不同处理方式下的路基边坡优化设计方法研究

2022-07-12张燕

交通世界 2022年16期

张燕

（邯郸市交通运输局公路勘察设计院，河北邯郸 056004）

1 工程概况

某公路工程的第四标段，该标段所在区域内的地质条件复杂程度相对较高，大部分地基为软基。原设计方案中的取土场由于深度过浅，无法满足路基填筑需要。为确保路基填筑施工顺利开展，对沿线上的料源加以调查，天然砂和砖渣土以及石渣才掺水泥等，均可为路基填料。本次研究的重点是各类填料路基的边坡坡率，通过不同处理方式下，路基边坡的优化设计，确定出相应填料路基最合理的边坡坡率，为后续施工提供技术支撑，保证路基修筑顺利完成。

2 不同处理方式下的路基边坡优化设计方法

依据本工程的地质资料，结合设计图纸，依托先进的计算机软件，利用路基填料的试验数据，采用模拟的方法，对路基不同处理方式下的工况进行演算，优选出路基边坡的最佳坡率及护坡形式。具体的优化设计方法如下。

2.1 换填处理下的边坡优化设计

2.1.1 换填设计方案

在换填处理方式下，路基边坡的坡度设计为1∶1.3，其中上路堤的换填材料选用的是4%的石灰土，下路堤的换填材料有以下几种：4%的石灰土和4%的水泥土、砖渣土、麻古砂（花岗岩风化后的产物）和素土。上路床的换填方案如下：换填深度为150cm，选用4%的石灰土作为换填材料，下路床不处理[1]。按照上述工况，借助计算机系统对路基边坡仿真模拟后获得以下数据：以4%的石灰土作为回填材料时，边坡的安全系数最高，为3.0；4%的水泥土次之，安全系数为2.89；素土作为换填材料时的安全系数最低，仅为1.9。依据上述方案，模拟不同工况下的边坡塑性应变、水平位移及安全系数，具体包括边坡坡度为1∶1.5时，上路床不做任何处理的工况；边坡坡度为1∶1.5时，对上路床做换填处理的工况；边坡坡度为1∶1.3时，路床换填的工况[2]。

2.1.2 换填优化结果

（1）边坡坡度为1∶1.5，上路床采用换填的方法处理，在选取不同填料的情况下，路基边坡发生失稳时，水平位移均存在增加的现象。以4%的石灰土、4%的水泥土作为换填材料填筑路基，失稳后水平位移的幅度小于其他换填材料；以麻古砂作为换填材料时，边坡失稳后的水平位移幅度最大。

（2）边坡坡度为1∶1.3，用素土回填下路堤，以4%的石灰土、砖渣土、麻古砂作为换填材料，对边坡上路床换填后，路基边坡出现失稳时的水平位移比边坡坡度为1∶1.5，以换填法处理的边坡水平位移高很多[3]。采用4%水泥土对路基边坡的上路床换填后，边坡失稳后的水平位移有所下降。

（3）通过对不同处理方式下，路基边坡出现失稳状态后的塑性应变情况对比发现，采用换填的方法处理上路床后，边坡坡度为1∶1.3 和坡度为1∶1.5 这两种工况下，用4%的石灰土、砖渣土作为填料时，路基边坡在发生失稳后，塑性应变较为稳定。采用4%的水泥土作为换填材料对下路堤换填处理时，路基边坡发生失稳后的塑性应变相对较大。

（4）由模拟结果可知，边坡坡度为1∶1.5时，上路床的软土地基经换填处理后，在不同填料下，路基边坡的安全系数均有一定程度的提升，随着安全系数的提升，边坡随之变得更加稳定，失稳问题得到解决；上路床经换填的方法处理后，边坡坡度为1∶1.3的工况下，路基的安全系数比坡度为1∶1.5时略高。由此表明，当边坡的坡率收缩后，会影响到边坡结构的整体稳定性。以4%的水泥土、4%的石灰土和砖渣土作为换填材料时，坡度1∶1.3与上路床换填处理的路基边坡比坡度为1∶1.5上路床不处理的情况，边坡的安全系数更高[4]。

