山區(qū)高填方填石路堤穩(wěn)定分析與處治措施探討

■林舒心（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州350004）

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山區(qū)高填方填石路堤穩(wěn)定分析與處治措施探討

■林舒心
（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州350004）

山區(qū)的復(fù)雜地形，帶來了大量的高填深挖問題。而填石路堤能因地制宜地利用挖方材料、節(jié)約工程造價，在山區(qū)公路建設(shè)中應(yīng)用廣泛。本文以寧德至武夷山高速公路大邵K129+600緊急制動車道的高填方填石路堤為研究對象，基于填石路堤工程特性的理論分析，對K129+645斷面的路堤穩(wěn)定性與整體性進行了計算。同時，論文結(jié)合工程經(jīng)驗，對填石路堤的填料、地基處理、分層填筑與碾壓及邊坡防護等工程處治要求進行了總結(jié)。分析表明，大邵K129+600緊急制動車道處于穩(wěn)定狀態(tài)，進行合理、嚴格的工程處治有助于保障高填方填石路堤的穩(wěn)定性。

高填方填石路堤分層填筑分層碾壓碼砌防護

0引言

隨著國內(nèi)高速、干線公路的全面建設(shè)，各級公路向偏遠山區(qū)深入發(fā)展，面臨了更為復(fù)雜的山區(qū)地形，大量的深挖高填問題不斷出現(xiàn)。考慮經(jīng)濟與污染問題，能夠充分利用開挖邊坡與隧道爆破過程中產(chǎn)生石料并節(jié)約工程造價的高填方填石路堤成為山區(qū)高等級公路的常見形式。在高填方填石路堤建設(shè)中，常因路基壓實度不足、填料不良、填筑方法不當、地基軟弱或暴雨等因素，發(fā)生路面沉陷、裂縫、路基邊坡坍塌、整體滑移等大量工程病害，這對社會經(jīng)濟與人身安全造成不利影響。

筆者認為，充分認識山區(qū)填石路堤的工程特性，完善高填方填石路堤的處治方式，加強路基設(shè)計的合理性與施工質(zhì)量，能夠更為有效地解決山區(qū)高填方填石路堤的破壞失穩(wěn)問題。本文將結(jié)合寧武高速公路的工程建設(shè)對山區(qū)高填方填石路堤穩(wěn)定分析與處治措施進行探討。

1高填方填石路堤穩(wěn)定分析

1.1工程概況

寧武高速公路S2合同段K115+890～K142+050路段為長下坡路段，長26.160km，平均縱坡達2.483%，該段地形復(fù)雜，橋隧相聯(lián)，構(gòu)造物比例達91.8%，從安全角度考慮設(shè)置緊急制動車道。其中大邵K129+600緊急制動車道位于河氽隧道（出口YK129+415）與大紹1號隧道（進口YK129+670）之間，全長300m，中心最高填高約61.4m，邊坡最高填高約87.5m。該段落路基沿線地質(zhì)表層為薄層殘坡積土，下部為碎塊狀強風(fēng)化凝灰熔巖及弱-微風(fēng)化凝灰熔巖，地質(zhì)條件良好。由于該緊急制動車道修筑在地勢險峻，溝壑縱橫的山嶺地區(qū)，填方高度非常大，為減少地基沉降和不均勻變形等破壞，設(shè)計采用填石路堤。路基填料采用隧道石渣及就近取石場開采的石料填筑。采用填石路堤的施工期及竣工后實景圖，如圖1和圖2所示。

圖1　高填方填石路堤施工期圖

圖2　高填方填石路堤竣工圖

1.2山區(qū)填石路堤工程特性分析

該高填方填石路堤多修筑在地勢險峻，溝壑縱橫的山嶺地區(qū)。由于地形復(fù)雜，填石路堤的填筑高度大，填方量也大，加之填料自身較大的密度，使得路基填筑體存在極大的自重荷載。為了防止承載力不足而導(dǎo)致路基工后沉降過大或沉降不均勻的變形問題，在填石路堤的設(shè)計與施工過程中，有必要對地基承載力提出嚴格的要求，以減少由于車輛荷載與自重荷載造成的地基壓縮變形，從而保證填石路堤的穩(wěn)定性。

