某山区公路斜路堤挡土墙地基填土稳定性分析及处治方法

2021-06-23赵福义

地基处理 2021年2期

赵福义

（贵州智恒工程勘察设计咨询有限公司，贵州贵阳 550001）

0 引言

路基挡土墙及边坡的失稳不可避免的造成了路基沉降、整体性垮塌、交通中断等，影响了人民群众的正常出行，也对生命和财产造成了一定的损失。挡土墙路基用以防止路基变形或支挡路基本体或山体的位移，以保证其稳定。挡土墙的稳定性分析主要有抗滑移稳定性分析、抗倾覆稳定性分析及挡土墙地基及填土的整体稳定性分析等。

有关路基挡土墙及边坡的稳定性分析，国内外学者做了大量的工作且成果显著。张涛等[1]将土骨架作为研究对象，将渗透力考虑为外荷载作用于土骨架上，采用强度折减法，对坡面水位下降过程中的边坡稳定问题进行研究，主要讨论不同因素对非饱和土质边坡安全稳定的影响。谢永利等[2]总结了工程边坡在稳定性分析方法、工程设计和分析软件等理论方面的共性研究成果，分别阐述黄土、膨胀土、冻土和岩质工程边坡在理论方面的新研究进展，并指出特殊岩土体工程边坡研究的进一步方向。王建林等[3]结合工程实例，采用不平衡推力法和数理统计方法，运用地下水饱水面积比和地下水排泄系统理论，分析了降雨作用下山区公路重力式高挡墙的稳定性。蒋鑫等[4]运用Phase有限元软件，考虑土-结构相互作用，建立数值模型，开展基于剪切强度折减法的山区公路拓宽加筋路基稳定性分析，探究填土、土工格栅和填土-土工格栅界面三者力学响应动态演变规律及其对路基稳定性的影响。马涛[5]以某挡土墙实例为研究对象，计算了基于可靠度反分析模型的挡土墙倾覆和滑移稳定安全系数，并进行了参数敏感性分析，同时将基于可靠度模型的计算结果与基于确定性模型的计算结果进行了对比分析。于昕左[6]采用等效重度法，将挡土墙与填土视为一体，基于Fellenius法和简化Bishop法的假设条件，通过水平条分与斜条分法，导出了水平柔性拉筋式重力墙-填方边坡整体稳定系数计算公式。对于墙-坡整体稳定系数，数值模拟计算结果与简化 Bishop法较为相近，且均大于 Fellenius法。高玉峰等[7]回顾土质边坡稳定性分析3种主要方法的国内外研究现状，对已有的三维土质边坡分析方法研究存在的困难进行了分析，针对三维土质边坡稳定性分析方法存在的问题和近些年的发展趋势，展望了未来的研究方向。

目前，对于路基边坡稳定性分析，挡土墙的抗倾覆及抗滑移稳定性分析的研究已经取得了一定的成果，但是对于斜坡上挡土墙地基及填土的整体稳定性分析却罕有研究。本文依托于贵州省某山区二级公路路堤滑坡治理工程，结合工程实例，计算分析挡土墙地基及填土的整体稳定性，提出处理方法，为今后类似的滑坡治理工程提供参考。

1 工程概况

贵州省某山区二级公路路堤滑坡治理工程K9+255～K9+300段左侧为填方路堤，路堤墙（浆砌片石挡墙）已施工完成，施工现场路堤墙墙身和附近房屋出现多处裂缝，初步判断是由于施工时路堤墙地基承载力达不到相关规范和设计要求，路堤墙基础不均匀沉降引起墙身开裂，并伴有小规模的横向滑移，造成下方房屋开裂。分析造成该变形的主要原因为：经雨季时，土体吸水饱和，物理力学参数降低，自重增大，从而使墙背土压力增大，并且上方填方高度较高，下滑力较大。10个月后经再次现场踏勘，K9+255～K9+300段路基左侧浆砌片石挡墙变形增大，已经修建完成的C20片石混凝土路堤墙出现破坏，主滑面挡墙被推出约10 cm，间距增大至约12 cm，填方路基出现滑移，原路基横断面和路基变形破坏见图1、图2。

图1 原路基横断面图Fig.1 Cross section of original subgrade

图2 路堤墙基础和路堤墙伸缩缝变形Fig.2 Foundation of embankment wall and deformation of expansion joint of embankment wall

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

本路段属构造剥蚀低中山沟谷地貌，最大标高1 787.91 m，最低标高 1 762.41 m，相对高差约25.50 m，植被为灌木、耕地。

2.2 地层岩性与岩土构成

（1）覆盖层

第四系残坡积层（Q4el+dl）粉质黏土：砖红色、红褐色，可塑至硬塑状，表层50 mm为根植土。钻探揭露厚0～3.4 m，分布于路基右侧斜坡，普土Ⅱ级。

块碎石土夹黏土（Q4el+dl）：灰色、深灰色、紫红色，结构松散至稍密，块石成分为风化玄武岩，粒径2～20 cm，呈棱角状、次棱角状，局部偶有大块石，碎石含量约60%～80%，厚4.6～11.0 m，分布于路基左下方及填方底部，硬土Ⅲ级。

