張 偉

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安710043)

0 引 言

高速公路設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的高填方路堤，常見(jiàn)病害主要是由于滑坡、位移造成的公路開(kāi)裂和沉降，魏斌［1］、彭小云［2］等人對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響因素及病害原因進(jìn)行了分析，魏斌對(duì)高填土邊坡穩(wěn)定性采用極限平衡法和有限單元法進(jìn)行分析，提出高填方邊坡穩(wěn)定性分析采用有限單元法對(duì)求得合適的臨界滑裂面位置更加具有優(yōu)勢(shì)。彭小云用灰關(guān)聯(lián)分析法分析高陡邊坡穩(wěn)定性，認(rèn)為高陡邊坡的重力和滑動(dòng)面上的強(qiáng)度參數(shù)是影響邊坡穩(wěn)定的主要因素。呂偉等［3］人通過(guò)建立影響邊坡穩(wěn)定性的10 個(gè)因素，對(duì)影響因素采用Fuzzy AHP 和AHP方法計(jì)算權(quán)重，認(rèn)為AHP 方法計(jì)算結(jié)果精度高。

阿爾及利亞?wèn)|西高速公路M5 標(biāo)段(KHEMIS MILIANA-HOCEINIA)共12 處高填方路段，填方最大高度21.5 m，全線為泥質(zhì)巖，劉德旺等［4］人對(duì)泥巖全破壞過(guò)程中滲透特性的研究表明，干燥狀態(tài)下泥巖試樣強(qiáng)度較高，隔水性好，遇水后抗壓強(qiáng)度大幅度降低。蘇憶［5］認(rèn)為在陡坡路段采用加筋土路堤可有效收縮坡腳，減少工程占地，且造價(jià)低。耿敏［6］通過(guò)土工格柵加筋高填方路堤的沉降觀測(cè)和理論計(jì)算，認(rèn)為加筋后的高填方路堤使得巖體的應(yīng)力重新分布，土體的垂直和水平應(yīng)力減小，加筋土體抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)，可有效增加土體碾壓密實(shí)度、土體的抗壓及抗剪強(qiáng)度。且加筋土路堤具有耐久性、可靠性、工程造價(jià)低、占地少及抗震能力強(qiáng)等特點(diǎn)，其造價(jià)約為擋土墻的40% ～60%，在邊坡工程設(shè)計(jì)上，具有安全性和經(jīng)濟(jì)性雙重優(yōu)勢(shì)。

經(jīng)對(duì)項(xiàng)目地形及地質(zhì)狀況分析，M5 標(biāo)段路線大部分走行于CHELEF 盆地北緣及Gountas 低山區(qū)，地形起伏，溝壑縱橫，岡巒起伏，部分路段坡度較大(25%到35%)，根據(jù)地質(zhì)工程論證［7］及公路邊坡處治技術(shù)［8］，考慮對(duì)M5 標(biāo)段高填方路堤邊坡采用加筋土路堤設(shè)計(jì)方案，以有效實(shí)現(xiàn)邊坡防護(hù)需求，并減少填方數(shù)量和占地面積，且在地震發(fā)生時(shí)，土工布較大的延展性和加強(qiáng)筋的抗拉強(qiáng)度可以有效的防止加筋邊坡的斷裂，有很大的安全性。

1 加筋土路堤幾何設(shè)計(jì)

1.1 邊坡坡率設(shè)計(jì)

采用的加筋土路堤設(shè)計(jì)方法旨在使邊坡坡率達(dá)到1H/1V，采用的坡度為18 至33%，平均約為25%.在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)的一級(jí)邊坡采用3H/2V 的坡率，邊坡最大高度為5.5 m［8-9］。二級(jí)和三級(jí)加筋土路堤邊坡采用1H/1V 的坡率，對(duì)于高填方路段，每8 m 高設(shè)置一個(gè)2 m 寬的過(guò)渡平臺(tái)。

1.2 加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)

加強(qiáng)筋的垂直間距一般為0.20 m 至0.8 m 之間，以便保持加強(qiáng)路堤合成材料的特性。筋體sv/Hm最大相對(duì)間距根據(jù)Linf/Hm比例計(jì)算令X=Linf/Hm，其結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 根據(jù)Linf/Hm 比例計(jì)算的最大相對(duì)間距［8］Tab.1 Maximum relative spacing of calculation according to Linf/Hm ratio

設(shè)計(jì)中，需保證下部邊坡的L =14 m，中間邊坡為10 m;設(shè)定的垂直間距將是sv=0.3 到0.6 m.

