山區(qū)復(fù)雜地形條件下超高土工格柵加筋土路堤的穩(wěn)定性分析

董 健，張 明，羅玉珊，王 進(jìn)，楊 帆

(1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院，武漢 430051;2.同濟(jì)大學(xué) 巖土工程與地下結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092;3.湖北力特土工材料有限公司，湖北 宜昌 443003)

1 研究背景

土工合成材料加筋土邊坡/擋墻已經(jīng)在公路、鐵路路基工程，水利堤壩工程和地質(zhì)災(zāi)害防治支護(hù)工程中都得到了廣泛應(yīng)用［1－4］，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。相關(guān)的理論與應(yīng)用研究成果［5－10］為加筋土技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展奠定了很好的基礎(chǔ)。

在山區(qū)公路建設(shè)中，由于地貌地形條件復(fù)雜，施工場地條件受到限制，為盡量減少工程建設(shè)對周圍環(huán)境的沖擊，建造高陡填方路基難以避免。在這種情況下，土工合成材料加筋土邊坡/擋墻可發(fā)揮其對地基條件和施工條件要求較低，而且建造工藝靈活等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜的地形地質(zhì)條件下創(chuàng)造了很多成功案例。如凌天清［6］(2000)介紹的云南楚大高速公路1號加筋土路肩墻，加筋土擋墻總高度達(dá)到43.75m，采用筋帶加筋，分3級修筑。作者基于現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果研究了破裂面形式和設(shè)計方法;Ramodi和Talone［11］(2010)介紹的意大利連接米蘭與那不勒斯的A1公路一處跨越山谷的加筋土邊坡，總高度達(dá)到46.75m，分6級修筑，每級高8 m，兩級之間設(shè)置2.5m寬平臺，邊坡坡度為22°。但工程實(shí)踐中也有一些失敗的教訓(xùn)［12］。因此，在土工合成材料加筋土結(jié)構(gòu)工程實(shí)踐中，進(jìn)行加筋土邊坡/擋墻設(shè)計時應(yīng)認(rèn)真調(diào)研，周密思考，具體問題具體分析，采取合理的工程措施，在施工過程中按圖施工，確保工程質(zhì)量。

本文結(jié)合湖北省宜昌至巴東(鄂渝界)公路第11合同段土工格柵加筋高路堤的方案確定、設(shè)計驗(yàn)算和施工監(jiān)測等實(shí)際情況，闡述了在復(fù)雜地形地貌條件下提高加筋土高路堤穩(wěn)定性所采取的工程措施，并對這些工程措施的特點(diǎn)及其作用原理進(jìn)行了分析。該土工格柵加筋高路堤的建設(shè)，為我國山區(qū)高填方公路建設(shè)具有一定的借鑒意義。

2 工程背景

2.1 地形與地質(zhì)條件

湖北省宜昌至巴東(鄂渝界)公路第11合同段(K72+934.25至 K73+053.25)位于宜昌市霧渡河鎮(zhèn)劉家屋場村附近，霧渡河南岸，廟灣1#隧道與2#隧道之間(下文簡稱“宜巴公路11標(biāo)段”)。沿線地貌屬構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū)，橫跨霧渡河南岸低山斜坡地帶一沖溝處，此處山體相對高差150～220m，自然坡角37°～47°。路線與沖溝呈大角度相交，左幅路基頂面中心線距溝底最大高差約23 m，右幅路基頂面中心線距溝底最大高差約25m。

據(jù)宜巴公路11標(biāo)段路基勘察報告，鉆探揭露的淺部地層主要為第四系殘坡積層(Q4el+dl)和新元古代花崗片麻巖、角閃巖、角閃片巖(Pt3r)地層，按地質(zhì)年代、形成機(jī)制及其物理力學(xué)性質(zhì)，從上到下依次為:①殘坡積碎石層——厚0.8～3 m，成分為花崗巖、角閃巖等，由黏性土及砂土所充填，稍～中密，推薦容許承載力［σ0］=200kPa;②強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖、角閃巖、角閃片巖——厚0～3.4m，原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造已破壞，巖芯呈礫砂狀砂土狀，推薦容許承載力［σ0］=400kPa;③中風(fēng)化花崗片麻巖、角閃巖、角閃片巖——巖芯破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，屬硬質(zhì)巖，推薦容許承載力［σ0］=2 000kPa。地表水不甚發(fā)育，主要為暴雨后的順坡面流及沖溝匯集后的短暫性流水，地下水主要為基巖裂隙水，水量較貧乏。

