山區(qū)高速公路高填方路基設(shè)計(jì)探討

易毅 聶科琴

（湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430071）

某山區(qū)高速公路起訖樁號(hào)k21+540～k21+917段右側(cè)填方，邊坡放坡分三級(jí)確定，各級(jí)邊坡高度8.5m，坡率1:1.5～1:3.0，高填方邊坡填土高度最大達(dá)22.07m。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，該公路高填方路段鉆探揭露深度以內(nèi)的發(fā)育地層包括：殘坡積層含碎石粉質(zhì)黏土層、殘坡積層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、殘坡積層碎石土層、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖夾炭質(zhì)泥巖層和中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖夾炭質(zhì)泥巖層。

一、高填方邊坡技術(shù)難點(diǎn)

1.該高速公路填方邊坡位于煤系地層的填方體，遇強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖夾炭質(zhì)泥巖地層后，巖體破碎率增大，抗剪強(qiáng)度降低，并容易導(dǎo)致高填方路基失穩(wěn)而沿強(qiáng)風(fēng)化地層滑動(dòng)；

2.該高速公路高填方邊坡底部軟弱土層發(fā)育，其表層可塑狀碎石粉質(zhì)黏土層厚度在4m～12m之間，下層軟塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚度在3m～8.5m范圍內(nèi)，土體分布極不均勻，且因地下水發(fā)育而局部存在飽水狀土體。高填方路基填筑后基底沉降很難符合相關(guān)規(guī)范要求，且路基沿基底軟弱土層發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)破壞的可能性較大。軟土路基下伏碎石土層，且因地下水發(fā)育而長(zhǎng)期處于飽水狀態(tài)，高填方處理后容易導(dǎo)致邊坡沿軟弱土層發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)。

二、高填方路基設(shè)計(jì)

（一）高填方設(shè)計(jì)

1.排水設(shè)計(jì)。首先，排水設(shè)計(jì)應(yīng)通過(guò)填平并在山體低洼位置開溝排出的方式處理公路沿線左側(cè)的匯水，防止其滲入路基，然后在公路右側(cè)原沖溝處增設(shè)滲溝，加速地表水的排出。其次，應(yīng)加強(qiáng)后期雨水處理，在邊坡處增加骨架防護(hù)，并硬化處理分級(jí)設(shè)置的邊坡平臺(tái)，在反壓平臺(tái)側(cè)面及填方邊坡和山體交接位置增設(shè)梯形排水溝，并與原沖溝相連，有效攔截山體排水。

公路沖溝填筑應(yīng)依據(jù)公路高填方路段地形進(jìn)行。路基填方以下存在的山體有利于路基穩(wěn)定，但填方左側(cè)會(huì)懸空，考慮到高填方路段路基的穩(wěn)定性，應(yīng)在邊坡高程550m且順沖溝向的位置增設(shè)坡度2%、寬100m的龜背形反壓平臺(tái)，并按照正常填筑坡比進(jìn)行平臺(tái)上方路基放坡，兩級(jí)坡率分別為1:1.5和1:1.75，在平臺(tái)下填筑70m高度，1級(jí)～4級(jí)及4級(jí)以下填方坡比分別為1:2和1:3，并將高6m的漿砌片石擋墻設(shè)置在填方坡腳。

2.基底處置。在填方路段邊坡施工開始前必須徹底清除施工范圍內(nèi)的植物根系和草皮，并將植物根系挖除后產(chǎn)生的坑穴填平夯實(shí)；對(duì)于坡度較大的地面，應(yīng)先開挖成高度0.3m～0.5m、寬度至少2m的臺(tái)階，并將臺(tái)階頂面設(shè)置為2%～4%的斜坡。用推土機(jī)將清表后的原地面整平處理，以形成便于排水的坡路拱。完成后，使用20t光輪壓路機(jī)碾壓3遍～4遍，并對(duì)可能出現(xiàn)的彈簧現(xiàn)象人工翻挖，均勻摻拌石灰后二次碾壓至設(shè)計(jì)壓實(shí)度。

（二）路基穩(wěn)定性計(jì)算

高填方路基設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于保持路基的穩(wěn)定性，具體包括沿斜坡地基的整體穩(wěn)定和路堤堤身穩(wěn)定兩個(gè)方面。該工程高填方軟土路基破壞形式主要表現(xiàn)為圓弧形滑動(dòng)，高填方路基的穩(wěn)定性系數(shù)應(yīng)按式（1）計(jì)算:

式中:K0為高填方路基的穩(wěn)定性系數(shù)；ΣN為滑動(dòng)面上所作用的總法向力；ΣT為滑動(dòng)面上所作用的總滑動(dòng)力；ΣR為反傾覆抗滑部分的總阻滑力；Σcl為滑動(dòng)面各段黏結(jié)力和滑動(dòng)面長(zhǎng)度乘積的總阻力；為滑動(dòng)面巖土內(nèi)摩擦角。

