公路加筋路堤失穩(wěn)分析及相應(yīng)處治措施

周金霞

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

0 引言

高速公路建設(shè)對(duì)國(guó)家科研發(fā)展起著巨大推動(dòng)作用，隨著發(fā)展步伐的加快，高速公路建設(shè)越來越多的項(xiàng)目要在山區(qū)、丘陵區(qū)修筑，高邊坡、軟基等難度較大的工程問題也頻頻遇到。而加筋土路堤因占地面積少、材料消耗低、施工工期短、可承受較大的變形、抗震性能良好等優(yōu)點(diǎn)逐漸被山區(qū)高速公路工程接受。（加筋土是一種在土中加入加筋材料而形成的復(fù)合土。在土中加入加筋材料可以提高土的強(qiáng)度，增強(qiáng)土體的穩(wěn)定性。因此，凡在土中加入加筋材料而使整個(gè)土工系統(tǒng)的力學(xué)性能得到改善和提高的土工加固方法均稱為土工加筋技術(shù)，形成的結(jié)構(gòu)亦稱之為加筋土結(jié)構(gòu)。）同時(shí)也帶來路基失穩(wěn)新的問題，加筋路堤失穩(wěn)包括內(nèi)部穩(wěn)定破壞與外部穩(wěn)定破壞兩種模式[1]。外部穩(wěn)定破壞包括平面滑動(dòng)破壞、深層滑動(dòng)破壞、局部承載破壞（側(cè)向擠出破壞）及過量沉降4種形式，如圖1～圖4所示，本文通過對(duì)加筋土路堤穩(wěn)定計(jì)算[2]及結(jié)合工程地質(zhì)條件分析得出此段路堤失穩(wěn)的原因，且給出處置措施及處治結(jié)果。

圖1 平面滑動(dòng)破壞

圖2 深層滑動(dòng)破壞

圖3 局部承載破壞（側(cè)向擠出破壞）

圖4 過量沉降

1 工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

1.1 地形、地貌

項(xiàng)目位于黃土丘陵區(qū)，微地貌為黃土梁、塬、沖溝及陡坎，整體地形北高南低變化較大，地勢(shì)較高。

1.2 地層時(shí)代、成因及巖性特征

經(jīng)地質(zhì)調(diào)查及鉆探資料揭示，勘察區(qū)地層主要由第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4me）及中更新統(tǒng)沖洪積物（Q2al+pl）粉土、粉質(zhì)黏土組成。Q4me人工填土為雜填土，雜色，結(jié)構(gòu)疏松，土質(zhì)不均，多含碎石、磚塊等建筑垃圾。ZK2中3.9 m以上為建筑垃圾構(gòu)成，結(jié)構(gòu)松散，稍濕狀態(tài)，粒徑2～6 cm。Q2al+pl地層以粉土為主，局部沉積粉質(zhì)黏土，呈堅(jiān)密狀分布。粉土，褐黃色，中密結(jié)構(gòu)，稍濕狀態(tài)，含菌絲及鈣質(zhì)結(jié)核，其特征：結(jié)構(gòu)疏松，具大孔隙，親水性強(qiáng)，隨著含水量的增加，易軟化，強(qiáng)度顯著下降，固結(jié)性差。粉質(zhì)黏土，褐黃—紅褐色，堅(jiān)硬狀態(tài)，含菌絲及鈣質(zhì)結(jié)核。勘察期間未見地表水，鉆探深度范圍內(nèi)亦未發(fā)現(xiàn)地下水。

場(chǎng)地位于呂梁—太行斷塊之呂梁塊隆的次級(jí)構(gòu)造單元離石—中陽(yáng)菱形復(fù)向斜，是歷史地震活動(dòng)相對(duì)較弱的地區(qū)。自有記錄以來，僅在1829年4月發(fā)生5.25級(jí)地震1次，危害程度較輕。

2 經(jīng)計(jì)算及地質(zhì)條件分析得出破壞原因

2.1 加筋路堤計(jì)算

路基加筋土工合成材料設(shè)計(jì)計(jì)算抗拉強(qiáng)度Ta。

填料及地基抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值，加筋土材料與土接觸的界面阻力系數(shù)fGS均應(yīng)由試驗(yàn)獲得。界面摩擦系數(shù)為0.9。

筋材料的豎向?qū)娱g距為100 cm，大于一層填土最小壓實(shí)厚度。同時(shí)設(shè)置輔筋，輔筋層間距200 cm，長(zhǎng)度4.0 m，路堤計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖5。

圖5 路堤計(jì)算簡(jiǎn)圖

本項(xiàng)目采用通用規(guī)范方法，具體為圓弧穩(wěn)定分析方法中簡(jiǎn)化Bishop法[3]，計(jì)算目標(biāo)為安全系數(shù)計(jì)算，滑裂面形狀為圓弧滑動(dòng)法，同時(shí)不考慮地震。土條重切向分力與滑動(dòng)方向反向時(shí)當(dāng)下滑力對(duì)待，穩(wěn)定計(jì)算目標(biāo)是自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑裂面。條分法的土條寬度為1 m，搜索時(shí)的圓心步長(zhǎng)為1 m，搜索時(shí)的半徑步長(zhǎng)為0.5 m。

計(jì)算結(jié)果為最不利滑動(dòng)面滑動(dòng)圓心坐標(biāo)在(0.240，28.253)m，滑動(dòng)半徑等于28.254 m，滑動(dòng)安全系數(shù)Fsu為1.292，筋材總拉力Ts作用的力臂，m；D等于28.254。