回填土（Q4me）：紫红色、灰色，结构松散至稍密，分布于填方斜坡，硬土Ⅲ级。

（2）基岩

填方下伏基岩为二叠系上统峨眉山玄武岩组第三段（P2β3）玄武岩，按风化程度分强风化、中风化两层。

强风化玄武岩：深灰色、灰黑色，碎裂结构，节理裂隙极发育，岩体极破碎，岩质极软，岩芯呈砂状、碎块状。钻探揭露厚2.90～4.60 m，属软石Ⅳ级。

中风化玄武岩：深灰色，节理裂隙不发育，岩体完整，较硬岩，岩芯呈短柱状、柱状，属次坚石Ⅴ级。

2.3 地质构造与地震

填方区位无断层通过，地层稳定，岩性单一。根据《中国地震动反应谱特征周期区划图》，工程区地震动反应谱特征周期为 0.40 s，根据《中国地震动峰值加速度区划图》，工程区地震动峰值加速度等于0.05 g。

2.4 水文地质条件

（1）地表水

填方区地表水较发育，受大气降水影响，雨季有水，勘察期间未见地表水。

（2）地下水

地下水受地层岩性、构造控制，填方区地下水赋存条件简单。地下水主要为第四系孔隙水及基岩裂隙水，主要受大气降水补给，局部受地表水补给，钻探未见地下水，水文地质条件简单。

（3）水质

根据地区工程经验可知：水对基础混凝土及混凝土中的钢筋具微腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性；土对基础混凝土及混凝土中的钢筋具微腐蚀性。

2.5 不良地质作用

根据地表地质调查及钻孔岩芯观察，工程区原始地形地貌保持较好，工程区未发现滑坡、泥石流、崩塌等不良地质现象。

3 治理方案

该工点2-2和4-4断面如图3所示。

图3 地质断面图Fig.3 Geological section

在K9+204～K9+302段路基左侧路堤墙底部外侧3 m处设置26根抗滑桩，抗滑桩为直径为2.0 m的圆桩，桩心距4.5 m，1～6号桩长18 m，7～16号桩长20 m，17～22号桩长22 m，23～26号桩长20 m。1～11号桩后浇筑C20混凝土，12～26号桩后设置3 m挡土板，桩顶设置1 m厚系梁，板后干码片石反压回填至挡墙外侧。治理方案平面布置见图4，治理后工程断面图见图5。

图4 抗滑桩平面布置图Fig.4 Anti-slide pile layout

图5 工程治理断面图Fig.5 Engineering treatment section

4 理论计算

根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015），设置于不良土质地基、覆盖土层下为倾斜基岩地基及斜坡上的挡土墙，应对挡土墙地基及填土的整体稳定性进行验算。经工程地质勘测及土工试验分析得到岩土体物理力学参数如表1所示。

表1 岩土物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

通过理正岩土软件，将挡土墙地基及填土划分为不同的区域，如图6所示，再应用简化Bishop法及简布法对其进行稳定性分析。抗滑桩设置后，应用整体圆弧法对其进行整体稳定性分析。计算结果见表2。

图6 土层区域划分图Fig.6 Regional division of soil layer

表2 不同分析方法的整体稳定性系数Table 2 Global stability coefficient of different analysis methods

5 数值分析

5.1 模型建立

选择其中典型的一断面建立模型，原剖面选择非降雨工况进行计算，支护后对参数进行折减模拟暴雨工况进行计算，应力场只有自重应力场。其中第一层为块石土，中间层为强风化玄武岩，最下层为风化玄武岩。模型的岩土力学参数取值根据现场勘察结合地区经验数据和勘察报告最终确定，底部全约束，两侧边界约束方向约束。初始模型与抗滑桩支护后模型见图7、图8。

图7 初始剖面有限元模型Fig.7 Initial section of finite element model

图8 抗滑桩支护后有限元模型Fig.8 Section of finite element model after anti slide pile supported

5.2 计算结果与分析

计算得出边坡在自然工况下安全系数为1.043，按照规范[8]属于欠稳定状态，根据位移云图最大位移约为40 cm，位于挡墙上部，由于挡墙的作用未形成贯通性滑裂面，加固前边坡速度矢量如图9中红色箭头部分所示，部分土体发生越顶破坏、挡墙被土体挤压向临空面移动。设置抗滑桩和堆载反压加固后的安全系数为 1.289，且桩顶最大位移约为1 cm，模型最大位移在坡体表面约3 cm，对边坡稳定性没有影响，满足设计要求如图10。