某加筋土高填方边坡设计

李晓宁 陈位洪 申琦瑜

(广东省建筑设计研究院 广州 510010)

引言

受经济、自然环境因素制约，经常会选择山区修建机场、垃圾场、公路、铁路等大型基础设施，对山体进行深挖高填以满足其场地和净空条件是普遍采用的措施[1，2]。综合现有的60m以上高度的填方边坡工程，绝大多数坡比大于1:1.75， 有的甚至达到 1:3，此举会增加政府征地面积，增加填方的土石方量，增加造价，造成资源浪费。

本文以广州东部固体资源再生中心(萝岗福山循环经济产业园)项目中的高填方边坡工程为例，结合园区建设方案，该边坡坡顶需建设广州第三资源热力电厂及相关配套设施，对厂坪面积需求大，同时，边坡坡底位置受现状谭洞河河道、既有运行村路以及用地红线的制约，无法参照采用大多数高填方边坡工程的1:2或 1:3[3-5]的坡率，本工程结合山区既有地形，通过技术手段，实现了以下三点成果：一是填料就地取材，将填料最大粒径扩大到了20cm以下；二是实现边坡坡度为1:1.5，坡度陡于常见高边坡坡度，满足不占用村路、不增加征地面积的要求；三是采用多种措施，包括填料加筋、挡墙联合支护技术，以达到对填方边坡的有效处理。本文提供了全面、可行的设计方法，拟为类似工程提供参考。

1 工程概述

本高填方边坡位置位于园区东侧，坡顶标高170m，坡底标高110m，高差60m。图1为边坡平面布置，可见西侧坡顶位置为第三资源热力电厂红线范围，东侧为现状谭洞河，现状谭洞河位置以东为现状村路，此村路是村民乘车下山以及施工车辆、机械进出园区的唯一出路，施工期间无法废除。场地可利用空间十分有限，受限于村路与第三资源热力电厂，边坡的最大坡率为1:1.5， 且在谭洞河上方需做渠箱结构承受边坡填土的荷载。

图1 高填方边坡平面布置Fig.1 The site plan of high fill slope

2 工程水文地质特征

2.1 地形地貌及水文

园区的原状地貌单元属丘陵地带。拟建园区场地位置标高为105.4m～227.09m，高差114.6m，山体陡峭，起伏较大。对于此填方边坡位置，原山体标高为105.4m～134.4m,高差29m。

根据钻孔揭露，水位受季节、地形影响显著。其具体量值特征为：稳定水位埋深为0.20m～16.30m，水位标高101.2m～187.4m，地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切，雨季时，大气降雨充沛，水位会明显上升；旱季时，地下水位随之下降。总体而言除潭洞河两岸，项目区域水量贫乏。对于此填方边坡位置，根据钻孔揭露，只有坡底位置钻孔实测到稳定水位，水位高度为101.2m～107.25m。

2.2 地层岩土特性

填方边坡位置原状山体地质情况从上至下可分为：①1素填土2m，承载力70kPa；③1可塑砂质粘土2m，承载力70kPa；④2强风化花岗岩2.4m，承载力700kPa；④3中风化花岗岩2.5m，承载力2000kPa；下部为④4微风化岩，承载力6000kPa。各岩、土层的技术参数如表1所示。

表1 岩土技术参数建议值Tab.1 Recommended values of geotechnical technical parameters

3 高陡填方边坡设计

有限的场地范围内，在保证边坡安全的情况下，尽可能大地增加坡顶厂区面积是本次设计的重点。本次设计中主要难点在于填料的就地取材、新旧边坡的连接方法、边坡基础的加固处理、边坡绿化耕植土的固定以及高边坡排水的问题。本文对以上技术难点做了全面设计论证，分别阐述如下。

3.1 填方边坡设计参数

填方边坡坡顶设计标高为170m，坡底标高为110m，高差60m，坡率为1:1.5，除最上、最下两级边坡外，其余每级边坡高度为10m，每级边坡设2m宽马道，坡面植草覆绿，坡底采用重力式挡土墙压脚处理。坡顶以下2m设一道300mm厚粘土隔水层，隔水层以上部分采用15m长三向土工格栅加固，隔水层以下采用单向土工格栅加固，格栅纵向间距均为0.5m。为节约造价，对填料采用强夯处理与土工格栅加筋处理相结合的措施(图2)。

