公路高填陡坡路堤的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

舒廣志

(中鐵城際規(guī)劃建設(shè)有限公司，江西 贛州 341000)

1 加強(qiáng)制定高填陡坡路堤整體穩(wěn)定性方案

1.1 穩(wěn)定性分析

要對施工路段的環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)地勘察，并對相關(guān)的地質(zhì)進(jìn)行科學(xué)的分析，通過對比分析路段的條件，綜合防治高填陡坡路堤邊坡危害的發(fā)生，在這個(gè)過程中要提前做處理方案。

1.2 施工準(zhǔn)備及要點(diǎn)

在公路工程的設(shè)計(jì)與施工準(zhǔn)備中，技術(shù)人員要詳細(xì)了解公路工程的相關(guān)情況，例如水文條件、地質(zhì)條件以及特殊的環(huán)境因素等，綜合考慮后對勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)。只有通過對工程環(huán)境、地質(zhì)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)掌握和分析，設(shè)計(jì)人員才能制定科學(xué)合理的防護(hù)方案，這也是保障工程質(zhì)量的前提。在具體的設(shè)計(jì)與施工過程中，根據(jù)已有的工程記錄，分析各種高填陡坡路堤的病害類型，同時(shí)認(rèn)真整理分析施工中高填陡坡路堤的穩(wěn)定數(shù)據(jù)，對公路高填陡坡路堤的邊坡整體穩(wěn)定性進(jìn)行研究。施工人員在對工程段的地質(zhì)水文整體掌握的前提下，構(gòu)建科學(xué)合理的地上與地下部分的排水系統(tǒng)，避免地下水和地上水相互作用危害路基高邊坡的穩(wěn)定性。在施工過程中，設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格考察高填陡坡路堤的現(xiàn)場情況，對高填陡坡路堤邊坡的坡形和坡率實(shí)施精準(zhǔn)計(jì)算，進(jìn)行合理的工程設(shè)計(jì)，確保邊坡坡率和坡形與現(xiàn)場的巖石特征相符合，最大限度地縮減針對邊坡的加固施工。這些措施一方面強(qiáng)化高填陡坡路堤邊坡的防護(hù)能力，另一方面確保了高填陡坡路堤的整體穩(wěn)定性。

1.3 監(jiān)測措施

公路完工后和使用前，相關(guān)部門還要在一定時(shí)間內(nèi)對高填陡坡路堤的邊坡進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)整理監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息，對于那些穩(wěn)定性不佳的段落設(shè)立長期的觀測站，進(jìn)行持續(xù)性的穩(wěn)定性觀測。在后續(xù)的公路養(yǎng)護(hù)工作中，必須建立健全養(yǎng)護(hù)制度，對于公路邊坡危害的高發(fā)區(qū)要具體落實(shí)到人，做到監(jiān)測的定時(shí)定點(diǎn)，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)危害和及時(shí)處理。對于通過分析計(jì)算存在隱患的路段，必須采取針對性的、特殊的措施進(jìn)行預(yù)防，例如限制重量、加強(qiáng)排水、對支擋防護(hù)實(shí)施加固等措施。

2 具體的案例解析

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析

案例項(xiàng)目位于贛州市于都縣，路線為南北走向，公路全長6.6 km。采用設(shè)計(jì)速度為60 km/h的一級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，路基寬度設(shè)計(jì)為24.5 m。全線共計(jì)四處高填陡坡路堤，本文以其中一處具有代表性的路基為例。工程場區(qū)呈現(xiàn)一般發(fā)育的巖體風(fēng)化裂隙，通常斷層密集帶通過和規(guī)模的裂隙不會發(fā)生。巖層產(chǎn)狀 57°∠5°，節(jié)理裂隙關(guān)鍵發(fā)育表現(xiàn)為兩組，節(jié)理1為340°∠78°，節(jié)理2為84°∠75°?？蔀橐话懔严兜陌l(fā)育，為閉合～微張的狀態(tài)，沒有發(fā)生沒有水、填充或者少量填充的現(xiàn)象，呈現(xiàn)一般的組合。本文采取赤平投影法對公路高填陡坡路堤邊坡實(shí)施穩(wěn)定性分析。分析結(jié)果顯示，該邊坡巖體呈現(xiàn)部分的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2.2 穩(wěn)定性的計(jì)算

