某山區(qū)公路斜路堤擋土墻地基填土穩(wěn)定性分析及處治方法

趙福義

（貴州智恒工程勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001）

0 引 言

路基擋土墻及邊坡的失穩(wěn)不可避免的造成了路基沉降、整體性垮塌、交通中斷等，影響了人民群眾的正常出行，也對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)造成了一定的損失。擋土墻路基用以防止路基變形或支擋路基本體或山體的位移，以保證其穩(wěn)定。擋土墻的穩(wěn)定性分析主要有抗滑移穩(wěn)定性分析、抗傾覆穩(wěn)定性分析及擋土墻地基及填土的整體穩(wěn)定性分析等。

有關(guān)路基擋土墻及邊坡的穩(wěn)定性分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的工作且成果顯著。張濤等[1]將土骨架作為研究對(duì)象，將滲透力考慮為外荷載作用于土骨架上，采用強(qiáng)度折減法，對(duì)坡面水位下降過程中的邊坡穩(wěn)定問題進(jìn)行研究，主要討論不同因素對(duì)非飽和土質(zhì)邊坡安全穩(wěn)定的影響。謝永利等[2]總結(jié)了工程邊坡在穩(wěn)定性分析方法、工程設(shè)計(jì)和分析軟件等理論方面的共性研究成果，分別闡述黃土、膨脹土、凍土和巖質(zhì)工程邊坡在理論方面的新研究進(jìn)展，并指出特殊巖土體工程邊坡研究的進(jìn)一步方向。王建林等[3]結(jié)合工程實(shí)例，采用不平衡推力法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，運(yùn)用地下水飽水面積比和地下水排泄系統(tǒng)理論，分析了降雨作用下山區(qū)公路重力式高擋墻的穩(wěn)定性。蔣鑫等[4]運(yùn)用Phase有限元軟件，考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用，建立數(shù)值模型，開展基于剪切強(qiáng)度折減法的山區(qū)公路拓寬加筋路基穩(wěn)定性分析，探究填土、土工格柵和填土-土工格柵界面三者力學(xué)響應(yīng)動(dòng)態(tài)演變規(guī)律及其對(duì)路基穩(wěn)定性的影響。馬濤[5]以某擋土墻實(shí)例為研究對(duì)象，計(jì)算了基于可靠度反分析模型的擋土墻傾覆和滑移穩(wěn)定安全系數(shù)，并進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析，同時(shí)將基于可靠度模型的計(jì)算結(jié)果與基于確定性模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。于昕左[6]采用等效重度法，將擋土墻與填土視為一體，基于Fellenius法和簡(jiǎn)化Bishop法的假設(shè)條件，通過水平條分與斜條分法，導(dǎo)出了水平柔性拉筋式重力墻-填方邊坡整體穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式。對(duì)于墻-坡整體穩(wěn)定系數(shù)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與簡(jiǎn)化 Bishop法較為相近，且均大于 Fellenius法。高玉峰等[7]回顧土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析3種主要方法的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)已有的三維土質(zhì)邊坡分析方法研究存在的困難進(jìn)行了分析，針對(duì)三維土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法存在的問題和近些年的發(fā)展趨勢(shì)，展望了未來的研究方向。

目前，對(duì)于路基邊坡穩(wěn)定性分析，擋土墻的抗傾覆及抗滑移穩(wěn)定性分析的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但是對(duì)于斜坡上擋土墻地基及填土的整體穩(wěn)定性分析卻罕有研究。本文依托于貴州省某山區(qū)二級(jí)公路路堤滑坡治理工程，結(jié)合工程實(shí)例，計(jì)算分析擋土墻地基及填土的整體穩(wěn)定性，提出處理方法，為今后類似的滑坡治理工程提供參考。

