山區(qū)高填陡斜坡路堤接棄土場或填平區(qū)問題研究

陳祖鑫

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福州 350004)

0 引言

福建省位于東南沿海地區(qū)，山區(qū)地形地質(zhì)復(fù)雜，高等級公路布線較為困難，橋梁和隧道所占比例較高，施工難度大；同時，山區(qū)公路工程填挖量大，造價高。為了確保高等級公路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，修筑山區(qū)公路時，局部路段只能采取高填或深挖的措施來解決跨溝或越嶺的問題。

在高填陡坡路基所在的山坳地段， 常常可以設(shè)置為棄土場或填平區(qū)，如此設(shè)計可消耗大量棄方，同時對路基起反壓護(hù)道作用，提高路基邊坡穩(wěn)定性，再次，可以防止在山坳處積水。但往往在施工過程中，棄土場和填平區(qū)填土壓實(shí)度達(dá)不到要求，土質(zhì)松散，同時，未做好排水措施。在降雨作用下，雨水入滲，長期淤積無法排除，使得路基濕度大大上升，影響路基穩(wěn)定性，同時，使得路基土軟化，產(chǎn)生不均勻沉降，最終導(dǎo)致路面開裂或邊坡垮塌。本文依托莆田至炎陵高速公路永泰梧桐至尤溪中仙段(福州市境) 工程對接棄土場或填平區(qū)的陡坡高填路基進(jìn)行計算分析，并提出處置方案[1-5]。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目路線全長約42.241257km， 路線起于永泰縣梧桐鎮(zhèn)鎮(zhèn)潼關(guān)村，與福永高速銜接，路線由東南往西北經(jīng)丘演、三富、白灣至永泰的嵩口鎮(zhèn)、長慶鎮(zhèn)，止于蓋洋鄉(xiāng)珠峰村，與湄洲灣至重慶高速公路三明段相接，線路區(qū)的地勢總體是東南部盆地區(qū)低(起點(diǎn))，西北部中低山區(qū)(終點(diǎn))高。

2 數(shù)值分析模型

2.1 計算模型

本文采用Geo-studio 軟件中的Slope/W 模塊計算邊坡穩(wěn)定性，采用Sigma/W 模塊計算邊坡位移變形[1-5]。本文選取該項(xiàng)目典型斷面建立模型，計算模型如圖1～圖2 所示，對于棄土場和填平區(qū)情況分別選取一種模型。計算范圍為150m 寬，60m 高。 根據(jù)實(shí)際鉆探結(jié)果， 地下水位于原地面底下約為1m，路基填料為土方。 地質(zhì)自上而下分別為坡積粉質(zhì)粘土、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。計算邊坡位移變形時的邊界條件如圖3～圖4 所示，下部和右側(cè)設(shè)置固定約束，左側(cè)采用水平約束。棄土場模型在路面和邊坡選取A、B、C、D、E、F六個位移觀測點(diǎn)，填平區(qū)模型在路面和邊坡選取A、B、C、D、E 五個位移觀測點(diǎn)，如圖5～圖6 所示。

圖1 棄土場計算模型

圖2 填平區(qū)計算模型

圖3 棄土場邊界條件

圖4 填平區(qū)邊界條件

圖6 填平區(qū)位移觀測點(diǎn)

邊坡穩(wěn)定性方法根據(jù) 《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)中3.6.9 條的規(guī)定采用Bishop 法。 本項(xiàng)目選取模型為路堤沿陡斜坡地基，因此，路堤的安全系數(shù)正常工況下應(yīng)達(dá)到1.30[5]，非正常情況(降雨狀態(tài)下)應(yīng)達(dá)到1.20。

2.2 計算參數(shù)

計算參數(shù)均采用摩爾庫侖模型， 土層參數(shù)取自實(shí)際工程鉆探和根據(jù)室內(nèi)資料而制定，其參數(shù)如表1 所示。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

3 計算結(jié)果

3.1 路基接棄土場

棄土場模型計算結(jié)果如圖7～圖14 所示。 從圖中7～圖8 可以看出，正常情況下在邊坡安全系數(shù)為2.677 時，滿足設(shè)計要求。 但在長期降雨作用下，雨水入滲，使得棄土場中土含水量大大增加，水分入滲路堤土，導(dǎo)致棄土場和路堤土抗剪強(qiáng)度明顯下降， 導(dǎo)致路基邊坡穩(wěn)定性下降至1.863，但由于棄土場起到的反壓作用，從穩(wěn)定性上邊坡仍然滿足規(guī)范要求。