1.3 土工布布置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中對(duì)坡率為1H/1V 的邊坡所采用的加強(qiáng)土工布由聚脂加強(qiáng)筋網(wǎng)和二維(Bidim)無(wú)紡布組合而成，抗拉強(qiáng)度為T(mén)r= 190 kN/ml，延伸率為11.5%，垂直間距為0.6 m. 高強(qiáng)土工布的布置按照《NFP94 -220 規(guī)范》［7］要求，加強(qiáng)材料橫向?qū)挾纫话慵s為平均力學(xué)高度的0.7 倍，對(duì)低于平均力學(xué)高度0.7 倍的路段，坡腳橫向?qū)挾炔坏陀谄骄W(xué)高度的0.4 倍，平均橫向?qū)挾炔坏陀谄骄W(xué)高度的0.5 倍，且對(duì)路堤各個(gè)部位進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證其整體穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)中，所采用的:二級(jí)邊坡采用長(zhǎng)10 m 的土工布加強(qiáng);三級(jí)邊坡采用長(zhǎng)14 m 的土工布加強(qiáng)。

1.4 邊坡加強(qiáng)設(shè)計(jì)

加強(qiáng)式路堤設(shè)計(jì)時(shí)需考慮各部分的安全系數(shù)，根據(jù)歐洲規(guī)范的方法利用ELU 進(jìn)行計(jì)算［8］，并考慮應(yīng)力以及土質(zhì)、填料和土工布的部分系數(shù)。在加筋土路堤的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證臺(tái)階底部排水層的材料、邊坡底部護(hù)腳換填的天然砂礫、邊坡坡腳底部填筑的滲水材料、PVC 管的封閉層材料以及盲溝碎石等符合CCTP 第B3.6.2.5 款的規(guī)定。

應(yīng)力組合方法上考慮的加權(quán)系數(shù)見(jiàn)表2.

根據(jù)法國(guó)安全要求標(biāo)準(zhǔn)(NFP94 - 270)規(guī)范［10］，土工布需考慮力學(xué)破壞系數(shù)、蠕變系數(shù)、化學(xué)漸變系數(shù)以及由γM，t 特有拉力表示的強(qiáng)度系數(shù)，并對(duì)加筋土構(gòu)造物土工布各個(gè)部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)性抗拉強(qiáng)度檢驗(yàn)。

表2 應(yīng)力的部分加權(quán)系數(shù)［8］Tab.2 Part of the weighted coefficient of force

2 穩(wěn)定性計(jì)算

邊坡穩(wěn)定性分析采用簡(jiǎn)化的Bishop 法，稱為畢肖甫條分法［8］，是一種考慮條塊間側(cè)面的土坡穩(wěn)定性分析方法。其邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)應(yīng)符合CCTP 要求［10］，本項(xiàng)目邊坡加強(qiáng)采用抗拉強(qiáng)度為190 kN/mL 的土工布，土工布最大拉力變形11.5%.穩(wěn)定性計(jì)算系根據(jù)歐洲規(guī)范方法所要求的TALREN4 軟件進(jìn)行。根據(jù)NF P 94 -270 規(guī)范確定土工布部分安全系數(shù):力學(xué)坡壞系數(shù)ρend=0.4，蠕變系數(shù)ρflu=1/3，化學(xué)漸變系數(shù)ρdég= 0.83;土壤參數(shù)及與土工布的相互作用所需考慮的部分安全系數(shù):土壤容重γ mγ = 1.00，土壤摩擦角切線γmφγ=1.45，黏結(jié)力γmφγ =1.85. 應(yīng)力組合系數(shù)見(jiàn)表2.

考慮各項(xiàng)安全系數(shù)后，邊坡的內(nèi)部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性驗(yàn)算的總安全系數(shù)根據(jù)CCTP 確定，一般工況下邊坡的內(nèi)部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性驗(yàn)算安全系數(shù)為F≥1，在地震力的偶然荷載工況下總安全系數(shù)為F≥1.2，為更好的說(shuō)明加筋土路堤的安全性，分別對(duì)未設(shè)置和設(shè)置土工布后的安全系數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)算［11-12］。

2.1 未設(shè)土工布時(shí)的安全系數(shù)

