高原凍土地區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性及加固施工技術(shù)

苗祥達，陳澤盟，王豪，李文杰，梁斌*

(1.中交二公局第四工程有限公司，河南 洛陽 471013；2.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院)

1 前言

在內(nèi)陸公路路基施工中常出現(xiàn)的邊坡問題一般包括路塹邊坡失穩(wěn)或高邊坡失穩(wěn)，造成這些問題的原因多為土質(zhì)松散、邊坡加固措施不足等。但是在西藏等偏遠西部山區(qū)，地處高海拔寒區(qū)，老舊公路不僅出現(xiàn)上述問題，還會經(jīng)歷每年季節(jié)變換、氣溫變化引起的路基邊坡溫度場發(fā)生改變，造成土體內(nèi)部水土流失、水相變化引起的凍土凍融循環(huán)現(xiàn)象。由于凍土凍融循環(huán)致使原本施工完成的路基邊坡土層、防護結(jié)構(gòu)層內(nèi)材料參數(shù)發(fā)生改變，將直接影響公路使用安全，降低公路使用年限，增加行車安全隱患等。因此，有必要對高原凍土地區(qū)公路邊坡穩(wěn)定性及加固施工技術(shù)進行研究。

針對凍土地區(qū)公路路基、邊坡等穩(wěn)定性問題多采用理論、數(shù)值模擬與實際工程等相結(jié)合的方法進行研究。文獻[18]為了研究凍融循環(huán)引起膨脹土力學(xué)特性的衰減規(guī)律，針對南水北調(diào)中線的渠道邊坡膨脹土試樣進行0～8次的凍融循環(huán)處理，然后對土樣開展三軸固結(jié)排水剪切試驗，對土體凍融劣化效應(yīng)進行了定量評價。結(jié)果表明：不同凍融循環(huán)次數(shù)下膨脹土的三軸剪切強度與圍壓保持線性正相關(guān)關(guān)系；根據(jù)摩爾庫侖準則計算了土體的強度指標，對數(shù)函數(shù)可以對強度指標和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系進行有效擬合；根據(jù)試驗結(jié)果提出一個考慮凍融循環(huán)次數(shù)的強度表達式，由此預(yù)測了膨脹土在多次凍融循環(huán)后的強度指標；文獻[19]考慮溫度影響凍土的力學(xué)性能，對邊坡的穩(wěn)定性影響較大，提出臨界滑動面搜索算法，改進邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算中的矩心解法。結(jié)果表明：解凍土達到最深處的第10個月，凍土路基的最小穩(wěn)定系數(shù)沒有出現(xiàn)，而是在暖季初期出現(xiàn)，形成了融化塌陷現(xiàn)象；文獻[20]以公路邊坡工程模型試驗為背景設(shè)計加筋土擋墻試驗及加載裝置，模擬施加在路堤邊坡?lián)鯄ι系牟煌奢d。采用理論分析方法計算得出加筋帶面積，通過試驗確定極限荷載大小，應(yīng)用FLAC3D進行數(shù)值模擬和優(yōu)化分析，得到路堤邊坡加筋土擋墻優(yōu)化設(shè)計方案。目前中國大部分研究主要針對高原地區(qū)路基邊坡穩(wěn)定性進行分析討論，而針對高原凍土區(qū)公路邊坡加固措施在經(jīng)歷凍融循環(huán)前后力學(xué)變化規(guī)律及相關(guān)邊坡加固措施施工技術(shù)研究相對較少。

該文以西藏羊八井至大竹卡公路改建項目K23+110～K23+317標段為依托，針對公路邊坡凍融、水毀坍塌等病害進行力學(xué)機理分析。利用Midas-GTS NX軟件建立4種公路邊坡摩爾-庫侖力學(xué)模型，根據(jù)模型模擬數(shù)據(jù)針對凍土環(huán)境下公路邊坡力學(xué)、位移等穩(wěn)定性發(fā)生變化進行分析對比；在保證施工質(zhì)量和施工安全、工期的前提下，進行邊坡加固施工方案優(yōu)化，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，進而指導(dǎo)路基邊坡施工。

