土；当基岩面上的覆盖层较薄时，应先清除覆盖层；表层存在软弱层时，应先清除软弱层。台阶开挖自下而上进行，建议下挖两阶后及时填筑一阶，再挖一阶填筑一阶，按规范严格控制压实度和填筑速率。