采用上述結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算得：

式中：Wi為土條i的重力，kN/m;Qi為作用于i土條豎直方向的外力，kN/m，如車輛荷載等;R為滑弧半徑，m；αi為土條i底滑面與水平面的傾角，（°）。

得知筋材總拉力Ts：

式中：Fs為要求達(dá)到的穩(wěn)定安全系數(shù)；Fsu為未加筋時(shí)路堤圓弧滑動(dòng)破壞的穩(wěn)定系數(shù)；D為筋材總拉力Ts作用的力臂，m；Md為滑動(dòng)力矩，kN。

第j層筋材所受拉力Tj為：

式中：Tz為 1 個(gè)區(qū)域布置時(shí)，Tz=Tsmax；Rc為加筋覆蓋率，土工格柵Rc=1；Hz為加筋區(qū)域高度，m；Sv為加筋區(qū)域筋材豎向間距，m；Ta為筋材設(shè)計(jì)計(jì)算抗拉強(qiáng)度，kN/m。

堤身穩(wěn)定性、地基與堤身整體穩(wěn)定性系數(shù)為Fc：

各層錨固長(zhǎng)度Le為：

式中：fGS為抗拔出阻力系數(shù)1.11；α為考慮筋材與土相互作用的非線性分布效應(yīng)系數(shù)，土工格柵0.8；δ'V為筋土交界面的有效正應(yīng)力；Rc為加筋覆蓋率，對(duì)土工格柵和土工織物為1；Fe為筋材抗拔出的穩(wěn)定安全系數(shù)，對(duì)粒料土為1.5，對(duì)黏性土為2.0。

最終得出加筋土路堤的穩(wěn)定系數(shù)：

經(jīng)上述計(jì)算可知本段加筋土擋墻不會(huì)發(fā)生內(nèi)部穩(wěn)定破壞。

2.2 地質(zhì)條件分析

本段路堤地質(zhì)條件簡(jiǎn)圖見圖6。

圖6 路堤地質(zhì)條件簡(jiǎn)圖

將本段路堤地質(zhì)條件簡(jiǎn)圖與圖3相比較得出本段加筋土擋墻失穩(wěn)破壞形式為局部承載破壞（側(cè)向擠出破壞）。

3 處治方案及處治結(jié)果監(jiān)測(cè)

3.1 處治方案

經(jīng)過對(duì)抗滑樁與填土反壓2個(gè)方案計(jì)算，并結(jié)合拆遷占地等相應(yīng)情況分析對(duì)比，最終選擇填土反壓處治方案，方案模型見圖7。

圖7 填土反壓處治方案模型圖

3.2 處治結(jié)果監(jiān)控量測(cè)

在公路工程中，監(jiān)控量測(cè)已成為不可替代的輔助措施。其不只能為科學(xué)研究提供第一手現(xiàn)場(chǎng)資料，而且也為施工與反饋設(shè)計(jì)提供了寶貴的參考信息，為工程安全、迅捷的建設(shè)提供有效的保障作用[4]。

本項(xiàng)目監(jiān)控量測(cè)的最終目的就是為了及時(shí)掌握路堤邊坡動(dòng)態(tài)變化，依據(jù)工程特點(diǎn)布設(shè)10處觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)要求為：a）測(cè)站點(diǎn)位置在路基影響范圍外圍穩(wěn)定地段布設(shè)；b）測(cè)站點(diǎn)、測(cè)點(diǎn)設(shè)置應(yīng)設(shè)立混凝土樁，防止測(cè)樁遭受自然或人為因素破壞；c）監(jiān)測(cè)頻率1天1次；d）測(cè)量?jī)x器選擇為儀器可靠性和穩(wěn)定性好、儀器有能與路基地基變形相適應(yīng)的足夠的量測(cè)精度，儀器的靈敏度高，儀器具有與環(huán)境相適應(yīng)的性能；e）測(cè)量誤差：點(diǎn)位誤差要求不超過±5.4 mm，水準(zhǔn)測(cè)量每公里中誤差不超過±3.0 mm。

檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果處理見圖8，由數(shù)據(jù)顯示可知邊坡經(jīng)填土反壓處治后各個(gè)測(cè)點(diǎn)在15 d內(nèi)趨于穩(wěn)定，變化速率逐漸趨于0.0 m/日。且經(jīng)過一年的連續(xù)觀測(cè)邊坡未發(fā)生失穩(wěn)的跡象，由此可知設(shè)計(jì)施工方案可行且合理。

圖8 觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果處理圖

4 結(jié)論

a）減少山區(qū)公路路堤失穩(wěn)的主要措施是要充分做好前期地質(zhì)調(diào)查工作，調(diào)查工作做得越詳細(xì)、越具體，在設(shè)計(jì)中才越有針對(duì)性，從而避免許多設(shè)計(jì)上的差錯(cuò)。

b)當(dāng)路基出現(xiàn)失穩(wěn)滑塌之后應(yīng)快速查找原因，對(duì)癥下藥，及時(shí)做出應(yīng)對(duì)措施和準(zhǔn)確的施工方案。同時(shí)在施工上應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工和監(jiān)控，將損失降至最低。

c）加筋土路堤破壞形式有別于普通路堤，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮兩者的差異性，做好充分的準(zhǔn)備工作，盡量避免后期變更。