填石路堤填料的工程性能與土質(zhì)填料有較大差異：土質(zhì)路基本身抗剪強度低，顆粒之間具有粘聚力，土體具有較強塑性，若地基發(fā)生較大沉降及不均勻沉降，土質(zhì)路基能夠協(xié)調(diào)地基的沉降而發(fā)生共同沉降。但是，填石路堤的填料依靠嵌鎖力與摩擦作用形成強度，內(nèi)摩擦角大，填石顆粒之間沒有粘聚力或粘聚力極小，一定程度上可以看作半剛性體。當路基內(nèi)部產(chǎn)生的剪應(yīng)力超過路基極限抗剪強度時，路基會產(chǎn)生剪切破壞，填料間存在剪脹效應(yīng)將使填料顆粒重新排列，內(nèi)摩擦角大大減小，這導(dǎo)致路基邊坡鼓脹從而發(fā)生失穩(wěn)破壞。

因此，填石路堤對地基沉降的敏感性要高于土質(zhì)路基，地基發(fā)生較大沉降及不均勻沉降均易引起填石路堤發(fā)生坍塌和失穩(wěn)。同時，地基的沉降與填料承受的荷載容易破壞填料之間的原有結(jié)構(gòu)，一旦結(jié)構(gòu)顆粒的嵌鎖作用被破壞，填石路堤就難以像填土路基那樣得以恢復(fù)。對填石路堤而言，尤其是高填方路基，地基承載力是保證路基壓實質(zhì)量和正常使用的前提條件，如若地基承載力不足，必將會導(dǎo)致路基的坍塌和失穩(wěn)，進而使路面產(chǎn)生病害破壞。因此，在寧武高速公路的工程建設(shè)中，對路基基底采取了清除地表漂石、素填土和亞粘土層等軟弱夾層，換填以碎塊狀強風(fēng)化或完整性更強的石作為持力層，有助于確保路基承載力達到設(shè)計與施工要求，并對基底進行特殊挖臺階處理。

1.3典型剖面穩(wěn)定性分析

選取制動車道K129+645斷面進行路基堤身與高填方路基邊坡整體穩(wěn)定計算。計算采用《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTGD30-2015）推薦的簡化Bishop法。剖面地層參數(shù)與斷面穩(wěn)定性分析計算結(jié)果如圖3和圖4所示。計算結(jié)果表明：

圖3　高填方路堤堤身穩(wěn)定計算（穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.426）

圖4　高填方路堤邊坡整體穩(wěn)定計算（穩(wěn)定系數(shù)Fs=2.125）

路堤堤身邊坡坡度為30°，小于路基填料等效內(nèi)摩擦角，路基堤身邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.426，滿足設(shè)計要求。

路堤基底換填碎塊狀強風(fēng)化以上的填料，在對基底進行挖臺階處理后，路基邊坡整體穩(wěn)定性達到2.125，滿足設(shè)計要求。

2填石路堤的填料要求

K129+600緊急制動車道路基的填料主要利用了河氽和大邵的隧道洞渣填筑，其余路基填料利用取石場開采石方填筑。根據(jù)設(shè)計要求，填方石料抗壓強度不小于35MPa，用于護坡碼砌的石料抗壓強度不小于40MPa。

填料粒徑較大，均勻性較差，易產(chǎn)生離析現(xiàn)象，導(dǎo)致路基不同部位密實度有很大差別，壓實過程中，石料有可能不斷被壓碎，改變了原有的粒徑組成，從而影響路基密度，強度及穩(wěn)定性。因此，結(jié)合《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30-2015）3.8.3條的相關(guān)規(guī)定，該段落填料粒徑質(zhì)量控制標準如表1所示。路床填料最大粒徑應(yīng)小于100mm，路床80cm的范圍內(nèi)填級配碎石，并分層壓實。級配碎石級配組成如表2。