(1)完全采用不平衡推力法計(jì)算二元結(jié)構(gòu)面處穩(wěn)定性。必須綜合分析地震、天然狀態(tài)、連降暴雨等，基于該區(qū)域?yàn)?°的抗震設(shè)防烈度，所以，只需要對兩種工況進(jìn)行考慮率：自重以及自重+暴雨。重力作用于邊坡體稱之為自重，計(jì)算的方法基于地下水位上面的按照天然重度實(shí)施計(jì)算，地下水位之下的按照飽和重度計(jì)算。影響邊坡的暴雨因素體現(xiàn)在兩個(gè)方面，地下水因?yàn)樯钊氲淖兓?，以及隱藏滑動面和邊坡體在地下水位以上的含水量，基于此形成的坡體自重的變化、動水壓力的變化、變化的浮托力、還有坡體和潛在滑動面抗強(qiáng)度參數(shù)的改變，對邊坡穩(wěn)定性造成影響。計(jì)算參數(shù)包括內(nèi)摩擦角、粘聚力和坡體土層厚度。在第一種工況 時(shí)，地下水位在隱藏滑動面以下，天然自重是自重計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)摩擦角和天然凝聚力是計(jì)算抗滑力的手段；基于第二種工況，飽和狀態(tài)的形成是因?yàn)楸┯甑臐B入，利用飽和重度計(jì)算自重體，利用內(nèi)摩擦角和粘聚力計(jì)算抗滑力。在第二種工況時(shí)，基于降雨造成的入滲呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，計(jì)算自重體采用飽和重度，計(jì)算抗滑力采取粘聚力和內(nèi)摩擦角。剖面的概化必須根據(jù)計(jì)算，利用的軟件是某軟件的平衡推力法。在滑動面搜索和條款劃分可以由計(jì)算機(jī)完成。在第一種工況下，計(jì)算穩(wěn)定性結(jié)果，顯現(xiàn)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為0.46<1.34，第二種工況下的安全穩(wěn)定系數(shù)為0.42<1.24，都顯現(xiàn)狀態(tài)的不穩(wěn)定。

(2)計(jì)算坡腳厚層粉質(zhì)黏土穩(wěn)定性可以采用Bishop法和剩余下滑力計(jì)法。首先上部土層剩余下滑力實(shí)施計(jì)算：第一塊滑體剩余下滑力為231.255 KN，下滑力角度32.523°；第三塊滑體剩余下滑力為1 127.646 KN，下滑力角度 27.790°；而均顯示為零的是第二和第四塊滑體剩余下滑力。通過等效厚層粉質(zhì)黏土層和剩余下滑力的作用力，簡化模型，再計(jì)算坡腳厚層粉質(zhì)黏土層的穩(wěn)定性。

第一種工況的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.12<1.24；第二中工況的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.03<1.24，皆為不穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)穩(wěn)定性計(jì)算公式

通過有效構(gòu)建離散化有限單元模型，利用特殊形式的單元類型，比如四邊形或三角形等，將計(jì)算模型進(jìn)行大小適宜的單元劃分，各單元的連接通過節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。以虛功規(guī)則為基礎(chǔ)，實(shí)施離散化有限元計(jì)算模型的構(gòu)建，采用不同形式的單元形式，將計(jì)算模型進(jìn)行大小適宜的單元劃分，并假定各單元間的連接通過節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)

[ke]{δ}-{F}

(1)

式中：設(shè)置的單元節(jié)點(diǎn)力為{F}；[Ke]則表示為單元剛度矩陣。方程平衡的總體性:各單元節(jié)點(diǎn)的疊加力與節(jié)點(diǎn)位移之間的內(nèi)在聯(lián)系，形成如下按照節(jié)點(diǎn)位移列陣構(gòu)成下面的根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移列陣，公式(2)為基本未知量的線性代數(shù)方程組

(2)

公中：整體剛度矩陣設(shè)定為[K]。借助增量法

—初應(yīng)力法，獲得節(jié)點(diǎn)位移矢量{U}。各單元的以力和應(yīng)變實(shí)施計(jì)算要根據(jù)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位情況，之后根據(jù)力學(xué)材料的應(yīng)力情況對各單元的主應(yīng)力(σ↓1，σ↓3以及最大主應(yīng)力(τ1)與x軸的夾角(a)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