2 工程概況

羊大公路改建項目起于拉薩市羊八井鎮(zhèn)，與國道109相接，在羊八井鎮(zhèn)下穿青藏鐵路并向西南經(jīng)過拉薩市當(dāng)雄縣，在K93+529處過界進入日客則市。項目起止樁號為K0+000～K94+000，全長94 km，整體式路基寬7.5 m，路面寬度6.5 m，設(shè)計速度30 km/h，設(shè)計高程4 500～5 500 m。

由于羊大公路改建項目海拔處于4 500～5 500 m，斜坡為松散堆積體，易產(chǎn)生泥石流、凍害、路基沉陷等不良地質(zhì)病害集中地段。根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境，改建前路基邊坡并未進行加固，多產(chǎn)生泥石流、涎流冰等地質(zhì)災(zāi)害，加之地處季節(jié)性凍土與多年凍土共存地段，土層力學(xué)性質(zhì)變化較為復(fù)雜。在進行公路改建時需進行邊坡加固，并因地制宜進行邊坡施工優(yōu)化，從而降低復(fù)雜地質(zhì)條件對公路后期使用的不利影響。

3 有限元模型建立

為分析高原凍土公路邊坡凍融力學(xué)特性及施工技術(shù)問題，運用有限元軟件Midas-GTS NX建立K23+110～K23+317標段路基邊坡加固措施結(jié)構(gòu)三維力學(xué)模型，分別為：公路改建前凍融循環(huán)前力學(xué)模型、公路改建前凍融循環(huán)后力學(xué)模型、公路改建后凍融循環(huán)前力學(xué)模型、公路改建后凍融循環(huán)后力學(xué)模型。邊界選取至路基邊坡影響最小處，X軸長度選為路基基層寬度3倍，Z軸高度選為路基回填高度的3倍。根據(jù)現(xiàn)場施工圖紙建議基層邊坡坡比為1∶1.5，在整體結(jié)構(gòu)中取其上下、左右4個面均為非自由面，施加位移約束。

以羊大公路改建工程K23+110～K23+317標段內(nèi)土層主要由砂礫層與黏土層組合而成，區(qū)內(nèi)河流大多呈臺階狀，斜坡分布。根據(jù)地質(zhì)勘察報告并參考JTG/T D31-04—2012《多年凍土地區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》，巖土參數(shù)見表1。

表1 巖土參數(shù)

4 計算結(jié)果與分析

由于該項目公路所處地區(qū)為高海拔寒區(qū)，每年路基、邊坡等結(jié)構(gòu)層都要經(jīng)歷多次凍融現(xiàn)象，土層力學(xué)參數(shù)改變將直接影響公路使用年限等，通過建立4種公路邊坡模型，分析高原凍土路基邊坡加固工程在經(jīng)歷凍融循環(huán)后發(fā)生的力學(xué)性能變化，并為多年凍土區(qū)公路邊坡加固施工方案選擇提供參考。

4.1 豎向應(yīng)力

根據(jù)路基邊坡有限元模型模擬得到表2凍融循環(huán)前后路基邊坡3個結(jié)構(gòu)點應(yīng)力值。由表2可以看出：① 在增加邊坡加固措施后模擬3個結(jié)構(gòu)點的豎向應(yīng)力值均比無加固措施時小，表明進行路基邊坡加固更能有效降低凍融循環(huán)對路基邊坡等的影響；② 公路改建后增設(shè)路基加固措施，擋土墻、路肩墻等可以有效降低凍融循環(huán)后豎向應(yīng)力增長率，路肩墻坡腳從19.362%增長率降至17.773%、擋土墻頂從30.826%降至4.386%、擋土墻底從27.356%降至18.788%，側(cè)面印證了邊坡加固措施的有效性。在增加邊坡加固措施后，經(jīng)歷凍融循環(huán)后的邊坡坡腳和擋土墻的豎向應(yīng)力變化率較大，會直接產(chǎn)生豎向沉降，造成擋土墻下沉、邊坡發(fā)生滑塌等事故，需要施工時嚴格控制其施工質(zhì)量，保證施工、使用安全。