圖7 正常狀態(tài)下棄土場路基穩(wěn)定性

圖8 非正常狀態(tài)下棄土場路基穩(wěn)定性

圖9～圖10 為路基橫向位移，向左方向?yàn)樨?fù)，向右方向?yàn)檎?從圖中看出，棄土場位置位移為正，正常狀態(tài)最大值達(dá)到8.7cm，越往深處位移值越??；路基邊坡處橫向位移值為負(fù)，最大值達(dá)到17.3cm，越往深處位移值越??；在路基長期泡水狀態(tài)后棄土場處和邊坡處最大橫向位移值分別達(dá)到11.7cm 和23.6cm，說明路基在長期泡水后橫向位移明顯增加。

圖9 正常狀態(tài)下棄土場邊坡橫向位移(m)

圖10 非正常狀態(tài)下棄土場邊坡橫向位移(m)

圖11～圖12 為路基豎向位移，向上為正，向下為負(fù)。從圖中可以看出， 棄土場頂部和邊坡滑動面處路基豎向位移最大，均為負(fù)值，正常狀態(tài)最大值達(dá)到51.1cm，路基長期泡水后沉降最大值達(dá)到66.8cm，說明路基在長期浸水后豎向位移同橫向位移一樣明顯增加。

圖11 正常狀態(tài)下棄土場邊坡豎向位移(m)

圖12 非正常狀態(tài)下棄土場邊坡豎向位移(m)

圖13～圖14 為路基總位移，值均為正值，由于路基豎向位移明顯大于橫向位移， 因此總位移變化趨勢和豎向位移基本一致， 棄土場頂部和邊坡滑動面處路基總位移最大，正常狀態(tài)最大值達(dá)到53.3cm，路基長期泡水后總位移最大值達(dá)到70.2cm，說明路基在長期浸水后總位移明顯增加。

圖13 正常狀態(tài)下棄土場邊坡總位移(m)

圖14 非正常狀態(tài)下棄土場邊坡總位移(m)

對棄土場模型中6 個觀測點(diǎn)在正常狀況和長期浸水情況下路基位移狀況進(jìn)行計算， 得出結(jié)果如圖15～圖17所示，從圖中可以明顯看出，在長期受水影響狀況下路基邊坡各點(diǎn)的橫向位移、 豎向位移和總位移均明顯低于正常狀況下的各點(diǎn)位移。說明若棄土場壓實(shí)度不足，排水設(shè)施不完善情況下，路基邊坡在長期受水影響下，容易造成失穩(wěn)或沉降變形過大。

圖15 棄土場邊坡觀測點(diǎn)橫向位移變化

圖16 棄土場邊坡觀測點(diǎn)豎向位移變化

圖17 棄土場邊坡觀測點(diǎn)總位移變化

3.2 路基接填平區(qū)

填平區(qū)模型計算結(jié)果如圖18～圖19 所示。 從圖中18～圖19 可以看出， 正常情況下在邊坡安全系數(shù)為1.326，滿足設(shè)計要求。 但在長期降雨作用下，同棄土場情況一樣，雨水入滲，導(dǎo)致填平區(qū)和路堤土抗剪強(qiáng)度明顯下降，路基邊坡穩(wěn)定性下降至1.069，不滿足規(guī)范要求。

圖18 正常狀態(tài)下填平區(qū)路基穩(wěn)定性

圖19 非正常狀態(tài)下填平區(qū)路基穩(wěn)定性

經(jīng)過計算，路基橫向位移整體向左偏移，正常狀態(tài)最大值達(dá)到23.8cm，越往深處位移值越小，在路基長期泡水狀態(tài)后填平區(qū)處最大橫向位移值達(dá)到31.4cm，說明路基在長期泡水后橫向位移明顯增加。