2.2 路基方案的選擇及面臨的主要問題

宜巴公路11標(biāo)段原設(shè)計為:下部采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)和柱式墩，上部采用U型橋臺和連續(xù)箱梁橋，左幅橋跨(3孔)全長65m，右幅橋跨(6孔)全長119 m。但由于該處山地坡陡，交通不便，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)和連續(xù)箱橋梁施工難度極大;兼顧隧道開挖棄土的堆放與利用問題，遂將原橋梁方案改為路基方案。利用隧道開挖棄方填筑路基，可以很好地解決棄方的征地堆放問題，符合可持續(xù)發(fā)展要求。但在山區(qū)陡坡沖溝地段修筑填土路基，任何支護(hù)措施均面臨著施工困難、路基邊坡穩(wěn)定性差和路基排水問題。對比擬選擇的片石混凝土擋墻和土工合成材料加筋土陡坡方案，由于后者對地基承載力要求較低，對施工場地和施工機(jī)械要求不高，坡面綠化與周圍環(huán)境更協(xié)調(diào)，且對填料要求較低，能最大限度地利用隧道開挖棄土，決定采用土工格柵加筋土路基方案。

對于這一橫跨沖溝的土工格柵加筋土路基，縱向坡高差別巨大，從不到5m到超過50m，將可能引起填方路基的不均勻沉降;橫向坡底呈37°～47°的斜坡，基巖頂面覆蓋厚度不等的殘坡積碎石層，加筋土路基邊坡缺乏好的地基持力層，其自身穩(wěn)定性無法保證。另外，沖溝上游降水匯集后的暫時性水流需要及時排除。

3 土工格柵加筋土路基設(shè)計

3.1 加筋土路基設(shè)計方案

為了使加筋土路基支撐在堅實(shí)的基礎(chǔ)上，考慮在加筋土路基坡底設(shè)置片石混凝土基礎(chǔ)，通過開挖直接將基礎(chǔ)澆筑在基巖上。根據(jù)填方路堤段的地形和殘坡積覆蓋層厚度，土工格柵加筋土路基按1∶1.0和1∶0.5兩種坡率進(jìn)行設(shè)計。加筋材料采用單向HDPE土工格柵，極限抗拉強(qiáng)度為90 kN/m。加筋土路堤初步設(shè)計方案參見圖1。從K72+940.500至K73+035.500長度為95m的填方路堤段落，路基邊坡填筑高度從5m至51.5m不等。

圖1 土工格柵加筋土路基初步設(shè)計方案Fig.1 Initial designed cross sections of the geogrid reinforced embankments with different slope ratios

3.2 土工格柵加筋土路基穩(wěn)定性分析

根據(jù)宜巴公路11標(biāo)段路基勘察報告，表層0.8～3.0m為殘積稍密－中密含黏粒碎石土，內(nèi)摩擦角取38°;其下0.0～3.4m為強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖/角閃巖，內(nèi)摩擦角取42°，黏聚力取5MPa。根據(jù)隧道開挖棄方和余渣的粒徑大小與顆粒構(gòu)成，以及一般填方的壓實(shí)度控制情況，路基填土重度取20 kN/m3，黏聚力為0kPa，內(nèi)摩擦角取 35°，墻頂荷載按30kPa考慮。根據(jù)路基所處的地震動分區(qū)和地下水發(fā)育情況，在進(jìn)行路基邊坡穩(wěn)定性分析時，不考慮地震荷載和地下水(孔隙水壓力)的影響。

3.2.1 外部穩(wěn)定性分析

根據(jù)如圖1所示的加筋土路基設(shè)計方案和地形特征，選擇如圖2所示的2個典型斷面進(jìn)行外部穩(wěn)定性分析。參照我國《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2004)［13］，分析路基邊坡潛在的破壞模式，按照不平衡推力法對路基邊坡的整體穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算時，暫不考慮片石混凝土基礎(chǔ)(支撐墩)的抗滑作用。

邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果表明:如不考慮路基邊坡坡底支撐墩的阻滑作用，當(dāng)要求安全系數(shù)達(dá)到1.3時，剩余不平衡推力均不為0。典型斷面K72+978的剩余不平衡推力為21.5 kN/m，斷面K72+998的剩余不平衡推力為35.0 kN/m，都無法滿足加筋土路基外部穩(wěn)定要求。因此，在坡底設(shè)置支撐墩是必要的。經(jīng)驗(yàn)算，只要將支撐墩嵌固于基巖中，就能夠提供足夠的抗滑力和坡腳支撐力。

3.2.2 內(nèi)部穩(wěn)定性分析

依據(jù)我國《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB50290—98)［14］，并參照美國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(FHWA，2009)［15］對加筋土路基進(jìn)行內(nèi)部穩(wěn)定性分析，抗拔安全系數(shù)取1.3。在進(jìn)行內(nèi)部穩(wěn)定性分析時，土工格柵極限抗拉強(qiáng)度的綜合折減系數(shù)取3.0，筋土之間的摩擦因數(shù)取0.8tanφ(φ為填土的內(nèi)摩擦角)。仍對圖2所示的2個加筋土路基典型剖面進(jìn)行分析，通過調(diào)整加筋層間距，以確定合理的加筋長度。結(jié)果表明:在滿足土工格柵不被拉斷的情況下，加筋層間距可取0.3～0.6m，且下部加筋長度應(yīng)不小于16.7 m，才能滿足抗拔穩(wěn)定性要求。

正如圖2(b)所示，大部分路基斷面下部受巖石邊坡限制，路基邊坡坡面距巖石坡面的水平距離無法滿足所需要的加筋長度。如果為了達(dá)到加筋長度要求，而將穩(wěn)固的巖石邊坡挖除，顯然缺乏工程合理性。而采用巖層錨桿，并將錨桿與土工格柵連接以提供需要的抗拔力更具有可行性。

圖2 土工格柵加筋土路基典型剖面圖Fig.2 Typical cross sections of the geogrid reinforced embankments

4 土工格柵加筋土路堤穩(wěn)定性增強(qiáng)措施及其作用

針對宜巴公路11標(biāo)段路堤橫跨沖溝這一情況，根據(jù)路堤復(fù)雜的地形地質(zhì)條件和土工格柵加筋土路堤穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果，在原有設(shè)計方案基礎(chǔ)上，采取如下改善邊坡穩(wěn)定性措施和排水、坡面防護(hù)措施。

4.1 片石混凝土支撐墩

根據(jù)加筋土路堤邊坡的外部穩(wěn)定性分析可知，如果邊坡缺乏坡腳的有力支撐，將不滿足穩(wěn)定性要求，因此需要改進(jìn)設(shè)計方案，在路堤邊坡坡底采用片石混凝土制作邊坡支撐墩。

由于原始地形較陡，坡面上覆蓋厚薄不均的殘破積碎石土層，不僅需要將碎石層挖除，而且需在強(qiáng)風(fēng)化巖層中垂直坡面開挖出一個平臺，才能設(shè)置片石混凝土支撐墩。圖3為最終設(shè)計的嵌巖支撐墩，對于每幅路堤邊坡，支撐墩沿路基縱向長5m，深入基巖邊坡寬8 m，墩底面設(shè)計成臺階狀以利于底面接觸基巖風(fēng)化程度相似，提高支撐墩在巖層中的嵌固阻力，以提高加筋土路堤的外部穩(wěn)定性。

圖3 片石混凝土支撐墩設(shè)計圖Fig.3 Design of crushed stone concrete piers

4.2 巖層錨桿

根據(jù)土工格柵加筋土路堤內(nèi)部穩(wěn)定性分析結(jié)果，加筋長度至少應(yīng)達(dá)到16.7 m。但在宜巴公路11標(biāo)段按坡率1∶0.5設(shè)計的路堤大部分段落因受地形限制，基巖距坡面的水平距離遠(yuǎn)小于上述設(shè)計長度，無法滿足內(nèi)部穩(wěn)定性要求。而根據(jù)加筋土邊坡土工格柵的抗拔機(jī)制，只要土工格柵與穩(wěn)定的基巖牢固連接，即使基巖坡面以外填方加筋邊坡全部位于滑動區(qū)，仍能提供足夠的錨固力，可滿足加筋土路堤內(nèi)部穩(wěn)定要求。

