内蒙古黄土地区高路堤边坡稳定性规律研究

2022-01-09刘士全赵晓亮

内蒙古公路与运输 2021年6期

关键词：填方路堤斜坡

刘士全，赵晓亮

（1.内蒙古交通设计研究院有限责任公司，内蒙古呼和浩特 010010；2.内蒙古自治区交通建设工程质量监测鉴定站，内蒙古呼和浩特 010051）

1 引言

高路堤边坡在公路工程中十分常见，填料宜选用级配较好的碎石土，在挖方较多的地区，填料往往由基岩碎石与细粒土组成。近些年国内外学者均对高路堤边坡稳定性进行了研究[1-6]。

图1 研究区地形地貌

从稳定性分析角度来看，高路堤边坡不同于深挖路堑边坡，其潜在滑动面往往大部分位于填方路堤区域，原地基土的影响并不占主要因素，而更多的是填料本身的力学特性，但当地基横坡度较陡时，路堤有沿着填筑面滑动的可能，此时的地基土影响较大。因此，研究高路堤边坡应主要从原地基横坡度、填料及地基土特性及左右侧填方高度来综合分析。

内蒙古黄土地区分布较为集中，主要分布于鄂尔多斯的南部和北部，上覆浅层、较厚层黄土状土，下覆基岩，由于该地区地形地貌变化较大，往往高路堤也是陡坡路堤，分析其稳定性不应单从整体稳定性进行考虑，并且高填方边坡有极强的相似性，往往十几个甚至几十个段落高填方边坡稳定性均相差不大。因此，为探究内蒙古黄土地区高路堤边坡的稳定性，以内蒙古伊克昭盟某高速公路为研究对象，对全线50处高路堤段落进行研究归纳，总结研究区4处典型的断面形式，针对其断面特点基于极限平衡法进行计算分析，旨在为内蒙古黄土地区高路堤边坡稳定性分析提供一些参考。

2 研究区概况

2.1 地形地貌

研究区位于内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗境内，属黄土丘陵沟壑地貌，区域内海拔高度820m～1584.6m，地形起伏变化很大，区域内冲沟发育，沟深一般为数十米，最大相对高差可达百米以上，地表被切割呈破碎状，受地形条件限制，研究区设置高路堤（边坡高度大于20m）、高架桥路段较多。主线共设置高路堤31段（总长4380m），互通区共设置高路堤19段（总长2534.2m）。

2.2 气候水文

研究区属于典型的中温带大陆性气候，气候特点为冬季漫长而寒冷，夏季炎热而短促，春秋气温变化剧烈。全年降雨少而集中，多集中在七、八、九3个月，降雨年际变化大，最低年份仅为143.5mm，最高年份为636.5mm，年平均降雨量400mm左右。蒸发量年平均为2093mm，是降雨量的5 倍。每年一月最冷，平均气温在-10.8℃～-12.9℃之间，极端最低温度为-32.8℃；7月最热，年平均气温为29℃，极端最高气温为39℃。无霜期约145天，初霜日平均为9月30日，终日为5月7日，最大冻土深度1.4m。受季风影响，夏季多偏南风或偏东风，晚秋至初春多西北风，全年日平均风速为1.9m/s～3.4m/s，最大风速为32m/s。

全线水源较为匮乏，大部分地段未见地下水分布，根据区域水文地质条件及对附近村民走访调查，地下水不具腐蚀性。

2.3 地层岩性

研究区地基土主要为黄土、砂岩及泥岩。

①黄土呈黄褐色，湿度为稍湿，密实度处于稍密-密实之间，含粉砂。稍密状黄土工程地质性质一般，密实状黄土工程地质性质较好。

②泥岩呈棕红色-紫红色、灰绿色，风化程度为全风化-中风化，高路堤影响范围内主要为全风化泥岩，分布泥岩多含砂质，薄层-巨厚层状，多与砂岩呈互层状分布。

③砂岩呈灰黄色-青灰色，细砂质-粗砾砂质结构，泥质、钙质胶结，薄层-巨厚层状，风化程度为全风化-中风化，高路堤影响范围内主要为全风化砂岩，地层分布稳定，多与紫红色泥岩互层状分布，局部地段砂岩内含煤层多层。