圖20～圖21 為路基豎向位移，向上為正，向下為負(fù)。從圖中可以看出，邊坡滑動面處路基豎向位移最大，為負(fù)值，正常狀態(tài)最大值達(dá)到53.3cm，路基長期泡水后沉降最大值達(dá)到72.8cm，說明路基在長期浸水后豎向位移同橫向位移明顯增加。

總位移變化趨勢和豎向位移基本一致， 邊坡滑動面處路基總位移最大，正常狀態(tài)最大值達(dá)到57.7cm，路基長期泡水后總位移最大值達(dá)到79.2cm，說明路基在長期浸水后總位移明顯增加。

圖20 正常狀態(tài)下填平區(qū)邊坡豎向位移(m)

圖21 非正常狀態(tài)下填平區(qū)邊坡豎向位移(m)

對填平區(qū)模型中5 個觀測點(diǎn)在正常狀況和長期浸水情況下路基位移狀況進(jìn)行計算， 得出結(jié)果如圖22～圖24所示。從圖中可以明顯看出，在長期受水影響狀況下路基邊坡各點(diǎn)的橫向位移、 豎向位移和總位移均明顯低出正常狀況下的各點(diǎn)位移。說明若填平區(qū)壓實(shí)度不足，排水設(shè)施不完善情況下，路基邊坡在長期受水影響下，容易造成失穩(wěn)或沉降變形過大。

圖22 填平區(qū)邊坡觀測點(diǎn)橫向位移變化

圖23 填平區(qū)邊坡觀測點(diǎn)豎向位移變化

圖24 填平區(qū)邊坡觀測點(diǎn)總位移變化

4 處理措施

基于以上分析， 對填平區(qū)或棄土場應(yīng)采取相應(yīng)措施保證路基安全。 如圖25 所示，在填平區(qū)或棄土場周邊設(shè)置粘土封層，兩側(cè)設(shè)置水溝和截水溝，壓實(shí)度要求不低于90%， 同時在棄土場底部設(shè)置碎石盲溝， 以保證排水通暢。 同時， 棄土場基底應(yīng)參照路基施工要求進(jìn)行軟土清除，設(shè)置盲溝、滲溝，做好整體排水措施。

圖25 沿河護(hù)坡防護(hù)

5 結(jié)語

本文依托莆田至炎陵高速公路永泰梧桐至尤溪中仙段(福州市境)工程，通過采用二維巖土有限元軟件Geostudio 模擬， 計算了路基接棄土場或填平區(qū)情況下陡坡高填路基的穩(wěn)定性和位移變化規(guī)律，結(jié)論如下：

(1)路基接棄土場工況在正常情況下邊坡安全系數(shù)為2.677， 在長期降雨作用下， 路基邊坡穩(wěn)定性下降至1.863，但由于棄土場起到的反壓作用，從穩(wěn)定性上邊坡仍然滿足規(guī)范要求。

(2)路基接棄土場工況在正常狀態(tài)下，橫向、豎向和總最大位移分別為17.3cm、51.1cm 和53.3cm； 在棄土場和路基浸水情況下最大位移分別為23.6cm、66.8cm 和70.2cm。

(3)路基接填平區(qū)在正常情況下邊坡安全系數(shù)為1.326，滿足設(shè)計要求。 但在長期降雨作用下，同棄土場情況一樣，雨水入滲，導(dǎo)致填平區(qū)和路堤土抗剪強(qiáng)度明顯下降，路基邊坡穩(wěn)定性下降至1.069，不滿足規(guī)范要求。

(4)路基接填平區(qū)工況在正常狀態(tài)下，橫向、豎向和總最大位移分別為23.8cm、53.3cm 和57.7cm； 在棄土場和路基浸水情況下最大位移分別為31.4cm、72.8cm 和79.2cm。

(5)對于路基接棄土場或填平區(qū)的情況，在長期降雨作用下，雨水入滲壓實(shí)不充分的棄土場或填平區(qū)，導(dǎo)致路基邊坡穩(wěn)定性下降和明顯的路基沉降變形。

(6)對填平區(qū)或棄土場應(yīng)采取相應(yīng)措施保證路基安全。在填平區(qū)或棄土場周邊設(shè)置粘土封層，兩側(cè)設(shè)置水溝和截水溝，壓實(shí)度要求不低于90%，同時在棄土場底部設(shè)置碎石盲溝，以保證排水通暢。