高陡坡加筋路基穩(wěn)定性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

馬菖林，張紅日，張弋強(qiáng)，易宗石

(1.廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007；2.長安大學(xué)，陜西　西安　710064)

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高陡坡加筋路基穩(wěn)定性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

馬菖林1，2，張紅日1，張弋強(qiáng)1，易宗石1

(1.廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007；2.長安大學(xué)，陜西西安710064)

馬菖林(1987—)，碩士，主要從事公路路基防護(hù)設(shè)計(jì)和地質(zhì)勘察工作；

張紅日(1983—)，工程師，主要從事公路路基防護(hù)設(shè)計(jì)和地質(zhì)勘察工作；

張弋強(qiáng)(1983—)，工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)工作；

易宗石(1988—)，工程師，主要從事路基路面設(shè)計(jì)工作。

摘要：文章結(jié)合山區(qū)公路建設(shè)中的陡坡路段高路堤加筋設(shè)計(jì)實(shí)例，利用理正邊坡穩(wěn)定分析軟件，建立模型分析了路基在加筋后的穩(wěn)定性并得出滑動(dòng)面位置，通過對(duì)穩(wěn)定性影響因素的分析并結(jié)合工程要求和高陡坡路基的特點(diǎn)，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)措施。

關(guān)鍵詞：高陡坡路堤；格柵加筋；穩(wěn)定性分析；影響因素；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0引言

加筋土是一種在土中加入格柵、土工布等加筋材料而形成的復(fù)合土，筋材起到提高土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的作用。由加筋土形成的土工結(jié)構(gòu)由于節(jié)省材料、適應(yīng)性強(qiáng)、施工方便、低造價(jià)等而得到廣泛應(yīng)用。近年來，加筋技術(shù)在公路建設(shè)中占有較大比重，如應(yīng)用于高路堤形成加筋路基、軟土地基的加筋等。加筋路基是在路基填筑時(shí)按一定的設(shè)計(jì)參數(shù)(層數(shù)、層間距、材料強(qiáng)度參數(shù)等)鋪設(shè)加筋材料，與路基填土構(gòu)成增強(qiáng)復(fù)合體，從而提高路基邊坡穩(wěn)定性和后期沉降。

山區(qū)公路建設(shè)中，由于地質(zhì)地形的復(fù)雜性，部分陡坡地段路堤填土高大，形成占地巨大的高邊坡，而設(shè)置加筋路基可達(dá)到減小坡高和路基工后沉降及減小占地寬度等效果，經(jīng)濟(jì)性明顯。加筋路基設(shè)計(jì)中，路基邊坡的穩(wěn)定性至關(guān)重要，穩(wěn)定性的各影響因素對(duì)穩(wěn)定性的影響不同，結(jié)合實(shí)際情況，可以根據(jù)不同因素優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的要求。

1工程概況

一桂北山嶺重丘區(qū)二級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度為40 kM/h，路基寬8.5 m，路線穿越廣西東北部地形復(fù)雜的貓兒山山脈地帶，所經(jīng)區(qū)域地勢高，地表起伏大，海拔在200~850 m之間。全線達(dá)一半長度路線在山嶺地帶展布新建，地層為加里東期云母花崗巖，地形險(xiǎn)要、坡陡谷深。受地形限制，局部橫坡陡峻地段(如K12+800路堤)填方邊坡高達(dá)數(shù)十米，工程量巨大，后期的不均勻沉降也難以避免，按一般路基坡率填筑路基占地寬度大，放坡后侵占常年流水溝谷，在坡腳遭受沖刷的同時(shí)對(duì)環(huán)境也帶來不利影響。綜合比較表明，采用加筋路堤的設(shè)計(jì)方案與改移路線、高大擋墻等其他方案比較施工簡便，經(jīng)濟(jì)性明顯，因此采用放陡邊坡降低邊坡高度，在填筑路基時(shí)分層鋪設(shè)土工格柵的施工方案。