在未設(shè)置土工布時(shí)，對(duì)1H/1V 未加筋陡峭邊坡(原始邊坡)的填方分析結(jié)果如圖1 所示。

圖1 未設(shè)置土工布時(shí)的內(nèi)部穩(wěn)定性和總體穩(wěn)定性Fig.1 Internal stability and overall stability without setting the geotextile

圖1 分析結(jié)果可知，未設(shè)置土工布時(shí)，邊坡內(nèi)部穩(wěn)定性取最小值0.75 和總體穩(wěn)定性取最小值0.83 時(shí)，填方邊坡的安全系數(shù)均不能滿足要求，因此，1H/1V 邊坡不設(shè)置土工布時(shí)，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。

2.2 設(shè)置土工布后的安全系數(shù)

在利用Tr=190 kN/m 土工布方法加強(qiáng)，計(jì)算隔柵垂直間距為0.6 m.基本組合和偶然組合2 種情況下的穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖3 ～圖6 所示。

以上組合計(jì)算的安全系數(shù)表明:采用抗拉強(qiáng)度Tr=190 kN/m，間距0.6 m 的土工布加強(qiáng)后，邊坡的穩(wěn)定性滿足使用要求［13］。

2.3 驗(yàn)證方法

采用的驗(yàn)證方法是針對(duì)邊坡出現(xiàn)的滑坡范圍(內(nèi)部穩(wěn)定性)以及穿透基礎(chǔ)的滑坡范圍(總體穩(wěn)定性)進(jìn)行合乎規(guī)定的穩(wěn)定性驗(yàn)算(F≥1)［14-15］。

驗(yàn)證是在考慮偶然應(yīng)力地震的情況下進(jìn)行，在此情況下，在各個(gè)地層獲得的地質(zhì)特征是屬于“短期”數(shù)據(jù)的特征，求得的總安全系數(shù)為F≥1.2.

3 加筋路堤其他相關(guān)設(shè)計(jì)

3.1 填方基底處理

加筋路堤設(shè)計(jì)的填方處需進(jìn)行基底處理［11］，由于M5 段泥灰質(zhì)粘土強(qiáng)度低，安全系數(shù)無(wú)法滿足規(guī)范要求，對(duì)路基穩(wěn)定性有很大的影響，對(duì)此采取了換填土的處理方法，將泥灰質(zhì)粘土挖除，當(dāng)自然坡度大于15%時(shí)，開(kāi)挖臺(tái)階，臺(tái)階的寬度≥5 m，高度約為1 m，臺(tái)階具體高度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)調(diào)整。換填材料依據(jù)GTR(施工技術(shù)指導(dǎo)，歐洲規(guī)范)［7］采用分類(lèi)為C1B1 或C1B2 類(lèi)填料(相當(dāng)于中國(guó)規(guī)范的碎石類(lèi)土)進(jìn)行填筑。經(jīng)對(duì)項(xiàng)目沿線材料調(diào)查，對(duì)填方基底的表層泥灰質(zhì)粘土清除換填為來(lái)自PK11 的2 號(hào)借土場(chǎng)的材料進(jìn)行填方，該種填料為富含紅色砂礫的第四紀(jì)沉積土，等級(jí)為C1A1 至C1A2，滿足規(guī)范要求［2］。

圖2 2 種基本組合的內(nèi)部穩(wěn)定性和總體穩(wěn)定性Fig.2 Internal stability and overall stability of two basic combination

圖3 2 種偶然組合的內(nèi)部穩(wěn)定性和總體穩(wěn)定性Fig.3 Internal stability and overall stability of two kinds of accidental combination

3.2 邊坡坡腳的處理

對(duì)原始地面清表開(kāi)挖臺(tái)階后，為更好保證路基穩(wěn)定性［11］，需對(duì)邊坡坡腳下開(kāi)挖設(shè)置坡腳加強(qiáng)基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)中針對(duì)設(shè)計(jì)段具有較厚泥灰質(zhì)粘土情況進(jìn)行分析，采用在坡腳設(shè)置腳墻基礎(chǔ)或砌石基礎(chǔ)無(wú)法提供足夠的抗滑力，將坡腳設(shè)置為6 m 寬，基礎(chǔ)由壓實(shí)的天然砂礫構(gòu)成，以便擁有足夠的抗滑力應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的滑坡，基礎(chǔ)深度至密實(shí)的泥灰?guī)r層(如圖4)。在風(fēng)化層局部厚度較大的情況下，在基礎(chǔ)下增設(shè)混凝土楔子(如圖5)，楔子由加強(qiáng)基礎(chǔ)底部深入至密實(shí)的泥灰?guī)r層［16］。

