高填陡坡路堤稳定性分析及处治方案

2017-11-01潘建标

福建交通科技 2017年5期

关键词：陡坡土石坡脚

■潘建标

(福建省交通规划设计院，福州 350004)

高填陡坡路堤稳定性分析及处治方案

■潘建标

(福建省交通规划设计院，福州 350004)

福建省某高速公路K129+600紧急制动车道，路堤填方中心填高10～61m，部分高填陡坡地段形成52～87m高填方边坡，具有横坡陡、填方边坡高度大等特点，直接影响路堤整体稳定性。本文对填方边坡稳定性、应力应变特性进行了计算分析，总结影响边坡稳定性的因素及边坡变形特征；在天然陡坡上正常填筑路堤将会导致路堤失稳，岩土分界处出现应力集中现象，填方边坡将沿土石分界面产生滑动，从而引发上部路基滑移，形成牵引式滑坡。填方边坡采用了清表、开挖台阶、填石、加大吨位碾压、反压及浆砌片块石坡脚挡墙等综合处治措施，取得了良好的效果。

髙填路堤稳定分析应力应变处治措施

近年来随着我省高速公路的不断建设，经济较为发达的地区以及地形较为平坦的地区的高速公路已基本建成，高速公路建设逐渐向地形地质条件复杂的山区延伸，超过50m的高填陡坡路堤逐渐普遍，在陡坡区进行这种大体积填方加载，不仅容易产生沉降，且易产生滑动，直接影响路堤自身稳定。本文以福建省闽北某高速公路K129+600紧急制动车道高填方路堤为例，对填方路堤稳定性、应力应变特性进行了计算分析，总结出边坡稳定性影响因素及边坡变形特征，并提出相应的综合处治措施。

1 工程概况

福建省某高速公路K129+600紧急制动车道高填方路堤部分位于陡坡区，拟建场地属中低山地貌，地形起伏大，坡面植被发育，地表坡度一般25～40°，局部地段可达50°以上。斜坡区覆盖层为残坡积含碎石粘性土，厚0～3m，下部为碎块状强风化凝灰熔岩及弱风化凝灰熔岩，为较软岩-较坚硬岩，岩体破碎，强度较高；场区地下水类型为基岩裂隙水，受地形及岩性影响，仅为浅层风化裂隙水，水量较小。

由于本项目该合同段K115+890～K142+050路段为长下坡路段，长26.160km，平均纵坡达2.483%，该段地形复杂，桥隧相联，构造物比例达91.8%，从安全角度考虑，必须在K129+600处设置紧急制动车道，由于紧急制动车道纵坡太大，不宜采用桥梁方案，同时考虑路段土石方平衡及弃土场选址困难，该紧急制动车道及主线设计采用填方路堤通过。路堤中心填高10～61m，路堤底部最大宽度超过200m。设计左侧边坡结合主线路基填筑，第一阶边坡坡率为1∶1.5，第二阶采用路堤挡墙;右侧边坡采用2～10 级放坡，边坡坡率为 1∶1.3、1∶1.5、1∶1.75，单级坡高8m。主要有图1、图2两种断面形式：

图1 典型橫断面一

图2 典型橫断面二

其中横断面一填方路堤位于陡坡之上，坡度一般25～40°，路堤中心填高 15～25m，形成的填方边坡高 52～66m，填方边坡稳定性问题是该路段主要工程地质问题；横断面二中原始地面相对平缓，且边坡坡脚填至对面山坡，形成反压，工程条件相对断面一路段较好。本文主要以横断面一为例，讨论陡坡路段高填路堤稳定性及变形特性。