2.4 地质构造

研究区内各个时代的地层，主要表现为微弱的地壳升降运动而产生的轻微褶皱和大小、方向不同的断裂构造。根据沉积回旋和区域不整合的特征，区内地层基本可分为印支期、燕山期、喜马拉雅期三个构造层。第四纪以来，区内基本处于新构造运动的上升阶段，在季节性洪水冲刷侵蚀作用下，造成沟谷十分发育，使中生界及其以前的老地层裸露于地表。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015），研究区地震动峰值加速度为0.05g，对应的地震基本烈度为Ⅵ度，地震动反应谱特征周期为0.45s。因此，根据《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013）,可不用考虑抗震稳定性验算。

2.5 研究区填料及地基土力学特性指标

研究区代表性黄土状粉土土样压实度（94%）直剪试验粘聚力为23.9kPa，内摩擦角26.9°，代表性泥质砂岩压实度（94%）直剪试验粘聚力为20.41kPa，内摩擦角32.8°，考虑本项目路基填料以黄土状粉土及泥质砂岩为主，同时结合类似项目黄土状粉土高路堤抗剪强度参数取值类比，高路堤填土抗剪强度取值统一按粘聚力为23.9kPa、内摩擦角26.9°取值，饱和工况粘聚力为15.9kPa、内摩擦角23.9°。

研究区代表性泥质砂岩压实度（94%）直剪试验粘聚力为20.41kPa，内摩擦角32.8°，泥岩、砂质泥岩原状土直剪试验抗剪强度参数普遍较高，考虑研究区高路堤基底以泥质砂岩、泥岩、砂质泥岩为主，高路堤地基土抗剪强度取值统一按粘聚力为20.41kPa、内摩擦角32.8°取值。饱和工况粘聚力为12.41kPa、内摩擦角29.8°。

3 研究区高路堤边坡工况分析

研究区高填方路堤边坡根据其区域概况及工程地质特征计算主要分为两种分析情况，分析情况1为自然工况，分析情况2为暴雨工况下的稳定性。由于是公路路堤高边坡，可以看做平面应变问题，因此首推工程实践最普遍采用的极限平衡法进行计算，拟建防护措施属于被动防护，其作为安全系数储备不予考虑。

3.1 自然工况下高边坡稳定性

根据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015），高填方路堤边坡需要考虑两种情况，一是高边坡的整体稳定性，二是路堤沿斜坡地基或软弱带滑动的稳定性。针对沿斜坡地基或软弱带滑动的可能，对路基横坡陡于1:5的区域均设置不小于2m宽度的台阶，以减少沿潜在滑动面发生破坏的可能。

路堤堤身稳定性采用圆弧滑动法定量分析边坡的稳定性情况，采用简化bishop法进行分析，路堤沿斜坡地基或软弱带滑动的稳定性采用不平衡推力法定量分析边坡的稳定性情况。计算分析后采用摩根斯坦法进行校核。

3.2 暴雨工况下高边坡稳定性

由于每个土层的水土特性曲线难以实测，并且项目区主要为季节性降雨，瞬时降雨时间不定，因此基于保守考虑，结合地勘提供的饱和抗剪强度进行综合选取，计算方法同情况1，若保守情况下的暴雨工况稳定性无法满足规范要求，考虑非饱和土降雨入渗计算，相关模型采用Van Genuchten 模型来拟合土层的水土特征曲线，数据来源为《工程地质手册》（第五版）及边坡计算软件自带数据库。

3.3 典型断面的选取原则

高填方路堤边坡与深挖路堑边坡地质条件变化不同，其整体稳定性主要看路堤填料的性质，地基土可根据区域整体进行统一取值划分。典型断面的选取有以下原则：

①地基土在该段落具有代表性，填方高度又是区域段落最高填方高度。

②地基原横坡陡，需要开挖台阶减小滑动可能的断面。

③两侧均是高填方路堤边坡或陡坡区域贯穿整个路堤横断面。

4 研究区高填方边坡稳定性分析研究

4.1 稳定性分析方法

根据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015），结合项目区填料及地基土特征，稳定性分析方法采用简化毕肖普法和不平衡推力法进行分析计算，其中路堤整体稳定性采用简化毕肖普法，沿填筑面滑动稳定性采用不平衡推力法。