為此，在加筋長度達(dá)不到上述要求長度相應(yīng)位置，設(shè)計中采用巖層分散型錨桿，錨桿的垂直間距為1.5m，水平間距為3 m，根據(jù)計算確定單根錨桿承受的拉力大小，進(jìn)而確定錨桿長度。本段加筋土路基中所采用的錨桿長度為4.8～8.8 m。開挖掉殘坡積層后，進(jìn)行錨桿施工，通過錨頭上的橫向鋼筋將錨桿與土工格柵牢固連接(單根錨桿與土工格柵接頭如圖4所示)，連接強(qiáng)度應(yīng)不低于土工格柵抗拉強(qiáng)度。

圖4 錨桿及接頭示意圖Fig.4 Sketch of anchor bolts and their connections with geogrids

4.3 排水措施

由于該段路堤跨越?jīng)_溝，且與沖溝軸線呈大角度相交，若忽視路基橫向排水問題，降水匯集的水流將嚴(yán)重威脅路基的穩(wěn)定和道路安全。根據(jù)區(qū)域水文資料和路基上游沖溝匯水面積，在K73+010斷面處加筋土路基內(nèi)埋設(shè)直徑為1.0m的過路基管涵，以排泄沖溝上游降雨時匯集的暫時性水流。

盡管基巖裂隙水不發(fā)育，但仍不排除降水會滲入加筋土路基內(nèi)部。為防止路基填土內(nèi)部地下水位升高后降低加筋土路基邊坡的穩(wěn)定性，在路基底部設(shè)計60cm級配碎石排水層，并通過在混凝土支撐墩上設(shè)置間距為1.0m、直徑為10cm的泄水管(見圖3)排出加筋土路基內(nèi)的積水。

4.4 加筋間距調(diào)整

根據(jù)我國規(guī)范，對于加筋土高邊坡，可將之按坡高劃分為上、中、下3個區(qū)，各區(qū)所分配(承擔(dān))總加筋力依次為上部1/6、中部1/3和下部1/2。因此，根據(jù)邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果和所選用的加筋材料的容許抗拉強(qiáng)度，調(diào)整加筋土路基的筋材層間距。對于坡高大于20m、坡率為1∶0.5的路基，最下部采用0.3 m層間距，中部采用0.4～0.5m，最上部層間距為0.6m。

4.5 坡面加筋反包與生態(tài)防護(hù)

宜巴公路11標(biāo)段位于霧渡河南岸，此處植被茂密，風(fēng)光秀美。在設(shè)計時就應(yīng)考慮到應(yīng)通過路基坡面植草，盡快恢復(fù)生態(tài)，使加筋土路基與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。

設(shè)計中，加筋土路基坡面由土工格柵反包土袋形成，土袋碼砌高度由加筋層間距決定，土袋錯臺距離由路基坡率決定，格柵反包土袋后與上層筋材通過連接棒連接，連接強(qiáng)度等于母材。這種反包坡面形式有利于坡面附近填土壓實(shí)，防止填土溜坡。在土袋內(nèi)裝填壤土，內(nèi)含適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂驐l件的草籽，并在坡面錯臺臺階上插種綠化，將能使坡面很快恢復(fù)自然風(fēng)貌。

5 施工與監(jiān)測結(jié)果

宜巴公路11標(biāo)段加筋土路基施工始于2011年7月初，因場地條件復(fù)雜，且需要借用隧道開挖棄土，施工進(jìn)度受影響，于同年12月中旬才完工，歷時約5個月。