2 主要工程地质情况

该段陡坡路堤具有如下特点：

(1)地形横坡较陡，最大横坡可达50°；

(2)斜坡区覆盖层为残坡积含碎石粘性土，厚0～3m，其物理力学性质较差；

(3)填方边坡高度大，填方边坡高达52～66m。

根据以上特点综合分析，在天然陡坡上填筑路堤可能存在如下工程地质问题：

(1)路堤整体可能沿原覆盖层及土石交界面产生滑移；

(2)路堤出现较大的工后沉降和不均匀沉降。

针对以上的实际工程条件情况，进行稳定性分析及应力应变分析。

3 髙填陡坡路堤稳定性分析

3.1 计算模型

根据填方路堤横断面特点，选取典型断面AK0+215横断面建立计算模型。AK0+215横断面布置为：路堤中心填高22.9m，路面宽12m，路堤底部最大宽度约136m。左侧边坡采用2级放坡，第一阶边坡坡率为1∶1.5，第二阶采用路堤挡墙;单级坡高8m;右侧边坡采用8级放坡，边坡坡率为 1∶1.3、1∶1.5、1∶1.75，坡脚采用路堤挡墙，单级坡高8m，形成填方边坡高62m。计算模型如图3。

图3 计算模型(AK0+215横断面)

根据勘察报告及相关规范，并结合工程经验综合确定各层岩土体计算参数(见表1)。

表1 岩土体计算参数表

3.2 计算工况

填方边坡稳定性及变形特征除受填料性质、车辆荷载、降雨等影响外，主要受覆盖层厚度及其物理力学性质影响。主要考虑以下3种工况进行填方边坡稳定性验算及变形特征分析。

工况一：天然状态；

工况二：清除土层，即清除原始边坡覆盖层，采用土方填筑；

工况三：清除土层，即清除原始边坡覆盖层，采用石方填筑。

计算结果见图4～6及表2。

图4 工况一最不利滑动面计算结果

图5 工况二最不利滑动面计算结果

图6 工况三最不利滑动面计算结果

表2 稳定性分析计算结果

由计算结果可知，工况一(天然状态土方填筑)最危险滑动面经过斜坡土石分界面及坡底土石分界面，天然状态下填方边坡稳定性系数为0.872～0.946；工况二(清除土层土方填筑)最危险滑动面滑坡前缘位于坡脚挡墙上缘，滑坡后缘位于填方坡顶平台，填方内部由于剪切破坏产生连贯的滑动面，稳定性系数为0.958～0.997，工况二较工况一边坡稳定性系数有所提升；工况三(清除土层石方填筑)填方边坡稳定性系数为1.346～1.396，最可能滑动面前缘位于坡顶以下第二阶平台处，后缘位于坡顶平台处。综上，工况三较工况二边坡稳定性系数能提高35%以上。因此，原边坡覆盖土体物理力学性质及填料对填方边坡的稳定性都有较大影响。

4 高填陡坡路堤变形特征分析

为进一步研究高填方路基地基与填方路堤内应力分布和变形特征，采用平面有限元法，对高填方边坡应力-应变进行模拟分析。路堤填方高度大，地形边坡陡，在填方自重的作用下，将引起较大的变形和差异沉降。通过对变形的研究，可以得到变形破坏的形式和变形破坏的程度，是对高填方地基稳定性评价的不可缺少的部分。

4.1 计算模型

选取AK0+215横断面进行填方路堤应力应变分析，计算模型见图7，计算参数见表1。

图7 计算模型(AK0+215横断面)

4.2 应变特征分析

由图8可以看出水平位移集中在填方边坡右侧中部附近，水平位移为0～0.37m。其中第三级边坡水平位移最大；由图9可以看出垂直位移主要集中在填方边坡的中上部位置，位移值为-0.63～0m，其中第三级边坡垂直位移最大。由图10可以看出最大位移在填方边坡右侧第三级附近，最大值为0.73m；同时可知填方边坡易沿土石分界处产生滑动，路基右侧沉降大于路基左侧沉降，路面将出现明显的不均匀沉降，路基右侧可能出现错落，路面及路基左侧易产生拉裂缝。

图8 X方向位移

图9 Y方向位移

图10 最大位移

4.3 应力特征分析

由图11可以看出天然状况下填方边坡最大主应力值为0～1445kPa，最大值出现在岩土体最厚处，等值线在填方体内呈现条形分布，与填方体形态基本一致；由图12可以看出天然状况下填方边坡最小主应力值-934.3～666.6kPa，最小值出现在填方左侧与原地基土交界处，为拉应力。由图13可以看出天然状况下最大剪应力值为0.964～534.8kPa，在填方路基两侧挡墙与原地基土交界处及土石分界处出现应力集中现象，可能导致填方体在坡脚处发生剪切破坏，并沿土石分界处产生滑动，即右侧填方边坡发生破坏，坡面产生裂缝，进而诱发上部路基滑移，产生牵引式滑坡，这与边坡稳定性分析结果一致。由图14可以看出最大剪应变等值线密集处出现在土石分界面附近土体内，最大值为0.069，存在较大的潜在破坏。

