高速公路高填斜陡路基設(shè)計(jì)方案

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州350000）

高速公路高填斜陡路基設(shè)計(jì)方案

■徐小華

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州350000）

地質(zhì)條件復(fù)雜山區(qū)的較低等級(jí)公路，高填方路堤較為普遍，若高填方路基同時(shí)落在斜坡區(qū)，不僅容易產(chǎn)生沉降，且易產(chǎn)生滑動(dòng)，直接影響路堤自身穩(wěn)定。本文以永福龍車至新羅中甲段公路工程(新羅區(qū))為工程背景，對(duì)高填方路堤穩(wěn)定性、應(yīng)力應(yīng)變特性進(jìn)行了計(jì)算分析，總結(jié)邊坡穩(wěn)定性影響因素及邊坡變形特征，并提出相應(yīng)的處治措施。

山區(qū)高填斜陡路基邊坡穩(wěn)定性影響

1 項(xiàng)目概況

永福龍車至新羅中甲段公路工程(新羅區(qū))項(xiàng)目路線起點(diǎn)位于新羅區(qū)巖山鄉(xiāng)紅尖山隧道內(nèi)，起點(diǎn)樁號(hào)YK43+ 132.4；終點(diǎn)位于新羅區(qū)曹溪街道中甲村，樁號(hào)K59+ 343.511，路線長(zhǎng)度16.1778km。本項(xiàng)目為二級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度60km/h，整體式路基全寬10m。

路線位于我省西南部，為北東向博平岒的南端及西側(cè)部位，沿線山嶺綿延，山脈主體多呈北東～近南北向延伸，局部見(jiàn)北西向分布?？傮w地勢(shì)為東、西部高，中間低，海拔標(biāo)高一般在600～1000m之間，最高的庵山高程為1486.9m，最低點(diǎn)龍巖盆地標(biāo)高315m，相對(duì)高差一般在300～800m之間。整條線路地形地貌屬山嶺重丘區(qū)。

受地形條件、路線平縱線形指標(biāo)及項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性等諸多方面限制，山區(qū)公路不可避免出現(xiàn)高填、陡坡路堤。由于項(xiàng)目高填較多，若不切實(shí)控制好填方工程的質(zhì)量，今后路基勢(shì)必產(chǎn)生不均勻沉降，影響行車舒適乃至安全。

2 項(xiàng)目高填斜陡路段工況

本項(xiàng)目填方邊坡高度在20m以上的路段較多，其中填方高度＞35m的路段主要集中在K47+350～K47+500、K52+820～+900、K53+080～+240、K53+540～+840、K55+ 241～+301路段，平均填高均在35m以上，最高54.8m，其中K47+440～K47+500為高填斜陡坡，邊坡最高53m。段落內(nèi)地形較陡,為陡傾的單面斜坡,中部微鼓,坡形平順,植被較發(fā)育,自然邊坡20°～40°,屬于低山地貌單元，如表1所示。

如何選擇安全、合理、經(jīng)濟(jì)的路基斷及結(jié)構(gòu)型式，成為該段路基設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

表1 高填斜陡路段工況一覽表

3 加強(qiáng)高填斜陡路堤穩(wěn)定性措施

3.1 路堤填料

路堤填料強(qiáng)度是影響高填路堤穩(wěn)定性的最直接因素，填料應(yīng)滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)填料的要求，路基宜優(yōu)先采用工程力學(xué)性質(zhì)良好的土質(zhì)填筑，路床頂面以下2m必須采用工程力學(xué)性質(zhì)良好的土質(zhì)填筑。

由于受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，挖方填料性質(zhì)不一，為了有效控制填料質(zhì)量，通過(guò)采用畢肖普(Bishop)法進(jìn)行計(jì)算，按滿足規(guī)范的安全系數(shù)1.35要求進(jìn)行填料取值驗(yàn)算，通過(guò)對(duì)不同C值的取值得出對(duì)應(yīng)φ值，控制填料質(zhì)量。

經(jīng)驗(yàn)算，對(duì)每種填料指標(biāo)進(jìn)行要求，要求路段填料應(yīng)滿足《高填路段C(kPa),φ(°)取值一覽表》的要求，如表2所示。