表2 豎向應(yīng)力變化

4.2 水平應(yīng)力

表3為邊坡路肩墻水平應(yīng)力值。由表3可以看出：① 在增加邊坡加固措施后路肩墻頂部和底部水平應(yīng)力增大，路肩墻起到圍擋作用，用以抵擋路基產(chǎn)生的水平作用力。在經(jīng)歷凍融循環(huán)后路肩墻坡頂水平應(yīng)力增加23.88%、坡底增加7.54%，相較改建之前未增設(shè)路肩墻時該結(jié)構(gòu)點坡頂水平應(yīng)力增加42.77%、坡底增加24.84%有了很大改善，進一步表明設(shè)立路肩墻對降低土層凍融循環(huán)后的影響是有效的；② 擋土墻頂水平應(yīng)力值發(fā)生較大變化，在無加固措施并且未經(jīng)歷凍融循環(huán)時擋土墻頂結(jié)構(gòu)點水平應(yīng)力值為337.615 kPa，經(jīng)歷凍融循環(huán)后增加32.91%至448.74 kPa，水平應(yīng)力絕對值較大，對該結(jié)構(gòu)點產(chǎn)生水平推力，易發(fā)生邊坡滑坡等安全事故。在增設(shè)擋土墻后水平應(yīng)力值有效降低，并且經(jīng)歷凍融循環(huán)后水平應(yīng)力值只增加5.97%，表明擋土墻不僅起到了對路基高邊坡的支護圍擋作用，而且在凍融循環(huán)后可有效阻止水平應(yīng)力值發(fā)生較大改變。

表3 水平應(yīng)力變化

4.3 豎向沉降

通過公路邊坡模型得到圖1、2擋土墻頂部和底部的沉降模擬值，相較未增設(shè)路基邊坡加固措施得到的模擬沉降值分別降低16.82、21.736 mm，同時在增加擋土墻后邊坡經(jīng)歷多次凍融循環(huán)更快趨于穩(wěn)定，側(cè)面印證擋土墻對路基高邊坡加固、支擋起到有效的作用。圖3為路肩墻坡腳沉降值折線圖。由圖3可以看出：在經(jīng)歷凍融循環(huán)15次后，邊坡坡腳處無增設(shè)路肩墻時沉降持續(xù)增加，并未出現(xiàn)穩(wěn)定趨勢，但是在增設(shè)路肩墻后得到模擬值從25.4 mm降低至12.5 mm，降低了50.79%，效果顯著。

圖1 擋土墻頂沉降值

圖2 擋土墻底沉降值

圖3 路肩墻坡腳沉降值

4.4 水平位移

由模型計算得到路肩坡頂、坡腳、擋土墻頂有無加固措施時水平位移值如圖4～6所示。

圖4 路肩墻坡頂水平位移值

圖5 路肩墻坡腳水平位移值

圖6 擋土墻頂水平位移值

由圖4～6可以看出：在增設(shè)邊坡加固結(jié)構(gòu)層后路基水平位移出現(xiàn)較大變化。無加固措施時水平位移值逐漸增加，雖有趨于穩(wěn)定的趨勢但是在模擬15次凍融循環(huán)后路肩墻坡頂水平位移值增加至108.02 mm，坡底增加至100.68 mm，擋土墻坡頂水平位移值增加至122.54 mm。水平位移值出現(xiàn)較大變化，高邊坡處易產(chǎn)生滑塌等安全事故，同時由于水平位移的影響，路基產(chǎn)生塌陷等路面下沉現(xiàn)象。在增設(shè)邊坡加固措施后水平位移均降低至20 mm以下，效果明顯且在施工安全范圍內(nèi)。同時在模擬凍融循環(huán)后水平位移從4.7 mm變化到19.61 mm，變化趨勢不大且一直趨于穩(wěn)定。