首先對施工場地進(jìn)行整理，在坡底挖除殘坡積層至基巖，在強(qiáng)風(fēng)化巖體上開挖臺階狀平臺，澆筑片石混凝土支撐墩。后在支撐墩上邊坡底層攤鋪級配碎石排水層，鋪放底層筋材，按加筋層間距攤鋪填土并碾壓，按坡面反包土袋工藝進(jìn)行坡面反包，并將反包筋材與上一層筋材相連接。之后進(jìn)行下一層加筋土施工，直至達(dá)到加筋土路基的設(shè)計高度。填料主要為隧道開挖產(chǎn)生的碎石，應(yīng)剔除巨粒，填土的最大粒徑不應(yīng)大于15cm，填土碾壓采用20 t平板壓路機(jī)，但在距坡面1m寬度范圍內(nèi)采用小型平板夯實(shí)機(jī)械壓實(shí)。對于筋材受巖質(zhì)邊坡限制無法達(dá)到設(shè)計要求的位置，先削坡至基巖，然后進(jìn)行錨桿施工，等注漿齡期達(dá)到14 d后再將錨桿與相同層位的筋材相連接。當(dāng)加筋土路基施工達(dá)到排水涵管高度，設(shè)置預(yù)制管涵，管涵與路基縱向斜交，下游出水口延伸出路基一定距離，位于自然山坡上。

為認(rèn)識在復(fù)雜地形條件下加筋路基的變形與工作特性，選擇K72+980和K73+008兩個典型剖面進(jìn)行了原型觀測。隨著施工進(jìn)程，埋設(shè)了包括測斜儀、分層沉降磁環(huán)、柔性位移計、土壓力盒等監(jiān)測元件，以觀測加筋土路基的水平位移、沉降、格柵內(nèi)力和路基內(nèi)土壓力分布規(guī)律。

在施工期監(jiān)測頻率為1次/d，竣工后已進(jìn)行3次觀測。由于施工期監(jiān)測工作受施工因素和坡上傾倒棄土的影響較大，部分監(jiān)測元件遭到破壞，初步的原型監(jiān)測結(jié)果顯示:K72+980和K73+008剖面的總壓縮沉降量分別為61mm和83mm;柔性位移計測得的格柵應(yīng)變較小，換算成加筋材料受力不超過10 kN/m;其中K73+008剖面向臨空面的側(cè)向變形最大為178.1mm(坡頂以下約5.5m處)。而土壓力監(jiān)測結(jié)果缺乏規(guī)律性，可能受填料顆粒大小和施工碾壓影響所致。

目前的監(jiān)測結(jié)果主要反映施工對加筋土路基變形的影響，該監(jiān)測工作將繼續(xù)持續(xù)一段時間，以便對土工合成材料加筋路基的變形規(guī)律作進(jìn)一步的分析。但從目前的監(jiān)測結(jié)果判斷，本段土工格柵在坡面反包的加筋土路基穩(wěn)定性良好，路基總變形量控制在預(yù)期范圍之內(nèi)。特別是在2012年7，8月份的雨季，過路基排水涵管發(fā)揮作用正常，加筋土路基經(jīng)受住了暴雨的考驗(yàn)。

6 結(jié)論

結(jié)合宜巴公路11標(biāo)段土工格柵加筋土路基工程，本文系統(tǒng)地論述了加筋土路基方案確定、設(shè)計驗(yàn)算和施工與監(jiān)測等情況，分析了本工程中所采取的片石混凝土支撐墩、巖層錨桿、加筋層間距調(diào)整和過路基排水管涵等工程措施的特點(diǎn)及其作用原理。本工程實(shí)例表明:

(1)土工合成材料加筋土技術(shù)在山高坡陡、復(fù)雜地形地質(zhì)條件下，可發(fā)揮其工藝靈活，與環(huán)境協(xié)調(diào)等優(yōu)勢，在山區(qū)公路建設(shè)中可推廣采用。

(2)在山區(qū)復(fù)雜地形地質(zhì)環(huán)境中應(yīng)用加筋土技術(shù)，不存在標(biāo)準(zhǔn)答案。在加筋土邊坡/擋墻設(shè)計時，應(yīng)通過測繪和勘探，充分掌握包括地形條件在內(nèi)的工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件，通過驗(yàn)算和分析認(rèn)識加筋土工程面臨的主要問題，然后研究針對性的工程措施。

(3)本工程的成功實(shí)施表明所采取的工程措施達(dá)到了預(yù)期的目的。坡底設(shè)置支撐墩和打設(shè)巖層錨桿與加筋材料連接均適用于山區(qū)坡地上建設(shè)加筋土邊坡/擋墻工程，有利于提高工程的整體穩(wěn)定性和內(nèi)部穩(wěn)定性;排水設(shè)施是加筋土邊坡/擋墻的有機(jī)組成部分，特別是在山區(qū)更應(yīng)加以重視。

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