表2 填料C(kPa),φ(°)取值一覽表

3.2 路堤反壓平臺(tái)

為了保證高填路堤的穩(wěn)定性，常采用平臺(tái)反壓的方法，同樣通過(guò)畢肖普(Bishop)法進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)路堤填高為四階時(shí)，通過(guò)對(duì)不同填料指標(biāo)的取值，得出二階處反壓平臺(tái)的寬度，如表3所示。

表3 反壓平臺(tái)取值一覽表(四階)

3.3 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水是形成路基病害的主要因素之一，路基的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性同水的關(guān)系十分密切，為避免孔隙水、地下水及坡面流水對(duì)路基穩(wěn)定的影響，應(yīng)加強(qiáng)高填陡坡路基排水設(shè)施設(shè)置，全填路基及半填半挖段路基應(yīng)酌情增設(shè)縱向及橫向排水盲溝。橫向盲溝應(yīng)結(jié)合地質(zhì)水文條件設(shè)置并包裹透水土工布以起到反濾作用。橫向盲溝設(shè)置時(shí)應(yīng)結(jié)合地形，盡量設(shè)置在地勢(shì)相對(duì)較低處。為加強(qiáng)排水，同一橫斷面上酌情增設(shè)橫向盲溝道數(shù)。

盲溝在平面上呈直線形，不應(yīng)轉(zhuǎn)折，以免造成排水不暢。縱向盲溝應(yīng)有一定的坡度，對(duì)于部分地下水較發(fā)育的陡坡路基，可適當(dāng)增大排水盲溝尺寸。

沿路線橫向及縱向分別設(shè)置盲溝，沿路線縱向設(shè)置縱向盲溝2道，于K47+490橫斷面設(shè)橫向盲溝兩道，盲溝采用尺寸(0.4m×0.4m)的碎石盲溝，將內(nèi)部水引至路基外。

高填路基處于地勢(shì)低凹處水，水系發(fā)育，應(yīng)做好山凹排水設(shè)置，在路基底設(shè)置樹(shù)形盲溝，避免地基長(zhǎng)期浸水導(dǎo)致承載力降低而引起路基沉降或是影響路基填方體滑移［1］，成為今后路基安全的一大隱患。其排水設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

3.4 高填斜陡路堤加筋處理

3.4.1 設(shè)計(jì)穩(wěn)定性分析及驗(yàn)算

假定路基堤身滑動(dòng)面為圓弧面，依據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用畢肖普(Bishop)法進(jìn)行路堤加筋方案設(shè)計(jì)。按滿足規(guī)范的安全系數(shù)1.35要求進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算后確定了該段的加筋路基處理方案。

路基穩(wěn)定性分析包括路堤自身的穩(wěn)定性、路堤和地基的整體穩(wěn)定性、路堤沿斜坡地基或軟弱層帶滑動(dòng)的穩(wěn)定性內(nèi)容。

(1)計(jì)算狀態(tài)及荷載系數(shù)

按《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)規(guī)定，加筋路基采用以分項(xiàng)安全系數(shù)的極限狀態(tài)法進(jìn)行路堤加筋陡坡設(shè)計(jì)。

(2)作用力計(jì)算

作用力計(jì)算包含以下幾種：①恒載；②車輛活載；③庫(kù)倫主動(dòng)土壓力；④地震作用力；⑤靜水壓力；⑥動(dòng)水壓力；⑦浮力。

(3)加筋路堤邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算

驗(yàn)算有3個(gè)部分：①加筋材料的鋪設(shè)方式②鋪設(shè)層數(shù)③鋪設(shè)范圍等。

為防止筋材土體中拔出，必須對(duì)每層加筋材作內(nèi)部穩(wěn)定性校核，使土體內(nèi)鋪設(shè)的筋材，超出最不利滑動(dòng)面圓孤以外的錨固段與土之間的握裹力不小于拉拔力，且有一定的安全系數(shù)，最小錨固長(zhǎng)度不小于2m。

圖1 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

運(yùn)用各種理論與方法分析計(jì)算得到的安全系數(shù)不得小于《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)中安全系數(shù)所列值。