图2 填方边坡剖面示意Fig.2 The profile of fill slope

3.2 填料的选择及其设计参数

新填方边坡设计本着减少土方运输量、尽量就地取材的原则。现场开挖出石块以花岗岩碎石为主，该花岗岩形成于侏罗系上统，岩石常具云英岩化、绢英岩化及钠长石化的特征。现场选择试验材料时，考虑工期的影响和二次爆破的困难性，将填料最大粒径扩大到20cm，所掺粘土的含水率根据现场取样、密封带回实验室测定的含水率结果确定。为了研究不同石土比试样的力学性质，按照试样取土难易程度，分别制定了直剪试验和原位压板试验的方案，即对于碎石总质量小于试样总质量50%的试样采用直剪试验探究其岩土技术参数，碎石总质量大于试样总质量50%的试样采用压板试验来探究其岩土技术参数。试样采用强风化碎石与土按照不同比例混合，试验得到的不同试样的力学性能如表2所示。

表2 不同试样的试验参数值Tab.2 Geotechnical test parameters of different samples

由于现场挖方区挖出的岩石，强风化岩占多数，对以上几种配比的填料进行方案比选，综合考量造价和填料强度的因素，确定填筑边坡填料采用比例为7:3的强风化花岗岩碎石与粘性土混合，且可用中～微风化岩碎石替代强风化碎石，计算采用上述压板试验结果，即C=96kPa，φ=22°。

3.3 土工布加筋材料的应用

本边坡主加筋采用HDPE单向拉伸塑料土工格栅对边坡进行加固，参数要求如表3所示。相邻两层土工格栅竖向间距1.5m，如图3所示。横向(横断面方向)不允许搭接，纵向(纵断面方向)搭接宽度不少于200mm。土工布摊铺后应用沙包固定，土工布应张紧，保证其平整，紧贴地面，加筋土体尾部应超碾压1.5m宽。土工布须进行预张拉；在回填时应先回填土工布受力方向两端的回填土，再回填中间的回填土，确保土工织物在初始状态下处于受拉状态。

图3 填方边坡与旧边坡连接构造Fig.3 Connection structure of the fill slope and the original one

表3 单向土工格栅参数Tab.3 Parameters of one-way geogrid

3.4 边坡基底处理

由于局部地段表层存在软弱土层，为控制本高填方边坡工程的工后沉降，在边坡底部设置CFG桩复合地基，要求地基承载力特征值≥500kPa。CFG桩直径为800mm，布设间距1600mm，要求桩端至少进入中风化层1m。

3.5 新旧边坡的连接设计

根据计算，滑动面位于新旧边坡的连接区域。此外，加筋土区与非加筋区的连接问题，也是影响填方边坡安全的重要因素。基于以上两点，本边坡对此进行了专项设计。填方边坡与原状山体连接的解决措施如图3所示，对原状山体采用台阶开挖的方式，每级台阶宽3.5m、高1m，土工格栅满铺至台阶处，每级台阶均增加与原状山体交接面处的抗滑力。

3.6 排水、防渗系统设计

根据已有的研究结果[6]，雨水入渗会造成边坡内孔隙水压力增加，产生应力积累，存在边坡下滑力增加导致边坡失稳的风险，此外，花岗岩易遇水软化。因此，对于填方边坡的稳定性，排水的设计至关重要。首先，需对原状山坡的鱼塘进行换填清淤和排水处理，处理措施具体为：先将鱼塘底部淤泥清除，然后将鱼塘位置满铺碎石以满足强夯的要求，通过预埋的混凝土包封钢管导入现状河流。对填方边坡设计的排水、止水措施具体为：在坡顶填方区域设置粘土隔水层和截水沟分别用于隔断坡顶雨水的入渗路径和防止坡顶雨水冲刷坡面；每级平台位置，在坡体内均设置碎石排水层并将坡内雨水通过直径200mm的UPVC排水管导入平台排水沟，上述截水沟和排水沟通过沿坡面布置的纵向流水踏步共同作用，形成纵横排水体系，将雨水有效导排至边坡底部潭洞河内。

4 模拟计算

4.1 计算方法及工况

采用FLAC 3D有限元计算软件对填方边坡的稳定性进行分析，采用强度折减系数与“二进法”进行抗滑稳定计算。边坡模型的强度准则按照摩尔-库仑强度公式，采用总应力公式进行计算分析，具体为：水位线以上采用天然重度，水位线以下采用饱和重度，且对饱和土体的内摩擦角和粘聚力折减为非饱和状态下的80%。选取填方边坡正常运行条件和地震(烈度为7度)条件两种工况进行整体稳定性计算分析。