5 加固施工措施

根據(jù)有限元邊坡模型在進行凍土凍融循環(huán)后得到的模擬內(nèi)力、位移變化結(jié)果分析比較，證明在高原凍土區(qū)公路路基邊坡增設(shè)邊坡加固措施可以有效降低因凍土凍融循環(huán)后內(nèi)力變化而引起的路基邊坡水平、豎直位移。所以針對以上數(shù)值模擬分析后，再進行因地制宜的路基邊坡施工優(yōu)化，更能有效地實施路基邊坡加固施工，增加改建公路的安全性，提高公路的使用年限，提高施工效率等。

5.1 片石混凝土擋土墻

針對高邊坡路段設(shè)置片石混凝土擋土墻在條基施工完畢后布置土工格柵可以使擋土墻整體穩(wěn)定性提高，可以有效降低邊坡土石滑動對路基的影響，減少土層因凍融循環(huán)后邊坡穩(wěn)定性降低對路基路面的影響。

5.2 漿砌片石路肩墻

路肩處因路基土層在經(jīng)歷凍融循環(huán)后易產(chǎn)生順坡面的水平位移和豎向沉降，進而造成路面塌陷等施工事故，施工時因地制宜采用漿砌片石路肩墻以減小路基土層不同程度的位移和沉降，同時在路肩墻施工時鋪設(shè)土工格柵使其整體性提高，有效降低土層凍融力學(xué)變化對公路路面使用安全的影響。

5.3 聚冰坑

由于該工程所處地段地下水流動活躍，在冬季易產(chǎn)生涎流冰等自然災(zāi)害，存在路面行車安全隱患等，可以采用聚冰坑針對涎流冰較多的地段加以解決。聚冰池在涎流冰量較小時可以有效續(xù)冰；涎流冰量較大時多采用擋土墻與聚冰池相結(jié)合的方法降低其對路面的影響。

6 檢測結(jié)果對比與實施效果

根據(jù)項目凍融循環(huán)時檢測報告得到土層凍融深度與改建增加路基邊坡加固措施后的有限元模型進行對比可以看出，模擬值與檢測值變化趨勢相似(圖7)，同時結(jié)合項目施工現(xiàn)場邊坡加固措施的實施，證明有限元模型的可行性。通過該文4種有限元模型的分析比較，證明在高原寒區(qū)凍土土層進行路基改建施工必須進行路面邊坡加固措施施工，并且因為地質(zhì)條件等的不同，需要因地制宜選擇合適該地區(qū)的施工方案，在保證施工質(zhì)量的前提下進行施工優(yōu)化，以達到提高施工效率，節(jié)省施工經(jīng)費，縮短施工工期等效果。

圖7 模擬值與檢測值對比

7 結(jié)論

(1)對比4種路基邊坡有限元模型可知，相對無邊坡支護時在經(jīng)歷凍融循環(huán)后邊坡加固措施結(jié)構(gòu)點豎向應(yīng)力值均降低；水平應(yīng)力值在擋土墻頂降低，路肩墻處應(yīng)力值增大率小于無邊坡支護時，進一步表明路肩墻對降低凍融循環(huán)后路基邊坡水平應(yīng)力有效可行。

(2)運用有限元軟件模擬改建前后公路路基邊坡凍融循環(huán)前后位移值，通過對比分析證明擋土墻可以有效降低豎向位移值和水平位移值；增加路肩墻后豎向沉降降低50.79%，水平位移變化值更快趨于穩(wěn)定且均降低至20 mm以下。

(3)根據(jù)模擬值與實際檢測值對比印證了該文方法的可行性，比較4種路基邊坡有限元模型計算結(jié)果可以看出在改建后增設(shè)邊坡加固措施可以有效降低凍土凍融后的力學(xué)影響。同時因地制宜根據(jù)模型對比優(yōu)化改建公路邊坡加固措施的施工步驟，在保證施工質(zhì)量的前提下提高施工效率。