3.4.2 計(jì)算模型

根據(jù)填方路堤橫斷面特點(diǎn)，選取典型斷面K47+490橫斷面建立計(jì)算模型。K47+490橫斷面布置為:路堤中心填高8.696m，路基邊緣高56m，第一級(jí)邊坡1∶1.5，第二、三、四階邊坡1∶1.75,第五階邊坡坡率1∶1.5，第三階及第四階平臺(tái)寬度加寬處理，加寬寬度結(jié)合邊坡上改路標(biāo)高加寬11.5～21m。根據(jù)勘察報(bào)告及相關(guān)規(guī)范，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)綜合確定各層巖土體計(jì)算參數(shù)。

依據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告，清除表層的坡積碎石等影響路基穩(wěn)定的土層后開(kāi)挖臺(tái)階，臺(tái)階寬4m，臺(tái)階高度不小于1m，路基填料參數(shù)容重取18kN/m3，C值取13 kPa,φ值取21°,下伏為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖，C值取180kPa,φ值取25°，計(jì)算模型如圖2所示。

3.4.3 路基加筋設(shè)計(jì)方案

土工格柵布設(shè)的垂直間距為0.6m,從距路堤第三階反壓平臺(tái)2m處開(kāi)始，由下往上逐層鋪設(shè)至距路堤第一級(jí)邊坡4m處，路堤每壓實(shí)2層鋪1層土工格柵。壓實(shí)度應(yīng)滿足規(guī)范要求。格柵長(zhǎng)度為15m。,每一層靠近邊坡的土工布端頭向上成半圓形折起進(jìn)行回包，回包半徑0.3m,回包卷入路基長(zhǎng)度不1m，壓實(shí)后再鋪設(shè)上面一層土工格柵。

鋪設(shè)土工格柵之前，應(yīng)清理現(xiàn)場(chǎng)，平整場(chǎng)地，并對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行初步碾壓，土層表面應(yīng)平整，嚴(yán)禁有堅(jiān)銳凸出物。為加強(qiáng)加筋效果，鋪設(shè)土工格柵之前，對(duì)土工格柵進(jìn)行必要的預(yù)張拉，通過(guò)格柵的張拉梁鉤住主加筋格柵施加張拉力(建議每個(gè)張拉梁施加與該型號(hào)格柵1%應(yīng)變相對(duì)應(yīng)的抗拉力的預(yù)加力)，使土體內(nèi)部產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力。填料中有尖銳棱角等有損塑料土工筋材的部分不得大于總量的15%，與加筋材料直接接觸的填料的最大粒徑不宜超過(guò)15cm，粒徑大于6 cm的含量不超過(guò)30%。

格柵的縱向應(yīng)垂直于路基的中線,格柵的縱向搭接重疊寬度不小于20 cm,搭接縫采用塑料帶綁扎，間距為50 cm；對(duì)鋪設(shè)好的格柵每隔1.5m用U形騎馬釘固定于地面，以保證格柵與地面密貼，鋪設(shè)好的格柵及時(shí)回填，防止日曬老化。路基格柵計(jì)算模型如圖3所示。

4 監(jiān)控方案及處治措施

4.1 監(jiān)控方案

高填陡坡路堤應(yīng)按要求埋設(shè)觀測(cè)標(biāo)志，用于工后沉降監(jiān)控，預(yù)測(cè)工后沉降趨勢(shì)，以確定路面施工時(shí)間。施工中應(yīng)按二等水準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行觀測(cè)，實(shí)測(cè)月沉降小于3 mm (0.1mm/d)做為路基交工標(biāo)準(zhǔn)。路堤整體穩(wěn)定性監(jiān)控應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇最不利斷面樁號(hào)，在其路基橫斷面方向埋設(shè)位移觀測(cè)標(biāo)志和測(cè)斜管(布控位置詳見(jiàn)《路基穩(wěn)定監(jiān)控設(shè)計(jì)圖》)，同一路段不同觀測(cè)項(xiàng)目的測(cè)點(diǎn)宜布置在同一橫斷面上。

