山区道路高陡路堤边坡设计研究

冯小平

(福建省城乡规划设计研究院 福建福州 350001)

0 引言

福建地区多为山区丘陵地带，特别是内陆地区，城市的开发建设大部分都处在群山沟壑中，市政道路建设经常会形成在陡坡上的高开挖，深回填路基边坡。由于建设扰动、区域降雨、场地地质情况等影响，使建设形成的高陡斜坡容易发生失稳和不均匀沉降破坏，地面横坡、山体地质和路堤填方高度对边坡稳定性影响较大[1]，需要对高陡路堤边坡特别关注。因此，本文依托实际工程中遇到的高陡路堤边坡，探讨高陡路堤边坡在设计过程的方法。

1 项目概况

海云路位于闽清县，道路用地现状主要为农田、菜地、林地和荒地等，地势高低起伏大，属于山区丘陵地形。海云路线路总长2.2km，分三期建设，一二期道路宽度为25m，三期道路宽度27m，为城市次干路。设计车速为30km/h，采用沥青混凝土路面，最大纵坡5.5%。为了衔接道路两侧场地高程、周边规划路网高程和道路平面线型及纵坡，道路建设形成大量的高填深挖路基边坡。本文选取海云路三期经典断面k0+560横断面，路面宽27m，路堑边坡高13.6m，路堤边坡高26m，现状地面横坡35°。

2 地质情况概述

该项目沿线地段原始地貌单元为剥蚀残丘地貌单元，道路沿线场地内分布的地层自上而下依次为：①杂填土、②含碎石粉质粘土、③砂土状强风化凝灰岩、④碎块状强风化凝灰岩及⑤中风化凝灰岩。主要物理力学参数值如表1所示。

表1 主要物理力学参数值

根据勘察期间所进行的地下水位观测结果，拟建场地地下水赋存于风化基岩的裂隙之中，地下水类型为潜水，埋藏较深，且道路路基设计高程较高，可不考虑地下水对路基稳定性影响。

3 自然放坡和挡土墙支护方案比选

根据“安全可靠、经济合理、就地取材、便于施工养护”边坡防护基本原则，根据项目地质条件，选取自然放坡、挡土墙支护和放坡+挡土墙组合3种方案进行比选。

方案一：采用自然放坡方案。根据路基填料的物理力学性质、边坡高度、工程地质条件和稳定性计算确定边坡坡率。边坡形式采用台阶形，每级边坡高度为8m，自上而下边坡坡率分别取1∶1.75、1∶2.0、1∶2.25、1∶2.5，边坡与边坡间设2m宽护坡平台。该方案需占用道路外侧河道，需对河道进行改道并对下边坡进行防冲刷防护，如图1所示。

图1 自然放坡方案断面图

方案二：采用挡土墙支护方案。在道路人行道外侧设置衡重式挡土墙，由于地面横坡陡，现状高差大，挡土墙基础埋深较深，挡土墙高度为16m。通过修建挡土墙，道路不会对外侧河道造成影响，如图2所示。

图2 挡土墙支护方案断面图

方案三：采用放坡+挡土墙组合方案。由于海云路道路全线挖方土石量较大，为了保持道路全线填挖土石方量整体平衡，充分利用道路路堑土石挖方和减少弃土，从节约道路建设用地和节省道路建设成本考虑，提出自然放坡+挡土墙支护组合方案。挡土墙高度为12m。该方案能防止路基侵占河道和河道冲刷路基，如图3所示。

图3 放坡+挡土墙组合方案断面图

对边坡支护方案进行对比，如表2所示。方案一虽然边坡工程造价低，如包括河流改道费用，整体工程造价较高，且需占用大量的用地。方案二路基建设用地最少，建设超高挡土墙施工难度大，工程造价高。方案三，修建路堤挡土墙，合理利用了路堑土石方，解决了路基建设用地侵占河道和河道冲刷路基问题。经综合考虑该项目选用方案三。