4.2 计算模型及计算参数

如图4所示为计算模型，模型中将地下水位水面标高取为110m，即齐平填方边坡坡脚，坡体按照完全排水；坡顶位置存在道路与厂房，对应荷载分别为20kPa、40kPa。坡顶荷载按不利条件取值40kPa。按照勘察报告显示，既有坡体土层分别为：素填土、可塑砂质粘土、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩，其土体力学参数取值如表1所示；填方边坡按照7:3的比例取现场爆破后的强风化花岗岩碎石与开挖出的粘土、砂质粘性土混合，其土体力学参数由现场压板试验所得。为保守起见，土工织物参数值按设计值折减80%。

图4 有限元计算模型Fig.4 Calculating models of geostudio finite element

4.3 计算结果分析

计算结果应满足《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)中最小安全系数的要求，即正常使用工况下需满足K正常≥1.35，地震工况下满足K非常≥1.15[7]。通过软件计算分析，正常使用条件下填方边坡整体稳定安全系数为1.67，地震条件下安全系数为1.487，两者均满足规范对于最小安全系数的要求。

5 施工关键技术

为保证施工完成设计意图，施工时有如下要点：

1．填方施工前对料场的填料进行土工试验,以确定其是否能满足设计的各项技术要求。

2.土工格栅张紧，保证格栅平整，紧贴地面，无皱折，覆土压实时，应保证施工机械不直接在格栅上行进。加筋土体尾部应超碾压1.5m宽。土工格栅应存储于干净、干燥的条件下，尽量避免太阳直射，格栅材料堆放不得超过3卷的高度，且不得在其上直接加设荷载。

3.压实要求：分层铺土，分层碾压，每层虚铺土压实后的厚度一般不得大于250mm，然后采用振动碾压填筑(遍数由试验确定)，并逐层抬高，要求压实度≥95%(重型击实试验标准)。每层填土压实度检测合格并由现场监理工程师确认后方可进行上一层填土的施工，检测频率为每400m2检测一个点。

4.对高于含水率控制范围的填土必须翻晒处理，对低于含水率控制范围的土要做洒水处理,而加水困难时,可采用增加压实功的方法来提高压实度。

6 填方边坡位移监测结果分析

为确保工程安全，对填方边坡进行监测，监测方案及监测控制值经专家评审后确定，监测方案具体为：对边坡坡顶进行沉降监测、水平位移监测，对边坡坡面进行深层土体位移监测，施工期间监测频率为1天1次，竣工1年内2天一次，竣工1～2年内3天一次，竣工2～3年内5天一次。

整理监测结果发现，自2017年8月本断面施工完成至今，边坡变形已趋于稳定，变形的量值特征为：

1.边坡坡顶累计最大沉降为61.31mm，远小于设计报警值(240mm)；最大沉降点期间最大沉降速率为0.01mm/d，边坡沉降速率小于设计报警值(±3mm/d)。

2.边坡坡顶水平位移累计最大值为27.3mm，远小于设计报警值(160mm)；最大水平位移点期间最大变化速率为0.06mm/d，沉降速率小于设计报警值(±3mm/d)。

3.边坡坡面深层土体水平位移累计最大值为25.12mm，未超出设计报警值(400mm)；

可见，填方边坡的变形在安全范围内，边坡的整体稳定性满足有关规范及工程要求。

7 结语

在山区场地受限条件下，为最大程度地增加坡顶园区的使用面积、实现园区的使用功能，本文提供了全面的设计方法，并综合有限元计算、现场监测的结果和园区的使用效果，验证了设计方法是有效、可靠的，并得到如下结论：

1.新建填方边坡与原状山体的连接设计是影响边坡稳定性的关键。对原状山体采用台阶开挖的方式，土工格栅满铺至台阶处，可以有效增加连接处的抗滑力。

2.最大粒径为20cm的碎石土填料，在满足设计给定的填料石土比和压实度条件下，也可作为筑坡材料填筑边坡。

3.靠近边坡坡面60m范围内的填料使用土工织物作为加筋材料，其余部分使用强夯措施处理填料，该方法在节约造价的同时，亦能有效提高填方边坡稳定性。

4.边坡水位随季节变化差异性大的问题给设计带来困难，边坡设计的排水、止水措施作用效果明显，是解决由边坡水位升高带来的边坡不稳定问题的有效方法。