橋改路堤增設(shè)箱涵穩(wěn)定性分析及施工對(duì)策

■林光哨

（福建省第一公路工程公司，泉州 362017）

1 工程概況

該省道分析段起訖樁號(hào)為K0+000～K3+596，總長(zhǎng)3.596km。該段總棄方量約為80000m3。余方路段在K2+281～K3+596，全長(zhǎng)1.3km（中山大橋往A 方向），設(shè)計(jì)棄土地點(diǎn)在K0+000～K2+158（中山大橋往B 方向），沿線很難找到合適的棄土場(chǎng)；開(kāi)便道運(yùn)至設(shè)計(jì)圖紙指定棄土場(chǎng)成本高且艱巨?，F(xiàn)K0+000～K2+158 段施工路基已接近尾聲需另辟新的工作面，但按原設(shè)計(jì)方案，需在中山大橋完成（12 個(gè)月）后才能進(jìn)行余方路段K2+281～K3+596 的施工，將嚴(yán)重制約整個(gè)施工工期。

為確保能按時(shí)完成施工任務(wù)，業(yè)主協(xié)同設(shè)計(jì)、監(jiān)理及施工單位曾多次組織現(xiàn)場(chǎng)勘察地形、調(diào)查原河道的水文情況，研究解決方案。經(jīng)各方共同探討，建議取消中山大橋變更為路堤增設(shè)2-4×4m 鋼筋混凝土箱涵方案。箱涵長(zhǎng)度為64.04m，以解決排水，該方案可解決棄方問(wèn)題并確保工程能按期交付使用。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，擬對(duì)河床K0+000～+365 進(jìn)行回填，先后在河床K0+210、K0+105 處設(shè)置墻高4m 的土袋圍堰，K0+365 處設(shè)置混凝土引水槽及攔水壩，在K0+000處砌筑片石混凝土擋水壩。路線K2+158～+281 處采用路基加設(shè)箱涵的形式，涵洞中心位于K2+200 處（圖1）。

圖1 河道平面圖

下文采用現(xiàn)場(chǎng)踏勘、室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方式，分析探討該路段K2+158～+281 處橋改路堤增設(shè)箱涵方案中路堤邊坡的穩(wěn)定性，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)施工建議。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

本路段沿線穿越地區(qū)為博平嶺山脈南端，沿線地貌單元較復(fù)雜，主要為低山、丘陵夾溝谷地貌、河流沖積階地地貌，地形起伏較大。

K2+158～+281 區(qū)段屬于丘陵坡地夾河流溝谷地貌，附近海拔標(biāo)高在640～760m 之間。U 型谷發(fā)育，地勢(shì)較高，水流較緩。根據(jù)地形等高線圖，沿河谷山體較陡峻，斜坡坡度30～35°之間，局部可達(dá)到35～55°。采用MAPGIS 軟件，對(duì)區(qū)段內(nèi)地形地貌進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖2 所示。區(qū)段內(nèi)植被發(fā)育一般，地勢(shì)起伏較大（圖3）。河床縱坡坡度為5.3%。

圖2 區(qū)段內(nèi)地形地貌

圖3 區(qū)段內(nèi)植被覆蓋情況

2.2 地層巖性

根據(jù)勘察設(shè)計(jì)資料，坡地主要分布?xì)埰路e層，局部地段含碎石、塊石；溝谷地段主要分布漂石層，骨架顆粒充填以砂、卵石及泥質(zhì)為主；階地表層局部地段覆蓋薄層粉質(zhì)粘土，下部為厚層漂石；下伏基巖風(fēng)化裂隙較發(fā)育。根據(jù)K2+158～+475 段的鉆孔柱狀圖，區(qū)段內(nèi)巖性由上至下依次為坡積粉質(zhì)粘土（局部分布有凝灰熔巖殘積粘性土）、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖、中風(fēng)化凝灰熔巖（圖4）。其中粘性土層厚分布不均：海拔小于700m、地勢(shì)陡峭地段，土層厚度為0.3～1m；海拔大于700m、地勢(shì)平緩地段，土層厚度較大。鉆探獲得的粘土層最大厚度為7.8m。根據(jù)鉆探資料的巖性描述：

（1）坡積粉質(zhì)粘土：褐紅色，濕，可塑。以粘粉粒為主，粘性中等，干強(qiáng)度中等，表層可見(jiàn)少量植物根系。

（2）凝灰熔巖殘積粘性土：淺黃色，濕，可塑。以粘性土為主，手搓略有砂感，粘性中等，干強(qiáng)度中等。

（3）砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖：淺黃色。原巖結(jié)構(gòu)可辨，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，長(zhǎng)石礦物已風(fēng)化成土狀，巖芯呈砂土狀，手掰易散。屬極軟巖。