表2 边坡支护方案对比表

4 选用圆弧滑裂面计算

采用放坡+挡土墙组合方案修建时，边坡滑裂面根据边坡地质条件和路堤回填材料等可分为圆弧滑裂面和折线滑裂面。参考《公路路基设计规范》(JTC D30-2015)[2]，在计算边坡整体稳定性时宜采用简化Bishop法，采用圆弧滑裂面计算，根据JTC D30-2015公式(1)计算路堤边坡稳定性，即：

(1)

其中，Fs为路堤稳定系数；

bi为第i个土条宽度；

αi第i个土条底滑面的倾角；

ci、φi第i个土条滑弧所在土层的黏聚力和内摩擦角；

Wi第i个土条重力；

Qi第i个土条垂直方向外力。

利用理正软件中边坡综合治理模块，计算圆弧滑裂面稳定安全系数。计算结果如图4所示。

图4 圆弧滑裂面计算结果图

计算出最不利滑裂面前缘位于第二级坡面中下部，后缘位于坡顶处，总的下滑力为473kN，总的抗滑力为657kN。

5 选用折线滑裂面计算

根据张健，张鑫[3]等研究陡坡路基沿基底的滑动稳定性，可能比路基范围内的滑动稳定性更难以满足；而结合项目现状地面横坡35°，则有必要验算沿填挖交界面滑动的稳定性。基此，参考《公路路基设计规范》(JTC D30-2015)[2]，路堤沿斜坡地基的稳定性分析采用不平衡推力法，采用折线滑裂面计算，根据JTC D30-2015公式(2)、(3)计算路堤边坡稳定性。

(2)

(3)

其中，WQi第i个土条的重力与外加竖向荷载之和；

αi第i个土条底滑面的倾角；

ci、φi第i个土条底的黏聚力和内摩擦角；

li第i个土条底滑面的长度；

Ei-1第i-1个土条传递给第i个土条的下滑力；

Fs为路堤稳定系数。

利用理正软件中边坡综合治理模块，计算沿填挖交界面折线滑裂面稳定安全系数，计算结果如图5所示。

图5 折线滑裂面计算结果图

表3 圆弧滑裂面和折线滑裂面稳定安全系数表

根据表3计算结果，组合方案稳定安全系数满足规范要求，方案可行。

6 处治措施

路基填筑条件、填料强度、台阶开挖尺寸、路堤断面型式和路基渗水等，对高陡路堤边坡的稳定性影响较大[4-5]。根据工程地质条件，对原地面采用挖台阶处理，台阶宽度不小于2m，台阶底做成向内倾斜4%的坡度。填方路基优先选用级配较好的砾类土、砂类土等粗粒土作为填料；对填方边坡高度≥15 m的高路堤，采用冲击碾压或大吨位的压路机对路基进行补强处理，使路堤填土得到最大的密实度。应用铺设土工合成材料等综合措施，提高路堤整体性和强度。在放坡段采用骨架喷草(植灌)防护，设置平台边沟和排水沟，防止雨水渗入边坡和挡土墙墙背。同时，对高边坡项目进行监控，明确监测项目和位置，以确保设计方案的可靠性，进而确保本边坡支护工程的安全。

7 结论

海云路三期高陡路堤边坡，存在地面横坡陡、路基填方边坡高度大、路基边坡临近河道等特点，通过高陡路堤边坡设计方案比选，针对边坡地质情况进行边坡稳定性分析，主要结论如下：

(1)对高陡路堤自然放坡、挡土墙支护和放坡+挡土墙组合方案进行比较，组合方案在施工难度、土石方利用、建设使用土地、结构稳定性和工程经济等方面都具有较大优势；

(2)高陡路堤边坡需同时满足路基圆弧滑裂面和沿填挖交界折线滑裂面稳定安全性验算；

(3)高陡路堤设计，需注意地面横坡处理、路基填料选择、路基压实、边坡排水和边坡监控等问题，对边坡稳定性具有较大影响。