4.2 稳定性评价标准

根据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015），可确定边坡稳定性安全系数，本项目地基强度指标采用直剪固结快剪试验，各阶段边坡安全系数取值见表1。

表1 高路堤边坡稳定安全系数

4.3 边坡计算典型段落选取

根据典型断面规则，由于部分典型高填方路堤边坡属于陡坡路堤，而且研究区中单独的陡坡路堤坡脚均有反坡，安全系数普遍偏高，综合考虑，因此本次选取4处不同特点且能代表研究区的典型高路堤边坡进行计算。该4处典型高路堤边坡段落代表了整个研究区高填方边坡断面计算形式，分别为：

①既是高填方路堤也是陡坡路堤，路基为半填半挖路基。

②断面两侧均属于高填方路堤，局部斜坡横坡陡于1:5，但缓于1∶2.5，沿斜坡地基或软弱带滑动的可能性几乎为零，应分左右两侧分析边坡稳定性。

③需同时考虑路堤整体稳定性及沿斜坡地基或软弱带滑动的稳定性，并且陡坡路堤是整个路堤断面的陡坡路堤，且路堤填方高度大。

④断面一侧属于高填方路堤，局部斜坡横坡陡于1∶2.5，但反坡同样占比较大，沿斜坡地基或软弱带滑动的可能性几乎为零，但填方低的左边坡同样也有可能发生滑动，宜建立全断面模型，潜在滑动面分左右搜索两次，分别验算路堤边坡的稳定性。

4.4 边坡计算模型尺寸及荷载

考虑边界效应，边坡模型根据坡高H 进行尺寸扩展，根据实际情况，坡顶为路面，考虑以重载方向为准（73cm），路床厚度80cm，则开挖台阶模型应考虑开挖至路面标高底以下1.53m处。坡脚至右边界距离为1H，坡脚至下边界距离为1H。

边坡8m 一级设置2m 宽平台，根据既有工程经验，边坡坡率一般选取为一级坡1∶1.5、二级坡1∶1.75、高级坡1∶2.0，由于边坡填料土质为黄土状粉土及泥质砂岩为主，碎石土工程特性较好，因此根据现场实际情况及规范要求综合选取四级以上边坡坡率均为1∶1.5。

计算模型主要考虑填土的自重与汽车荷载对下部路基土的作用，汽车荷载视为施加在路面结构顶面的均布荷载，行车荷载可换算为作用在路面结构上的岩土层的土柱，计算公式见式（1）[7]。

图2 地震动峰值及地震动反应普特征周期加速度区划图

式中，h0为行车荷载换算高度，m；γ 为填料重度，kN/m3；L 为前后轮最大轴距，按《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）[8]规定对于标准车辆轴距为12.8m；Q为一辆重车的重力，标准车辆荷载为550kN；N为并列车辆数，双车道取2，单车道取1；B为荷载横向分布的宽度，B=Nb+（N-1）m+d，b 为后轮轮距取1.8m，m 为相邻两辆车后轮的中心间距，取1.3m，d 为轮胎着地宽度，取0.6m。荷载分布宽度为5.5m，行车荷载计算得15.625kPa。

4.5 典型路段计算与分析

4.5.1高填方典型路段1

K1+760～K1+840 段路堤高边坡，总长约80m，地面最大横坡坡度为49°，路堤填筑后形成最大边坡高度为27.5m。根据典型断面的确定原则，本段落选取的典型断面桩号为K1+820断面。需同时考虑路堤整体稳定性及沿斜坡地基或软弱带滑动的稳定性。建立边坡模型如图3所示。

图3 高填方典型路段1边坡计算模型

天然工况下，此段高填方路堤边坡整体稳定系数为1.719（图4），大于1.45；由于开挖台阶的存在，此段路堤沿斜坡地基或软弱带滑动稳定性必定大于整体稳定性，若将开挖台阶作为稳定系数储备，重新建立模型进行计算，此段路堤沿斜坡地基或软弱带滑动的稳定系数为1.787（图5），大于1.30，仍满足规范要求。