1 工程概況

貴州省某山區(qū)二級(jí)公路路堤滑坡治理工程K9+255～K9+300段左側(cè)為填方路堤，路堤墻（漿砌片石擋墻）已施工完成，施工現(xiàn)場(chǎng)路堤墻墻身和附近房屋出現(xiàn)多處裂縫，初步判斷是由于施工時(shí)路堤墻地基承載力達(dá)不到相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，路堤墻基礎(chǔ)不均勻沉降引起墻身開裂，并伴有小規(guī)模的橫向滑移，造成下方房屋開裂。分析造成該變形的主要原因?yàn)椋航?jīng)雨季時(shí)，土體吸水飽和，物理力學(xué)參數(shù)降低，自重增大，從而使墻背土壓力增大，并且上方填方高度較高，下滑力較大。10個(gè)月后經(jīng)再次現(xiàn)場(chǎng)踏勘，K9+255～K9+300段路基左側(cè)漿砌片石擋墻變形增大，已經(jīng)修建完成的C20片石混凝土路堤墻出現(xiàn)破壞，主滑面擋墻被推出約10 cm，間距增大至約12 cm，填方路基出現(xiàn)滑移，原路基橫斷面和路基變形破壞見圖1、圖2。

圖1 原路基橫斷面圖Fig.1 Cross section of original subgrade

圖2 路堤墻基礎(chǔ)和路堤墻伸縮縫變形Fig.2 Foundation of embankment wall and deformation of expansion joint of embankment wall

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

本路段屬構(gòu)造剝蝕低中山溝谷地貌，最大標(biāo)高1 787.91 m，最低標(biāo)高 1 762.41 m，相對(duì)高差約25.50 m，植被為灌木、耕地。

2.2 地層巖性與巖土構(gòu)成

（1）覆蓋層

第四系殘坡積層（Q4el+dl）粉質(zhì)黏土：磚紅色、紅褐色，可塑至硬塑狀，表層50 mm為根植土。鉆探揭露厚0～3.4 m，分布于路基右側(cè)斜坡，普土Ⅱ級(jí)。

塊碎石土夾黏土（Q4el+dl）：灰色、深灰色、紫紅色，結(jié)構(gòu)松散至稍密，塊石成分為風(fēng)化玄武巖，粒徑2～20 cm，呈棱角狀、次棱角狀，局部偶有大塊石，碎石含量約60%～80%，厚4.6～11.0 m，分布于路基左下方及填方底部，硬土Ⅲ級(jí)。

回填土（Q4me）：紫紅色、灰色，結(jié)構(gòu)松散至稍密，分布于填方斜坡，硬土Ⅲ級(jí)。

（2）基巖

填方下伏基巖為二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組第三段（P2β3）玄武巖，按風(fēng)化程度分強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化兩層。

強(qiáng)風(fēng)化玄武巖：深灰色、灰黑色，碎裂結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體極破碎，巖質(zhì)極軟，巖芯呈砂狀、碎塊狀。鉆探揭露厚2.90～4.60 m，屬軟石Ⅳ級(jí)。

中風(fēng)化玄武巖：深灰色，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體完整，較硬巖，巖芯呈短柱狀、柱狀，屬次堅(jiān)石Ⅴ級(jí)。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

填方區(qū)位無斷層通過，地層穩(wěn)定，巖性單一。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》，工程區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為 0.40 s，根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》，工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度等于0.05 g。

2.4 水文地質(zhì)條件

（1）地表水

填方區(qū)地表水較發(fā)育，受大氣降水影響，雨季有水，勘察期間未見地表水。

（2）地下水

地下水受地層巖性、構(gòu)造控制，填方區(qū)地下水賦存條件簡(jiǎn)單。地下水主要為第四系孔隙水及基巖裂隙水，主要受大氣降水補(bǔ)給，局部受地表水補(bǔ)給，鉆探未見地下水，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

（3）水質(zhì)

根據(jù)地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)可知：水對(duì)基礎(chǔ)混凝土及混凝土中的鋼筋具微腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性；土對(duì)基礎(chǔ)混凝土及混凝土中的鋼筋具微腐蝕性。

2.5 不良地質(zhì)作用

根據(jù)地表地質(zhì)調(diào)查及鉆孔巖芯觀察，工程區(qū)原始地形地貌保持較好，工程區(qū)未發(fā)現(xiàn)滑坡、泥石流、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

3 治理方案

該工點(diǎn)2-2和4-4斷面如圖3所示。

圖3 地質(zhì)斷面圖Fig.3 Geological section

在K9+204～K9+302段路基左側(cè)路堤墻底部外側(cè)3 m處設(shè)置26根抗滑樁，抗滑樁為直徑為2.0 m的圓樁，樁心距4.5 m，1～6號(hào)樁長(zhǎng)18 m，7～16號(hào)樁長(zhǎng)20 m，17～22號(hào)樁長(zhǎng)22 m，23～26號(hào)樁長(zhǎng)20 m。1～11號(hào)樁后澆筑C20混凝土，12～26號(hào)樁后設(shè)置3 m擋土板，樁頂設(shè)置1 m厚系梁，板后干碼片石反壓回填至擋墻外側(cè)。治理方案平面布置見圖4，治理后工程斷面圖見圖5。