2.2 打桩处理下的边坡优化设计

2.2.1 打桩设计方案

边坡角度为1∶1.3，以4%的石灰土作为填料，对上路堤做换填处理，并用五种填料对下路堤做换填处理，包括4%的石灰土、4%的水泥土、砖渣土、麻古砂和素土。上路床的处理方案为打桩，深度为150cm，不处理下路床。依据上述工况，通过计算机系统，对路基边坡仿真模拟后获得以下数据：下路堤换填时，选用的填筑材料为4%的石灰土时，路基边坡的安全系数最高为3.03，素土作为填料时的边坡安全系数最低，仅为1.9[5]。根据上述方案，对不同工况下的边坡塑性应变、水平位移及安全系数进行模拟，具体包括边坡坡度为1∶1.5 时，上路床不做任何处理的工况；边坡坡度为1∶1.5 时，对上路床做打桩处理的工况；边坡坡度为1∶1.3时，路床打桩处理的工况。

2.2.2 打桩优化结果

（1）边坡坡度为1∶1.5，采用打桩的方法处理边坡上路床后，在不同换填材料下，边坡失稳时，水平位移均呈现增加的态势。水平位移相对较小的情况出现在换填材料为4%水泥土和4%石灰土时，麻古砂作为换填材料时，水平位移的幅度最大。

（2）边坡坡度为1∶1.3，下路堤以不同的填料处理后，再通过打桩的方法处理上路床，路基边坡发生失稳的情况时，边坡水平位移的幅度要明显高于边坡坡度为1∶1.5的工况。

（3）通过对不同工况下，路基边坡发生失稳现象的塑性应变对比后发现，以打桩的方法处理上路床后，边坡坡度为1∶1.3 的工况要比坡度为1∶1.5 的工况，塑性变形更稳定。当采用4%的水泥处理下路堤后，边坡的塑性应变会有所下降[6]。

（4）根据模拟结果可知，边坡坡度为1∶1.5 时，采用打桩的方法处理边坡上路床，并用不同的填料处理下路堤后，使边坡的安全系数得到显著提升，上述填料中不包含素土，使用素土回填，安全系数未发生改变；在边坡坡度为1∶1.3 的工况下，以打桩的方法对上路床处理后，并用不同的填料回填下路堤，边坡的安全系数与坡度1∶1.5 的工况相比有所下降。由此可见，边坡坡度1∶1.3的工况，不适宜边坡优化。

2.3 挡墙处理下的边坡优化设计

2.3.1 挡墙设计方案

路基边坡的坡度为1∶1.3，采用4%的石灰土作为填料对上路堤做换填处理，并用5类填料对下路堤换填，包括4%的石灰土、4%的水泥土、砖渣土、麻古砂和素土。上、下路床均不处理，在坡脚位置处施作挡墙。依据上述工况，通过计算机系统，对路基边坡仿真模拟后获得以下数据：下路堤换填材料为4%的水泥土时，路基边坡的安全系数最高，为2.78；4%的水泥土次之，为2.76；素土作为换填材料时的安全系数最低，为1.99[7]。

2.3.2 挡墙优化结果

边坡坡度为1∶1.5，采用挡墙处理坡脚后，路基边坡失稳时，水平位移有所减小，下路堤采用4%的水泥土或4%的石灰土作为填料做换填处理后，边坡发生失稳状态，水平位移较小，以砖渣土作为填料换填后，在边坡失稳状态下水平位移减小的幅度最大。由此可见，在坡脚处修筑挡墙，能够使边坡失稳后的水平位移显著减小，该处理方式在坡度为1∶1.5的工况下具有良好的适用性[8]。不仅如此，挡墙处理后的边坡安全系数可得到进一步提高。