圖4 邊坡坡腳下開(kāi)挖設(shè)置坡腳加強(qiáng)基礎(chǔ)布置圖Fig.4 Strengthening base layout slope foot toe excavation

圖5 風(fēng)化層局部厚度較大邊坡基礎(chǔ)下增設(shè)混凝土楔子布置圖Fig.5 Additional concrete wedge layout of large base slope with regolith local thickness

3.3 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

經(jīng)對(duì)設(shè)計(jì)段調(diào)查，干旱季節(jié)存在開(kāi)挖的基底和路塹基巖裂隙水滲出現(xiàn)象，因項(xiàng)目段泥灰?guī)r及泥灰質(zhì)土對(duì)水具有極大敏感性，設(shè)計(jì)中需考慮基底排水設(shè)計(jì)［10］(如圖6)，挖除泥灰質(zhì)黏土層后［17］，在路堤下游一半位置的臺(tái)階底部設(shè)置30 cm 天然砂礫排水層，沿線路縱向每隔20 至50 m設(shè)置一道橫向盲溝，路堤坡腳下護(hù)腳內(nèi)設(shè)置集水管集中排放盲溝水，在上方側(cè)用粘土封閉路堤坡腳，設(shè)置排水溝攔截上方來(lái)水以免下滲，形成一個(gè)完整的排水系統(tǒng)，達(dá)到加筋土路堤最佳排水效果。

排水系統(tǒng)使用的土工布應(yīng)符合CCTP 第B 2.14.3.4 款的規(guī)定［7］。臺(tái)階底部排水層的材料、邊坡底部護(hù)腳位置用于換填的天然砂礫、邊坡坡腳底部填筑的滲水材料、PVC 管的封閉層材料以及盲溝碎石等［19-20］，均應(yīng)符合CCTP 第B 3.6.2.5款的規(guī)定［7］。上方側(cè)填方坡腳的封閉黏土應(yīng)符合CCTP 第B 6.7.4 款的規(guī)定。

圖6 加筋土路堤排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Fig.6 Reinforced embankment drainage system design

4 結(jié) 論

鑒于M5 標(biāo)段高填方路堤、泥灰質(zhì)巖土地質(zhì)及該段無(wú)法采用擋土墻的特殊情況，提出采用加筋土路堤設(shè)計(jì)。研究從邊坡坡率、加強(qiáng)筋、土工布布置及邊坡加強(qiáng)3 個(gè)方面對(duì)加筋土路堤進(jìn)行了幾何設(shè)計(jì)，提出對(duì)于高填方路段，每8 m 高設(shè)置一個(gè)2 m 寬的過(guò)渡平臺(tái)，且需保證下部邊坡的加強(qiáng)筋間距L=14 m，中間邊坡為10 m，筋體設(shè)定的垂直間距將是sv=0.3 到0.6 m，設(shè)計(jì)的二級(jí)邊坡采用長(zhǎng)10 m 的土工布加強(qiáng)，三級(jí)邊坡采用長(zhǎng)14 m 的土工布加強(qiáng)。對(duì)加筋土路堤的邊坡分析采用簡(jiǎn)化的Bishop 法，通過(guò)對(duì)土工布各項(xiàng)安全系數(shù)的考慮，根據(jù)CCTP 確定了邊坡的內(nèi)部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性驗(yàn)算的總安全系數(shù)為:一般工況下為F≥1，地震力的偶然荷載工況下為F≥1.2，并分別對(duì)未設(shè)置和設(shè)置土工布后的安全系數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)算，分析證明采用土工布后的穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。在通車(chē)六年時(shí)間里，設(shè)置加筋土路堤路段的排水效果良好，沉降數(shù)據(jù)觀測(cè)結(jié)果滿足規(guī)范要求，實(shí)踐證明，通過(guò)采用加筋土路堤設(shè)計(jì)可有效收縮坡腳，降低工程造價(jià)，提高高路堤邊坡的穩(wěn)定性，且證明高強(qiáng)度土工布的加筋土路堤對(duì)泥灰?guī)r及泥灰質(zhì)粘土高填方邊坡的處理措施是合理有效的，設(shè)計(jì)方法對(duì)國(guó)內(nèi)外類(lèi)似地質(zhì)條件的工程設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

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