图4 高填方边坡天然工况下整体稳定性

图5 高填方边坡天然工况下沿路堤填筑面滑移稳定性

暴雨工况下，此段高填方路堤边坡整体稳定系数为1.384（图6），大于1.35，路堤沿斜坡地基或软弱带滑动的稳定系数为1.562（图7），大于1.20，均满足规范要求。

图6 高填方边坡暴雨工况下整体稳定性

图7 高填方边坡暴雨工况下沿路堤填筑面滑移稳定性

4.5.2高填方典型路段2

K12+400～K12+530段路堤高边坡，总长约130m，地面最大横坡坡度为26°，路堤填筑后形成最大边坡高度约26m。根据典型断面的确定原则，本段落选取的典型断面桩号为K12+450断面。该断面两侧均属于高填方路堤，局部斜坡横坡陡于1:5，但缓于1:2.5，沿斜坡地基或软弱带滑动的可能性几乎为零，因此考虑路堤整体稳定性即可，但应分左右侧分析两侧的边坡稳定性。建立边坡模型如图8、图9所示。

图8 高填方典型路段2左侧边坡计算模型

图9 高填方典型路段2右侧边坡计算模型

天然工况下，此段高填方路堤左右侧边坡整体稳定系数分别为1.724（图10）、1.696（图11），均大于1.45，满足规范要求。

图10 高填方左侧边坡天然工况下整体稳定性

图11 高填方右侧边坡天然工况下整体稳定性

暴雨工况下，此段高填方路堤左右侧边坡整体稳定系数分别为1.397（图12）、1.371（图13），均大于1.35，满足规范要求。

图12 高填方左侧边坡暴雨工况下整体稳定性

图13 高填方右侧边坡暴雨工况下整体稳定性

4.5.3高填方典型路段3

K25+230～K25+520段路堤高边坡，总长约290m，地面最大横坡坡度为41°，中心最大填土高度40.9m，路堤填筑后形成最大边坡高度约48.2m。根据典型断面的确定原则，本段落选取的典型断面桩号为K25+380断面。该断面需同时考虑路堤整体稳定性及沿斜坡地基或软弱带滑动的稳定性，并且该陡坡路堤是整个路堤断面的陡坡路堤，且路堤填方高度大，是项目区最具代表性的陡坡路堤。建立边坡模型如图14、图15所示。

图14 高填方典型路段3边坡计算模型I

图15 高填方典型路段3边坡计算模型II

天然工况下，此段高填方路堤边坡整体稳定系数为1.751（图16），大于1.45；由于此段路堤沿斜坡地基或软弱带滑动涉及整个路基，因此重新建模后进行计算，此段路堤沿斜坡地基或软弱带滑动的稳定系数为2.561（图17），大于1.30，满足规范要求。

图16 高填方边坡天然工况下整体稳定性

图17 高填方边坡天然工况下沿路堤填筑面滑移稳定性

暴雨工况下，此段高填方路堤边坡整体稳定系数为1.431（图18），大于1.35；路堤沿斜坡地基或软弱带滑动的稳定系数为2.171（图19），大于1.20，满足规范要求。

图18 高填方边坡暴雨工况下整体稳定性

图19 高填方边坡暴雨工况下沿路堤填筑面滑移稳定性

4.5.4高填方典型路段4

K36+690～K36+900段路堤高边坡，长约210m，地面最大横坡坡度为40°，中心最大填土高度41m，路堤填筑后形成最大边坡高度约43m。根据典型断面的确定原则，本段落选取的典型断面桩号为K36+860断面。该断面右侧属于高填方路堤，局部斜坡横坡陡于1:2.5，但反坡同样占比较大，沿斜坡地基或软弱带滑动的可能性几乎为零，因此考虑路堤整体稳定性即可，但填方低的左边坡同样也有可能发生滑动，为了探寻此类边坡稳定性，本次计算采用全断面建模，潜在滑动面分左右搜索两次。建立边坡模型如图20所示。