表1填料粒徑組成取值表

表2級配碎石級配組成

填石料頂面應(yīng)無明顯孔隙、空洞。在路床填料填筑前，填石路堤最后一層的鋪筑層厚應(yīng)不大于400mm，過渡層碎石石料粒徑應(yīng)小于150mm，其中小于0.005mm的細粒料含量不應(yīng)小于30%。對于路堤石料的開采，采用密集深孔毫秒微差爆破技術(shù)，可以實現(xiàn)爆巖塊度80%在20～30cm之間。爆破施工要嚴格控制飛石距離，采取切實可行的措施，確保人員、設(shè)備及在建隧道的安全。在填筑路堤過程中應(yīng)嚴格控制填料的粒徑，對超粒徑的石塊要進行二次解小，不能解小的不得用于路基填筑。

3填石路堤的地基處理要求

3.1填石路堤對地基承載力的要求

填石路堤的填料比較堅硬，壓實度大且透水性好，路基整體穩(wěn)定性強，沉降量少，但水容易從邊坡、路面等部位進入基底造成路基整體的濕軟及不均勻沉降。路基填筑高度高，路堤自身重量大，因此為防止由于地基承載力不足而導(dǎo)致路基工后沉降過大或出現(xiàn)壓縮模量差異而造成不均勻沉降，必須對填石路堤的地基承載力提出要求，盡量減少地基的壓縮變形，從而保證填石路堤的穩(wěn)定性。因此本工程對基底采取清除地表的漂石、素填土和亞粘土層，采用碎塊狀強風(fēng)化及以上巖層為持力層，以確保路基承載力達到要求。

3.2填石路堤的地基排水要求

由于填石路堤的孔隙較大，水較易從邊坡或路面等部位進入路基中，而且由于路基填筑體的滲透性好，水很容易浸濕地基，同時若地基范圍內(nèi)存在地下水，這都會影響填石路堤的整體穩(wěn)定。因此，當路堤基底范圍內(nèi)由于地面水或地下水影響路基穩(wěn)定時，填石路堤應(yīng)采取必要的引排、攔截等措施，可設(shè)置盲溝、滲溝或在路堤底部填筑不易風(fēng)化的片石、砂礫石或塊石等透水性材料來設(shè)置透水層，其厚度應(yīng)不小于50cm，以防止水對地基的不良影響。

3.3填石路堤的地基坡度處理要求

當原地基有一定的坡度時，為保證填石路堤的整體穩(wěn)定性，應(yīng)對地基進行如下處理：

（1）在地基橫坡陡于1∶5的地段，應(yīng)將原地面挖成寬度不小于2.0m，高1.0m的搭接臺階，高填方陡坡路基為保證路基穩(wěn)定和便于施工需開挖大臺階，同時臺階進行內(nèi)傾處理，然后進行平整壓實，使基底強度和密實度達到設(shè)計要求；

（2）在地基橫坡緩于1∶5的地段，當清除樹根草皮或腐植土后，承載力滿足要求時，可直接在天然地面上填筑填石路堤。

4填石路堤的分層填筑與碾壓要求

4.1分層填筑

路堤采用逐層填筑，下路堤每層松鋪厚度小于45cm，上路堤每層松鋪厚度小于35cm。每層填料分兩次填筑，先填筑粗顆粒石料，厚約松鋪層厚度3/4。用推土機將粗粒層攤平穩(wěn)壓一遍，再填筑一層石屑或石渣，厚約松鋪層厚度1/4，其用量約占粗石料的15%～20%，予以填滿大粒徑料之間縫隙，攤鋪層面應(yīng)相對平順，利于碾壓。另外通過碾壓后密實的細粒層可以起到一定的阻水作用，減少施工期雨水的下滲。應(yīng)采用大噸位推土機整平攤料，整平過程中要將粗細填料混合均勻，加強填料顆粒的相互擠壓，使其有較好的平整度，避免有明顯的坑槽、低洼或凸起的石塊。