（4）碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖：灰色，深灰色。原巖結(jié)構(gòu)易辨，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀，塊徑以2～5cm 為主，碎塊用手不易折斷，錘擊可碎。屬軟巖。

（5）中風(fēng)化凝灰熔巖：淺灰色。凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。安山質(zhì)，礦物成分以長(zhǎng)石、角閃石及凝灰質(zhì)為主，巖石風(fēng)化較強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯以柱狀為主，巖芯長(zhǎng)5～25cm，少量碎塊狀、短柱狀，巖質(zhì)較新鮮，錘擊聲清脆，有回彈。屬較硬巖。RQD=50。

（6）河谷中有0.6m 厚漂石層，淺灰色，濕-飽和，稍密。漂石含量80～85%，粒徑20～30cm，呈次圓狀、圓狀，母巖巖性以凝灰熔巖為主，呈中風(fēng)化狀態(tài)?？紫堕g充填以卵礫石為主。

在K2+340 處取土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1。

圖4 K2+158～+475 地層分布

表1 K2+340 處土樣物理力學(xué)性質(zhì)

2.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水的賦存類(lèi)型分類(lèi)，本區(qū)主要發(fā)育有第四系沖洪積層孔隙水、基巖裂隙水兩大類(lèi)型。

其中第四系沖洪積層孔隙水分布于河流及其支流、階地和山間沖洪積小盆地、溝谷地帶，主要貯存于砂、礫、卵石、漂石層中，透水性較好，水位埋藏較淺，水量較豐富，接受大氣降水及地下水側(cè)向補(bǔ)給。

基巖裂隙水賦存于風(fēng)化層裂隙-孔隙中，富水性較差，沿線凝灰熔巖分布區(qū)巖石風(fēng)化層厚度普遍較大，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖結(jié)構(gòu)松散，透水性相對(duì)較好，中風(fēng)化巖富水性較差。主要受大氣降水補(bǔ)給，水量受季節(jié)變化影響大，往兩側(cè)溝谷或低洼地帶排泄。

地下水對(duì)混凝土不具腐蝕性，根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘查規(guī)范》（JTG C20—2011），為Ⅱ類(lèi)環(huán)境。

3 路堤邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 穩(wěn)定性要求與分析方法

邊坡穩(wěn)定性分析常采用剛體極限平衡理論，該理論是經(jīng)典的確定性分析方法，在工程界應(yīng)用非常廣泛?；舅枷胧菍⒒瑒?dòng)趨勢(shì)范圍內(nèi)的邊坡巖土體按一定規(guī)則劃分為一個(gè)個(gè)小塊體，通過(guò)塊體的平衡條件來(lái)建立整個(gè)邊坡的平衡條件，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行邊坡分析。目前已有了多種極限平衡分析方法，如：瑞典條分發(fā)、畢肖普法、簡(jiǎn)布法、摩根斯頓-普賴(lài)斯法、不平衡推力傳遞法、薩爾瑪法、楔體法等。

路堤邊坡穩(wěn)定分析中，填料為散體結(jié)構(gòu)。由于摩根斯頓-普賴(lài)斯法可用于任意形狀的滑動(dòng)面，同時(shí)滿足力矩平衡條件和靜力平衡條件，還容許條塊間力的方向發(fā)生變化，因此采用該方法對(duì)路堤邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。計(jì)算中采用GEO-SLOPE 計(jì)算軟件。路堤施工期穩(wěn)定性分析采用快剪試驗(yàn)結(jié)果，公路營(yíng)運(yùn)期穩(wěn)定性分析采用固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 施工期路堤邊坡穩(wěn)定性分析

K2+158～+281 段變更為路堤加設(shè)涵洞方案，路堤各處填土高度不一，其中K2+218 處填土高度最大，為31m。根據(jù)《中山大橋變更設(shè)計(jì)》，原河道縱坡坡率5.3%，通過(guò)回填調(diào)整為1%，根據(jù)提供的設(shè)計(jì)圖紙資料及路線平面圖，涵洞中心樁號(hào)為K2+200 處，涵洞底高程為675.7m，箱頂填土高度為15.56m。此處原地面高程為681.8m。

下文對(duì)K2+218 處路堤進(jìn)行施工期穩(wěn)定性分析，此處路堤填高為31m。針對(duì)填土、上部填土下部填石、填石三種填筑方式，分別計(jì)算分析路堤左側(cè)、右側(cè)邊坡的穩(wěn)定性，結(jié)果參見(jiàn)圖5 和表2。上部填土下部填石的填筑方案指路面底面以下0～14m 填土，14m 以下填石（此數(shù)據(jù)通過(guò)優(yōu)化分析填土高度與邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)之間的關(guān)系得出，參見(jiàn)表3）。計(jì)算中路堤填土的強(qiáng)度參數(shù)通過(guò)直剪快剪試驗(yàn)獲得（表1）。分析得出：