2.3 關(guān)于沉降的計(jì)算

針對主固結(jié)沉降計(jì)算可以利用分層總和法計(jì)算進(jìn)行，借助壓縮試驗(yàn)獲得的e-p曲線計(jì)算參數(shù)。堤計(jì)算斷面可以選定最不利斷面，斷面相關(guān)參數(shù)要按計(jì)算要求輸入，利用兩種軟件對沉降和穩(wěn)定實(shí)施計(jì)算，分別為堤壩設(shè)計(jì)軟件和巖土軟土地基路基軟件。本試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果顯示：路面完成之后，為0.15 m的地基沉降，殘余沉降在基準(zhǔn)期內(nèi)為0.163 m。相關(guān)規(guī)范并沒有對沉降后的控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定，而是認(rèn)真分析另外對某高速路部分的均勻沉降結(jié)果，得出結(jié)論為：為杜絕不均勻變形在路基的發(fā)生，路基高填方結(jié)束后沉降管控標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定4 cm較合適?？苫诰唧w的基底為厚層黏土層的地區(qū)都達(dá)不到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，所以一般是根據(jù)橋頭沉降標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施管控，規(guī)定為10 cm。但按照沉降計(jì)算數(shù)據(jù)，該區(qū)域工程完成后呈現(xiàn)大于10 cm的沉降，不符合相關(guān)的控制標(biāo)準(zhǔn)。

3 要點(diǎn)設(shè)計(jì)

通過嚴(yán)格分析邊坡的穩(wěn)定性和沉降狀況以及對數(shù)據(jù)的計(jì)算，同時(shí)綜合相關(guān)項(xiàng)目的研究數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)的坡率、坡形和平臺寬度具備合理性。考慮該地段高填陡坡路堤斜坡面上的覆蓋薄層有可能滑塌，可以對其進(jìn)行清除，直到中風(fēng)化粉砂巖層。由此形成的最不利界面為中風(fēng)化粉砂巖與路基填土的分界面，很容易產(chǎn)生滑動面而且基于路基的很大沉降，必須加固處理坡腳處基底。但因?yàn)槠履_處很弱的地基承受力，所以，擋土墻支護(hù)和反壓護(hù)坡?lián)跬恋姆桨覆贿m宜采用，可以綜合采用開挖寬平臺和土工格柵的多層性，而且陡坡的坡度要縮短，促進(jìn)不同砂土和巖石層的黏結(jié)力，加固處理的具體措施可以采用水泥攪拌樁處理坡腳處的地基。同時(shí)為了預(yù)防地下水形成的風(fēng)險(xiǎn)，要切實(shí)加強(qiáng)排水設(shè)施。倘若地表橫坡的坡度大于1∶2.4，就要及時(shí)清除地層17 m的耕植層以及粉質(zhì)黏土，另外在基巖上構(gòu)筑橫坡臺階，設(shè)定4%的內(nèi)傾度，其寬度為4 m，利用土工格柵作為臺階之間的搭接處理，在平臺位置可布置三層土工格柵；可以利用水泥攪拌樁對坡腳處實(shí)施深層處理，攪拌樁的直徑為0.6 m，長度為11.4 m，攪拌樁的間距為2 m，樁頂鋪設(shè)60 cm的碎石墊層；坡面的防護(hù)可以采用菱形骨架植草；各級邊坡踏步和急流槽要每隔50～100 m進(jìn)行設(shè)置，利用M7.5的漿砌片進(jìn)行砌筑；坡腳處構(gòu)建矩形混凝土排水溝，規(guī)格為60 cm×70 cm，雨水可以通過骨架水槽流進(jìn)排水溝。

實(shí)施了上述措施后對高填陡坡路堤實(shí)施穩(wěn)定性驗(yàn)算。

第一，對填土地段利用Bishop的不平衡推力法，對平臺開挖的不同土層之間界面穩(wěn)定性實(shí)施驗(yàn)算。第一種工況的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為2.28，第二種工況的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.91，都呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢。第二，對水泥攪拌樁加固處理后的沉降實(shí)施驗(yàn)算：完成路面工程時(shí)，地基呈現(xiàn)沉降為0.056 m；工程完成后在基準(zhǔn)期內(nèi)的殘余沉降為0.066 m。可以滿足沉降的管控標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

總而言之，在公路建設(shè)施工中，為了確保高填陡坡路堤邊坡錨固施工的安全、順利進(jìn)行，必須選擇技術(shù)能力強(qiáng)、施工經(jīng)驗(yàn)豐富的施工隊(duì)伍，并且工程過程中的監(jiān)督是至關(guān)重要的。在道路設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中，務(wù)必要綜合考慮諸多方面的因素。對于高填陡坡路堤，有很多種處治的技術(shù)手段，要根據(jù)具體工程地質(zhì)的情況，選擇了靈活的處理方式，例如反壓護(hù)坡手段、支護(hù)擋土墻、支護(hù)錨桿以及抗滑樁等。