圖4 抗滑樁平面布置圖Fig.4 Anti-slide pile layout

圖5 工程治理斷面圖Fig.5 Engineering treatment section

4 理論計(jì)算

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015），設(shè)置于不良土質(zhì)地基、覆蓋土層下為傾斜基巖地基及斜坡上的擋土墻，應(yīng)對(duì)擋土墻地基及填土的整體穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。經(jīng)工程地質(zhì)勘測(cè)及土工試驗(yàn)分析得到巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

通過理正巖土軟件，將擋土墻地基及填土劃分為不同的區(qū)域，如圖6所示，再應(yīng)用簡(jiǎn)化Bishop法及簡(jiǎn)布法對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析?？够瑯对O(shè)置后，應(yīng)用整體圓弧法對(duì)其進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析。計(jì)算結(jié)果見表2。

圖6 土層區(qū)域劃分圖Fig.6 Regional division of soil layer

表2 不同分析方法的整體穩(wěn)定性系數(shù)Table 2 Global stability coefficient of different analysis methods

5 數(shù)值分析

5.1 模型建立

選擇其中典型的一斷面建立模型，原剖面選擇非降雨工況進(jìn)行計(jì)算，支護(hù)后對(duì)參數(shù)進(jìn)行折減模擬暴雨工況進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)力場(chǎng)只有自重應(yīng)力場(chǎng)。其中第一層為塊石土，中間層為強(qiáng)風(fēng)化玄武巖，最下層為風(fēng)化玄武巖。模型的巖土力學(xué)參數(shù)取值根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和勘察報(bào)告最終確定，底部全約束，兩側(cè)邊界約束方向約束。初始模型與抗滑樁支護(hù)后模型見圖7、圖8。

圖7 初始剖面有限元模型Fig.7 Initial section of finite element model

圖8 抗滑樁支護(hù)后有限元模型Fig.8 Section of finite element model after anti slide pile supported

5.2 計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算得出邊坡在自然工況下安全系數(shù)為1.043，按照規(guī)范[8]屬于欠穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)位移云圖最大位移約為40 cm，位于擋墻上部，由于擋墻的作用未形成貫通性滑裂面，加固前邊坡速度矢量如圖9中紅色箭頭部分所示，部分土體發(fā)生越頂破壞、擋墻被土體擠壓向臨空面移動(dòng)。設(shè)置抗滑樁和堆載反壓加固后的安全系數(shù)為 1.289，且樁頂最大位移約為1 cm，模型最大位移在坡體表面約3 cm，對(duì)邊坡穩(wěn)定性沒有影響，滿足設(shè)計(jì)要求如圖10。

圖9 原擋土墻支護(hù)自然工況位移與度矢量云圖Fig.9 Displacement and inclination degree vector nephogram of original retaining wall in natural condition

圖10 設(shè)置抗滑樁加固后的安全系數(shù)與總位移云圖Fig.10 Safety factor and total displacement nephogram after anti-slide pile reinforcement being constructed

6 結(jié) 論

（1）針對(duì)斜路堤擋土墻邊坡失穩(wěn)問題，本文依托貴州省某山區(qū)二級(jí)公路路堤工程，開展了理論與數(shù)值研究。研究發(fā)現(xiàn)擋墻較高墻厚填土較厚雨季土體吸水飽和，物理力學(xué)參數(shù)降低，墻背土壓力增大，造成擋墻的橫向變形。另外墻身較高，自重較大，路堤墻基礎(chǔ)不均勻沉降引起墻身開裂。

（2）理論與數(shù)值分析表明：斜路堤擋土墻在飽水狀態(tài)下，安全系數(shù)在1.0～1.05之間，屬欠穩(wěn)定狀態(tài)；通過設(shè)置26根抗滑樁，樁后設(shè)置3 m擋土板，暴雨工況下安全系數(shù)達(dá)到了 1.289，且樁頂最大位移得出為1 cm，坡體最大位移約為3 cm，可有效處治斜路堤擋土墻失穩(wěn)問題。