（1）路堤采用填土、上部填土下部填石、填石三種情況中，填土邊坡穩(wěn)定性最差、上部填土下部填石次之，填石邊坡穩(wěn)定性最佳。分析填土高度與邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)之間的關(guān)系表明，填土高度越大，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)越低，參見(jiàn)表3。

（2）優(yōu)化分析表明，路面底面以下0～14m 填土，14m 以下填石的填筑方案剛好滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2004）對(duì)路堤堤身穩(wěn)定性的要求（表3）。

圖5 各工況路堤邊坡穩(wěn)定性分析

表2 路堤邊坡計(jì)算安全系數(shù)

表3 填土高度與路堤邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系

3.3 營(yíng)運(yùn)期路堤邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)3.2 節(jié)的分析結(jié)果，考慮到路堤填料存在石料和土兩種類(lèi)型，因此營(yíng)運(yùn)期主要針對(duì)路面底面以下0～14m 填土，14m 以下填石的填筑方案進(jìn)行路堤穩(wěn)定性分析。

計(jì)算中路堤填土的強(qiáng)度參數(shù)通過(guò)直剪固結(jié)快剪試驗(yàn)獲得（表1），汽車(chē)荷載按汽車(chē)-20 級(jí)計(jì)。由于左側(cè)邊坡穩(wěn)定性?xún)?yōu)于右側(cè)邊坡，因此營(yíng)運(yùn)期穩(wěn)定性分析僅針對(duì)右側(cè)邊坡。公路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，右側(cè)路堤穩(wěn)定安全系數(shù)為1.544（圖6），滿足規(guī)范要求。

圖6 公路營(yíng)運(yùn)期路堤穩(wěn)定性分析

4 施工對(duì)策

（1）根據(jù)填料類(lèi)型及規(guī)范，參照項(xiàng)目部提供的初步設(shè)計(jì)資料，結(jié)合同類(lèi)工程實(shí)例，路堤邊坡坡率建議采用如下設(shè)置方式：8m 以?xún)?nèi)為1∶1.5；大于8m 小于等于24m 的部分為1∶1.75；大于24m 部分為1∶2.0。邊坡每8m 高設(shè)2m 寬平臺(tái)。

（2）為避免兩側(cè)山體滲水造成地下水對(duì)路堤長(zhǎng)期浸泡，路基半填半挖處應(yīng)做好防、排水工作，或增加涵洞頂高程以下填料的透水性（例如填石），同時(shí)做好路基邊溝。

（3）填筑過(guò)程中應(yīng)控制填土高度，盡量填石。按照規(guī)范要求最小坡率，填土部分宜控制在路面底面以下0～14m 范圍內(nèi)，路基填筑壓實(shí)度應(yīng)嚴(yán)格滿足規(guī)范要求。如果需增加土方填筑方量，建議路堤邊坡放緩，路堤中分層鋪設(shè)土工織物或者加設(shè)擋土墻以增加路堤邊坡的穩(wěn)定性。

（4）根據(jù)鉆探資料，砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖屬于極軟巖-軟巖，在水的作用下，容易崩解，不宜用于填筑臺(tái)涵背，臺(tái)涵背回填建議采用中風(fēng)化或微風(fēng)化巖。

（5）路基填筑壓實(shí)度應(yīng)嚴(yán)格滿足規(guī)范要求。對(duì)于填筑總高度大于20m 的地段，建議進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)控。

（6）在原地面線橫坡大于1∶5 的斜坡上填筑路堤時(shí)，對(duì)原坡面應(yīng)開(kāi)挖臺(tái)階，寬度不小于2m，臺(tái)階應(yīng)有2%～4%的內(nèi)傾橫坡，以保證填土的穩(wěn)定性。開(kāi)挖臺(tái)階前，首先必須清除地表草皮、腐殖土；當(dāng)基巖面上的覆蓋層較薄時(shí)，應(yīng)先清除覆蓋層；表層存在軟弱層時(shí)，應(yīng)先清除軟弱層。臺(tái)階開(kāi)挖自下而上進(jìn)行，建議下挖兩階后及時(shí)填筑一階，再挖一階填筑一階，按規(guī)范嚴(yán)格控制壓實(shí)度和填筑速率。

5 結(jié)論

（1）K2+158～+281 處橋改路堤增設(shè)箱涵方案中路堤邊坡施工期和運(yùn)營(yíng)期穩(wěn)定性均滿足要求。

（2）優(yōu)化分析表明，路面底面以下0～14m 填土，14m 以下填石的填筑方案最佳。

（3）施工過(guò)程中應(yīng)做好防排水，路基填筑施工應(yīng)滿足規(guī)范要求。

[1]JTG C20-2011,公路工程地質(zhì)勘查規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2011.

[2]JTG D30-2004, 公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[3]JTG F10-2006,公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2006.