2路堤穩(wěn)定性分析

加筋路基的設(shè)計(jì)中，保證邊坡穩(wěn)定性是至關(guān)重要的一點(diǎn)，橫坡陡峭處的穩(wěn)定性尤其如此，此處以K12+760~12+830一段位于斜坡上的高路堤為例，分析其穩(wěn)定性。選取此段路堤K12+800為代表性斷面的填方路堤，坡率采用1∶1.5，加筋材料采用土工格柵。通過理正巖土的邊坡穩(wěn)定分析模塊分別計(jì)算路基邊坡在加筋前后的穩(wěn)定性。

2.1　加筋前穩(wěn)定性分析

2.1.1建立計(jì)算模型

每級(jí)坡率采用1∶1.5，分級(jí)坡高8 m，邊坡平臺(tái)寬1 m，邊坡共4級(jí)，邊坡高度約32 m。填土按同一層土考慮，地面線作為路基填土層與下部地基土的分界面，原地面以下全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化層強(qiáng)度指標(biāo)與上覆土層統(tǒng)一考慮，該層總厚度約5 m。公路等級(jí)二級(jí)，荷載按公路Ⅰ級(jí)計(jì)算。利用理正邊坡分析軟件建立模型如圖1所示：

圖1　計(jì)算模型示意圖

2.1.2計(jì)算過程

路基填土為粘性土?xí)r，可能滑動(dòng)面為弧形，因此以瑞典圓弧條分法搜索最危險(xiǎn)滑弧并計(jì)算安全系數(shù)。土層參數(shù)按表1取值，地基土為碎石質(zhì)粘土，跟據(jù)路基的實(shí)際情況不考慮水的作用。荷載作用為Ⅰ級(jí)，路基寬11 m，荷載分布寬度為9。

表1　土層參數(shù)表

為加快計(jì)算速度，土條初次計(jì)算寬度取較大值1，后縮小搜索范圍后采用更小的土條寬度，搜索圓心步長和半徑步長采用相似方式處理。

2.1.3計(jì)算結(jié)果及分析

圓弧條分法的計(jì)算結(jié)果如圖2所示：

圖2　搜索的最危險(xiǎn)滑弧示意圖(安全系數(shù)FS=0.997)

計(jì)算結(jié)果表明路基在未加筋時(shí)是不穩(wěn)定的(FS=0.997)，且最危險(xiǎn)滑面位置見圖2，表明滑動(dòng)開始于路基中線附近，沿填土層內(nèi)部發(fā)展，在第三級(jí)臺(tái)階處切出，形成坡面圓的形式。

2.2　加筋后穩(wěn)定性分析

2.2.1建立計(jì)算模型

(1)確定格柵的鋪設(shè)方式和選取力學(xué)參數(shù)

格柵按水平成層全斷面方式鋪設(shè)，層間距50 cm，則格柵鋪設(shè)總層數(shù)為59層，見下頁圖3；根據(jù)公路土工材料應(yīng)用規(guī)范，填土與格柵間的似摩擦系數(shù)f=0.4，格柵設(shè)計(jì)抗拉力T=100 kN/m。土層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值見表1。格柵力學(xué)參數(shù)見表2。

表2　格柵的力學(xué)參數(shù)及鋪設(shè)方式表

(2)確定格柵的鋪設(shè)長度

格柵長度L=La+Lm，La、Lm分別為滑動(dòng)面內(nèi)長度和錨固長度。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，滑動(dòng)面內(nèi)長度在最危險(xiǎn)滑動(dòng)面確定時(shí)已知，錨固長度的確定需要先計(jì)算最小錨固長度Lmin，最終的錨固長度不小于Lmin。

Lmin=TF/2σf

(1)