4.2分層碾壓

（1）整平后的路堤適當灑水，以利于碾壓時石塊移動、嵌鎖。

（2）壓實時的操作要求，應(yīng)先壓兩側(cè)（即靠路肩部分）后壓中間，壓實路線對于輪碾應(yīng)縱向互相平行，反復(fù)碾壓。

（3）碾壓時，先輕后重，先用25t輪式振動壓路機或相近的重型壓路機初壓兩遍，起穩(wěn)壓作用，選擇穩(wěn)定的測點，便于施工中觀測。

（4）穩(wěn)壓后再用加大噸位的壓路機復(fù)壓6～8遍。加大噸位的壓路機主要參考技術(shù)指標如下：額定功率220kW，激震力590/450kN，最大總作用力810kN。復(fù)壓時橫向重疊40～50cm，縱向重疊100～150cm，做到無漏壓、無死角。

（5）施工過程中的路堤壓實度主要以孔隙率控制，當采用孔隙率作為壓實質(zhì)量的控制指標有困難時，也可以用壓實沉降差進行控制。

5填石路堤的邊坡防護要求

由于填料的透水性良好，填石路堤宜產(chǎn)生孔隙，在一定條件下（如雨水沖刷或浸水路堤）會導(dǎo)致路基填筑體中的細粒料流失，從而發(fā)生較大的沉降，所以應(yīng)采用碼砌邊坡防護，以增強路基的整體穩(wěn)定。

5.1路堤邊坡碼砌尺寸要求

路堤邊坡防護采用符合要求的塊石碼砌，碼砌厚度為1～2m，路基高度小于5m時，碼砌厚度為1m，路基高度大于等于5m且小于12m，碼砌厚度為1.5m，路基高度大于等于12m時，碼砌厚度為2m。路基建議采用“先填筑后碼砌”的工藝方式。每級路堤邊坡采用臺階式碼砌，具體碼砌尺寸如表3所示。

表3路堤邊坡碼砌尺寸表

5.2路堤邊坡碼砌填料要求

邊坡碼砌所用石料要采用強度較大、不易風(fēng)化、遇水不易崩解的石料，嚴禁將強風(fēng)化的石料用于路基邊坡施工。邊坡石料的最大粒徑不宜大于80cm，最小厚度不小于20cm，其形狀應(yīng)規(guī)則、方正，至少有兩個面較為平行，以保證塊石碼砌時擺放穩(wěn)定。同時，應(yīng)采用大塊石料與中等塊度的石料交錯咬碼，嚴禁采用層鋪法和細石填隙砌筑。

填石路堤的邊坡碼砌施工時，應(yīng)將石料逐個碼砌，大面朝下，放置平穩(wěn)。石料應(yīng)盡量緊貼路基填筑體，相互之間緊密接觸，互相咬扣，無明顯落空、松動現(xiàn)象。碼砌石塊間的承力接觸面應(yīng)稍向內(nèi)傾斜，形成較為穩(wěn)定的內(nèi)傾結(jié)構(gòu)，嚴禁通縫、疊砌和貼砌，盡量做到坡面平整。

6結(jié)論

（1）填石路堤填料顆粒之間粘聚力極小，其抗剪強度主要由顆粒之間的摩擦力與嵌鎖力組成，內(nèi)摩擦角大，一定程度上可視為半剛性體。

（2）寧武高速公路K129+600緊急制動車道高填方路堤所用填料等效內(nèi)摩擦角大于堤身坡度，路堤堤身與整體性穩(wěn)定性良好。

（3）結(jié)合工程案例經(jīng)驗，本文對高填方填石路堤的填料、地基處理、分層填筑與碾壓及邊坡防護等要求上對其工程處治要求進行詳細介紹，工程運營現(xiàn)狀良好，值得進一步推廣。

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