圖2 路基開(kāi)挖計(jì)算模型

圖3 路基格柵計(jì)算模型

K47+490處布設(shè)觀測(cè)標(biāo)志，于橫斷面右側(cè)路肩位置及第二階平臺(tái)位置處分別布設(shè)測(cè)斜管進(jìn)行工后沉降監(jiān)控，以預(yù)測(cè)工后沉降趨勢(shì)。

4.2 處治措施

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算分析，若不經(jīng)過(guò)處理，直接進(jìn)行路基填筑，將造成路堤失穩(wěn)及不均勻沉降，要提高高填陡斜路基穩(wěn)定性可以從以下幾個(gè)方面考慮：①增加路基填料強(qiáng)度。②對(duì)坡體進(jìn)行反壓。③加強(qiáng)排水措施。④增設(shè)土工格柵。⑤增強(qiáng)補(bǔ)壓［4］。K47+440～K47+500邊坡綜合采用以下措施處理具體如下：

(1)清表

原邊坡為坡積碎石較松散，且厚度2～4m，將其清除，同時(shí)由于原邊坡縱坡較陡，采用臺(tái)階開(kāi)挖，臺(tái)階寬度不小于4m。

(2)填料控制

由于受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，挖方填料性質(zhì)不一，為了有效控制填料質(zhì)量，通過(guò)采用畢肖普(Bishop)法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)每種填料指標(biāo)進(jìn)行要求，如表4所示。

表4 填料C(kPa),φ(°)取值一覽表

(3)排水設(shè)置

沿路線縱向設(shè)置縱向盲溝2道，于K47+490橫斷面設(shè)橫向盲溝兩道，將內(nèi)部水引至路基外。在路基底設(shè)置樹(shù)形盲溝，避免地基長(zhǎng)期浸水導(dǎo)致承載力降低而引起路基沉降或是影響路基填方體滑移。

(4)土工格柵

在路堤填料中增設(shè)土工格柵，由于土工格柵具有一定剛度及較大的抗拉強(qiáng)度，能夠有效提高抗剪強(qiáng)度而增強(qiáng)路堤整體穩(wěn)定性。土工格柵布設(shè)從距路堤第三階反壓平臺(tái)2m處開(kāi)始，由下往上逐層鋪設(shè)至距路堤第一級(jí)邊坡4m處，路堤每壓實(shí)2層鋪1層土工格柵，土工格柵布設(shè)的垂直間距為0.6m。

(5)路基補(bǔ)強(qiáng)壓實(shí)(加大噸位壓路機(jī)碾壓)

普通壓路機(jī)碾壓完成后，采用加大噸位的壓路機(jī)進(jìn)行碾壓整平處理。加大噸位的壓路機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下：額定功率220kW，激震力590/450kN，最大總作用力810kN。

(6)底部填石及坡腳增設(shè)擋墻

通過(guò)分析，通過(guò)底部填石及坡腳增設(shè)擋墻可增強(qiáng)路堤整體穩(wěn)定性［5］。

根據(jù)以上綜述，其處治措施如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

圖4 處治措施示意圖(單位：m)

針對(duì)山區(qū)公路高填、陡坡斷面高、大、長(zhǎng)，在各項(xiàng)目設(shè)計(jì)中都是比較突出頭痛的問(wèn)題，本文對(duì)高填、陡坡路堤穩(wěn)定性分析及設(shè)計(jì)思路的粗略探討，旨在總結(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程中一些較淺顯的經(jīng)驗(yàn)與同行交流，因筆者水平所限，難免存在一些錯(cuò)漏，請(qǐng)廣大同行不吝指正。

［1］郭仁昌．福建山區(qū)高速公路路基施工質(zhì)量控制[J].福建交通科技. 2011.

［2］張井泉．高填方邊坡穩(wěn)定性研究．西南交通大學(xué)碩士論文，2009．

［3］梁志勇．山區(qū)高速公路高填斜陡坡路堤穩(wěn)定性研究[J].公路工程, 2012.

［4］龔玉華、曾耀．山區(qū)陡坡高填方路堤穩(wěn)定性分析及和治措施研究[J].公路交通科技,2011.

［5］林永功．高填陡坡路堤穩(wěn)定性分析及設(shè)計(jì)思路初探[J].道路工程, 2011.