式中，T——格柵設(shè)計(jì)拉力；

F——安全系數(shù)，此處填土為粘性土，F(xiàn)=2；

σ——格柵上的上覆壓力，按土柱自重應(yīng)力計(jì)算；

f——筋土界面的似摩擦系數(shù)。

計(jì)算的最小錨固長<2 m時(shí)，取為2 m。

在格柵的鋪設(shè)方式確定后，各層的位置已知，設(shè)第i層錨固段處的土柱高為hi，則：

σi=γhi

(2)

Lmin=TF/2σf=TF/2γhif

(3)

據(jù)此確定錨固長度后，由L=La+Lm可確定格柵總長度，Lm≥Lmin+3。以5~22層為例(順序按位置由上至下)的計(jì)算表格如下，其余各層計(jì)算方式相同。

表3　格柵長度計(jì)算表(5~22層)

(3)確定計(jì)算模型

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，確定路基加筋后的計(jì)算模型如圖3所示。

圖3　加筋后計(jì)算模型示意圖

2.2.2計(jì)算及結(jié)果分析

在計(jì)算過程中，格柵拉力作用方向按作用于鋪設(shè)方向考慮，格柵沿路線方向連續(xù)鋪設(shè)不搭結(jié)，穩(wěn)定性計(jì)算斷面取沿路線方向1延長米計(jì)，各層格柵產(chǎn)生的摩擦力FN=2Lmσf，則各層格柵與填土粘結(jié)強(qiáng)度Ci=FN/2Lm=σif=γhif。已知hi，則可得出Ci，見表2。計(jì)算結(jié)果如下所示：

圖4　搜索的最危險(xiǎn)滑弧示意圖(安全系數(shù)FS=1.255)

從計(jì)算結(jié)果可知，加筋后最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的安全系數(shù)達(dá)1.255，說明在利用格柵加筋后邊坡達(dá)到穩(wěn)定；最危險(xiǎn)滑面退移到格柵的鋪設(shè)范圍以外，表明格柵與土構(gòu)成加筋土強(qiáng)度增加；最危險(xiǎn)滑動(dòng)面從填土內(nèi)部往深層發(fā)展至地基土層內(nèi)，說明此時(shí)邊坡淺層的填土層穩(wěn)定性增加，可能的滑動(dòng)模式為邊坡和地基土的整體滑動(dòng)。

3結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際提出優(yōu)化加筋措施

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，采用土工格柵加固本段路堤是可行的，但本項(xiàng)目總體地形復(fù)雜，土石方數(shù)量大，施工面窄，加上排水、防護(hù)、橋涵等分項(xiàng)工程相互制約，工期緊張。本段加筋路基長70 m，較一般路堤施工工期長，而且本路段距離舊路遠(yuǎn)，路基一旦不能按要求的工期完成，則可能對(duì)其他分項(xiàng)工程的施工造成極大的干擾。所以在保證路基穩(wěn)定性的情況下，優(yōu)化設(shè)計(jì)縮短工期對(duì)保證項(xiàng)目總工期的完成是非常有必要的。

在影響加筋路基穩(wěn)定性的因素中，加筋路基的穩(wěn)定性隨填料抗剪強(qiáng)度、筋土界面摩擦系數(shù)、加筋材料層數(shù)、錨固長度的增大而增大。但對(duì)處于斜坡地段的高陡路堤，加筋間距過小(層數(shù)過多)，則鋪設(shè)格柵往往工期較長；而下部格柵的錨固長度過大，則需要開挖原地面后再鋪設(shè)，同樣造成耗時(shí)過多的情況。