另外由表3可看出，在3种工况下填方边坡应力没有明显变化。工况二水平位移降幅为5.41%，垂直位移降幅为4.76%，剪应变降幅30.43%；工况三条件下水平位移降幅为45.95%，垂直位移降幅为46.03%，剪应变降幅62.32%。可以看出填方路堤沉降主要受填料影响，水平位移主要受原边坡覆盖层土体性质影响。

图11 最大主应力

图12 最小主应力

图13 最大剪应力

图14 最大剪应变

表3 应力特征分析计算结果

5 处治措施

通过上述分析可以看出，若不经工程处理直接进行路基填筑，将造成路堤不均匀沉降及失稳。要提高填方路堤稳定性可从以下几个方面考虑：①改善原始边坡覆盖层土体力学特性；②增强路基填料强度，控制填料规格，加强施工控制；③对坡体进行反压，设置支挡结构。基于上述考虑该段填方路堤采用了清表、挖台阶、采用石方填筑、加大吨位碾压、坡脚反压或坡脚浆砌片块石挡墙等综合处治措施，具体如下：

(1)清表：原边坡覆盖层土体力学性质差，且厚度一般不大，可将其清除。同时由于原边坡纵坡较陡，原地面采用开挖台阶，台阶宽度2～10m。

(2)石方填筑：路基要求采用石方填筑，不得填土。填方石料抗压强度不小于35MPa，用于护坡码砌的石料抗压强度不小于40MPa。对于路堤石料的开采，采用密集深孔毫秒微差爆破技术，可以实现爆岩块度80%在20～30cm之间。在填筑路堤过程中严格控制填料的粒径，对超粒径的石块要进行二次解小，不能解小的不得用于路基填筑。

(3)分层填筑：路堤采用逐层填筑，下路堤每层松铺厚度小于45cm，上路堤每层松铺厚度小于35cm。每层填料分两次填筑，先填筑粗颗粒石料，厚约松铺层厚度的3/4，用推土机将粗粒层摊平稳压一遍，再填筑一层石屑或石渣，厚约松铺层厚度的1/4，其用量约占粗石料的15%～20%，予以填满大粒径填料之间的缝隙，摊铺层面应相对平顺，利于碾压。另外通过碾压后密实的细粒层可以起到一定的阻水作用，减少施工期雨水的下渗。

采用大吨位推土机整平摊料，整平过程中要将粗细填料混合均匀，加强填料颗粒的相互挤压，使其有较好的平整度，避免有明显的坑槽、低洼或凸起的石块。

(4)分层碾压。

①整平后的路堤适当洒水，以利于碾压时石块移动、嵌锁。

②压实时的操作要求，应先压两侧(即靠路肩部分)后压中间，压实路线对于轮碾应纵向互相平行，反复碾压。

③碾压时，先轻后重，先用25T轮式振动压路机或相近的重型压路机初压两遍，起稳压作用，选择稳定的测点，便于施工中观测。

④稳压后再采用加大吨位的压路机复压6～8遍。加大吨位的压路机主要参考技术指标如下：额定功率220kW，激震力590/450kN，最大总作用力810kN。复压时横向重叠40～50cm，纵向重叠100～150cm，做到无漏压、无死角。

⑤施工过程中的路堤压实度主要以沉降差法控制，必须碾压至沉降差达到规定要求为止。

坡脚反压或浆砌片石挡墙：为进一步防止边坡从坡脚剪出，在填方边坡坡脚处采用石方填筑形成反压平台，压至对向山包；对反压困难位置，采用浆砌片块石挡墙收口。坡面采用2m厚码砌边坡。

经验算采用上述措施后填方路堤及地基整体稳定性系数为1.393(见图15)，满足安全性要求。同时监测结果表明路堤无明显工后沉降，满足工程建设要求。