應(yīng)用Rocscience-Slide對(duì)該公路處理前高填方邊坡的穩(wěn)定性驗(yàn)算，并量化計(jì)算最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的判斷及其邊坡安全系數(shù)（均根據(jù)地勘實(shí)驗(yàn)資料和經(jīng)驗(yàn)校核數(shù)據(jù)進(jìn)行模型內(nèi)巖土層基本物理力學(xué)參數(shù)的確定），具體如表1所示。

表1 型內(nèi)巖土層基本物理力學(xué)參數(shù)

表1 型內(nèi)巖土層基本物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)處理前的公路高填方邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果，路基整體穩(wěn)定性系數(shù)取1.112<1.3。所以，該公路高填方邊坡潛在滑動(dòng)面最危險(xiǎn)處位于軟弱土層底部，必須采取有效措施確保高填方整體穩(wěn)定性。

（三）邊坡設(shè)計(jì)

為提升公路高填方路基邊坡整體穩(wěn)定性，應(yīng)在充分考慮軟弱土層厚度的基礎(chǔ)上清淤處理底部軟弱土層，挖除后采用強(qiáng)透水性的填料回填。底部軟土強(qiáng)夯置換處理，以提升地基土抗剪強(qiáng)度值和基底抗滑系數(shù)，所使用的強(qiáng)夯錘夯徑3.0m，錘重20t，落距15.0m，夯擊點(diǎn)距離6.0m，結(jié)合相關(guān)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)夯夯擊加固深度能達(dá)7.0m～8.0m。將反壓護(hù)道設(shè)置在填方邊坡坡腳處，護(hù)道寬15.0m，護(hù)道邊坡坡率1∶3，填料選用硬質(zhì)開山石。

為加強(qiáng)地下水排水，還應(yīng)在強(qiáng)夯置換層頂增設(shè)盲溝，防止地下水沖刷和浸泡路基。填方邊坡放坡坡率控制在1∶1.5～1∶2.0范圍內(nèi)，并通過(guò)分層強(qiáng)夯填筑路基，控制可能發(fā)生的沉降變形，確保路基整體穩(wěn)定性。

三、穩(wěn)定性驗(yàn)算及沉降計(jì)算

（一）高填方路基土穩(wěn)定性驗(yàn)算

該公路高填方路基土加固采用強(qiáng)夯置換法，并按照復(fù)合地基抗剪穩(wěn)定安全系數(shù)確定抗剪強(qiáng)度，具體如式（2）（3）所示：

式中：Tps為復(fù)合地基抗剪穩(wěn)定安全系數(shù)；n為樁對(duì)土的置換率；Tp為粒料樁抗剪強(qiáng)度，取37.1kPa；Ts為地基土抗剪強(qiáng)度，取25.8kPa；D為樁徑；B為樁間距。

由計(jì)算可知，該工程復(fù)合地基滑動(dòng)面巖土內(nèi)摩擦角 取10.8°，由Rocscience-Slide軟件所得出的加固處理后的高填方路基整體穩(wěn)定安全系數(shù)K0驗(yàn)算值取1.396>1.3，符合規(guī)范要求。

（二）高填方路基土沉降計(jì)算

按照高速公路高填方路基設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合該工程實(shí)測(cè)資料，在軟土路基總沉降量中，路堤填土壓實(shí)沉降占比不超過(guò)0.5%，且這一比例的沉降大多發(fā)生在路堤竣工后1年左右，所以高填方路基土沉降控制主要指工后沉降。該工程采用分層總和法計(jì)算強(qiáng)夯置換碎石墩復(fù)合地基沉降量，如式（4）（5）所示：

式中：S為強(qiáng)夯置換碎石墩復(fù)合地基工后沉降量；△Pi為附加于第i層復(fù)合地基土上的應(yīng)力增量；Esp為復(fù)合土層壓縮模量；Hi為第層復(fù)合地基土厚度；Ep為強(qiáng)夯置換碎石墩墩體壓縮模量；Es為強(qiáng)夯置換碎石墩墩體間土體壓縮模量，按照工程所在地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值取值，如無(wú)經(jīng)驗(yàn)值，則取天然地基壓縮模量值。

將該高速公路高填方路基經(jīng)驗(yàn)取值代入式（4）和（5）可得Esp為5.3MPa，根據(jù)此值可估算出公路高填方路基工后沉降S為75.5mm<300mm，符合規(guī)范要求。

四、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)該公路設(shè)計(jì)實(shí)踐表明，山區(qū)高速公路高填方路基穩(wěn)定性主要受填方高度、地質(zhì)條件、地形地勢(shì)、地下水等因素的影響和制約，對(duì)高填方軟土路基進(jìn)行強(qiáng)夯置換加固處理完全可行，且加固后的邊坡穩(wěn)定性和路基沉降均符合規(guī)范要求。