據(jù)勘察，本項(xiàng)目的填料豐富，挖方段開山石渣、碎石土如利用作為路基填料抗剪強(qiáng)度大，經(jīng)過合理的施工組織利用就近挖方也是完全可行的，所以此處主要從提高填料抗剪強(qiáng)度和適當(dāng)減少格柵層數(shù)、減少原地面挖方等方面來考慮優(yōu)化措施，在保證路基穩(wěn)定性的前提下，縮短施工工期。根據(jù)勘測資料，距離此處最近(約2.6 km處)可利用的粗粒填料強(qiáng)度φ=30°，C=10 kPa，經(jīng)過多次試算，最終采用以下方案：格柵間距采用0.7 m，格柵長度按前述方式確定，即先確定未加筋時(shí)的滑面位置，再確定格柵長度；根據(jù)試算結(jié)果，第四級(jí)邊坡格柵的鋪設(shè)與否對(duì)穩(wěn)定性的影響不大，因此格柵采用從第三級(jí)邊坡開始鋪設(shè)至坡頂?shù)姆绞健Ｓ?jì)算滑弧和圓心、半徑如圖5所示：

圖5　優(yōu)化后最危險(xiǎn)滑弧示意圖(安全系數(shù)FS=1.251，格柵間距0.7 m，非全斷面鋪設(shè))

計(jì)算結(jié)果表明調(diào)整后邊坡的穩(wěn)定系數(shù)達(dá)1.251，較圖4的計(jì)算結(jié)果(格柵間距0.5，全斷面鋪設(shè))而言(見表4)，安全儲(chǔ)備基本不變，但格柵層數(shù)從59減少至43，第四級(jí)邊坡可不鋪設(shè)，邊坡下部因鋪設(shè)格柵對(duì)原地面的開挖量大大減少，在保證穩(wěn)定的情況下大大縮短了工期，加快了本段路基的施工速度，此優(yōu)化方案是可行的。

表4　優(yōu)化前后對(duì)比表

4結(jié)語

從以上的路基穩(wěn)定性分析過程和優(yōu)化計(jì)算過程可得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)路堤未加筋時(shí)，路堤邊坡不穩(wěn)定性，淺部穩(wěn)定性最差，滑面出現(xiàn)在淺層的填土層內(nèi)。

(2)路堤加筋后，邊坡穩(wěn)定達(dá)到安全要求；滑面向更深層發(fā)展且更為平緩，表明填土和格柵形成加筋土結(jié)構(gòu)，整體性能得到增強(qiáng)。

(3)加筋路基穩(wěn)定性影響因素較多，如在陡坡地段只考慮增加格柵的鋪設(shè)層數(shù)和全斷面鋪設(shè)，雖然穩(wěn)定性有所增加，但工期會(huì)增加較多且不經(jīng)濟(jì)。

(4)利用含碎石粗粒填料，可減少格柵層數(shù)；且根據(jù)試算結(jié)果，可不采用全斷面鋪設(shè)從而減少下部開挖量，加快施工進(jìn)度。

參考文獻(xiàn)

[1]李廣信.關(guān)于土工合成材料加筋設(shè)計(jì)的若干問題[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2013(4)：605-610.

[2]何光春.加筋土工程設(shè)計(jì)與施工[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3]王志斌，李亮，鄒金峰，等.斜坡地基上加筋路堤工作性狀及穩(wěn)定性研究[J].巖土力學(xué)，2008(8)：2189-2192，2230.

[4]闕云.土工格柵加筋土路堤力學(xué)行為與設(shè)計(jì)方法研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[5]JTJ/T 019-98，公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].

Research on Stability Analysis and Optimization Design of High Steep Reinforced Embankment

MA Chang-lin1，2，ZHANG Hong-ri1，ZHANG Yi-qiang1，YI Zong-shi1

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007； 2.Chang’an University，Xi’an，Shaanxi，710064)

Abstract：In combination with the high embankment reinforcement design practices at steep segment during mountain highway construction，and by using the Lizheng slope stability analysis software，this article built the model to analyze the embankment stability after reinforcement and obtained the position of sliding surface，and through analyzing the stability influencing factors and combined with engineering requirements and the features of high steep embankment，it proposed the optimization design measures.

Keywords：High steep embankment； Grid reinforcement； Stability analysis； Influencing factors； Optimization design

收稿日期：2015-05-04

文章編號(hào)：1673-4874(2015)04-0012-04

中圖分類號(hào)：U416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.004

作者簡介