陡坡及高填路堤穩(wěn)定性分析計(jì)算及設(shè)計(jì)

劉毅

（上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200030）

1 工程背景

擬建工程位于廣西壯族自治區(qū)欽州市，工程范圍內(nèi)地貌特征主要為剝蝕微丘、田地、蝦塘等單元，局部剝蝕微丘被采石開挖，形成深約14 m的采石坑。

道路設(shè)計(jì)中不可避免的遇到這些采石坑，形成陡坡、高填路基，這些路基的穩(wěn)定、路基沿基底斜坡滑動(dòng)的穩(wěn)定性是亟待解決的問題?？偨Y(jié)以往類似高填、陡坡路堤的斷面、路基填料、結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，定性分析判定路基的穩(wěn)定性、尋求經(jīng)濟(jì)合理的定量設(shè)計(jì)思路是非常有必要的，并為以后類似工程提供借鑒。

1.1 場(chǎng)地條件

本工程位于欽州市濱海新城沙井島片區(qū)，道路等級(jí)為城市主干路，局部路段道路路基遇采石坑，長(zhǎng)約60 m，受規(guī)劃線位控制，道路平面線形無法避讓采石坑，半幅道路位于采石坑范圍。該處采石坑底高程約為-16.0 m（85國(guó)家高程，下同）左右，道路設(shè)計(jì)高程約為4.8 m左右，故路基邊坡最大高度約為20.8 m。采石坑邊緣距坑底距離約為30 m，高度為16.7 m，原地面線邊坡平均坡率為1∶1.8，最大坡率處接近 1∶0.85。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》3.6，該段路基屬于高邊坡及陡坡路堤，須進(jìn)行路堤穩(wěn)定性驗(yàn)算，見圖1。

圖1 采石坑處剖面簡(jiǎn)面（單位：m）

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，該采石坑由于是人工開挖，地質(zhì)剖面明顯，由上至下依次分布為：表面為厚度0.20～3.70 m填土層，為人工筑堤形成產(chǎn)物，下臥厚度1.10～3.40 m的強(qiáng)風(fēng)化基巖。層下為風(fēng)化砂巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯多呈碎塊和短柱狀，巖石堅(jiān)硬。地下水為裂隙水，裂隙為泥質(zhì)充填，透水性弱。地下水與地表水相連通，水位受養(yǎng)殖和潮水漲落周期性影響。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，各土層主要物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

1.3 地震

該地區(qū)地質(zhì)巖層連續(xù)性較好，構(gòu)造簡(jiǎn)單，工程區(qū)抗震設(shè)防烈度6度，中風(fēng)化巖剪切波速經(jīng)驗(yàn)值為500 m/s，屬堅(jiān)硬土層；建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，屬抗震一般地段。工程抗震按7度設(shè)防。

2 高填陡坡路堤危害及原因分析

高填陡坡路堤常見病害有路基不均勻沉降導(dǎo)致的縱橫向開裂、路基滑動(dòng)導(dǎo)致的工程滑坡或邊坡坍塌等。

針對(duì)前述工程現(xiàn)狀，本工程路基底無軟弱滑動(dòng)面，故可能的路堤病害發(fā)生主要原因有以下幾點(diǎn)：

（1）高填土路堤填土壓實(shí)不足或路基填料為不良土質(zhì)時(shí)，因路堤存在空隙，在雨水及行車荷載的作用下產(chǎn)生豎向壓縮變形，路堤失穩(wěn)破壞。

（2）路堤邊坡潛在的滑動(dòng)面在雨水滲流或沖刷的作用下，存在滑動(dòng)的趨勢(shì)，從而引起路堤的側(cè)向位移或沉降。

（3）陡坡路基處于半填半挖地段，差異沉降造成路面裂縫或變形。

（4）斜坡路基填料選擇不當(dāng)和路基邊緣壓實(shí)度不夠,邊坡對(duì)季節(jié)性較為敏感。當(dāng)坡面未封閉處理，雨季邊坡水滲透，常在距路基邊緣1.0～2.5 m范圍內(nèi)的填方邊坡上發(fā)生縱向裂縫。

表1 巖土層的主要物理力學(xué)參數(shù)推薦取值表

（5）高邊坡路堤坡腳防護(hù)與加固不妥，導(dǎo)致坡腳處抗力不足導(dǎo)致的路基下滑，致使路基沉降開裂；

（6）路基排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不完善導(dǎo)致的路基范圍內(nèi)排水不良會(huì)引起路基填土含水量大、土質(zhì)松軟、強(qiáng)度降低、邊坡坍塌、堤身沉陷或滑動(dòng)。

3 高填陡坡路堤穩(wěn)定性分析

3.1 軟件初步分析

針對(duì)路堤邊坡較高且位于陡坡上的實(shí)際情況，如何選擇安全合理的路基斷面及結(jié)構(gòu)形式，是本段路基設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

鑒于路堤基底為中風(fēng)化巖層，承載力高，路堤填筑施工過程中穩(wěn)定性好，完工后的路堤斷面在路堤自重及行車荷載作用下屬最不利工況，故本文僅對(duì)運(yùn)營(yíng)期的路堤穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3.2 經(jīng)典方法驗(yàn)算分析

3.2.1 路堤整體穩(wěn)定性分析

（1）最不利滑動(dòng)面的確定

按前述路基邊坡建立模型，以邊坡坡腳處為坐標(biāo)軸0點(diǎn)，采用瑞典條分法計(jì)算整體最不利滑動(dòng)面，滑弧圓心位于X=13.143、Y=27.805處，滑動(dòng)圓弧半徑為27.805m?；瑒?dòng)面出口距離坡腳處高約1.84 m，求得安全系數(shù)為1.377，見圖2；采用簡(jiǎn)化Bishop法求得整體最不利滑動(dòng)面滑弧圓心位于X=8.3、Y=36.81處，滑弧半徑為 36.809 m，此時(shí)安全系數(shù)為1.434，見圖3。

圖2 條分法最不利滑動(dòng)面（單位：m）

圖3 簡(jiǎn)化Bishop法最不利滑動(dòng)面（單位：m）

（2）瑞典條分法檢算簡(jiǎn)化Bishop法

考慮到地基情況對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大影響，本次計(jì)算的非自然形成地質(zhì)情況，路堤直接填筑在中風(fēng)化巖上，地基平均固結(jié)度可按U=1考慮更加合理，即地基完全固結(jié)。

根據(jù)上述簡(jiǎn)化Bishop法求得的滑動(dòng)圓弧，按瑞典條分法計(jì)算求得的安全系數(shù)為1.42，小于簡(jiǎn)化Bishop法求得的安全系數(shù)1.434，且結(jié)果相近，與規(guī)范條文中說明中“簡(jiǎn)化Bishop計(jì)算結(jié)果比瑞典條分法平均大6.5%”相符合，證明計(jì)算結(jié)果合理。

（3）簡(jiǎn)化Bishop法檢算瑞典條分法

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2004）（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”），“路堤的堤身穩(wěn)定性、路堤和地基的整體穩(wěn)定性宜采用簡(jiǎn)化Bishop法進(jìn)行分析計(jì)算”，穩(wěn)定安全系數(shù)Fs計(jì)算公式如下：

當(dāng)土條i滑弧位于地基中時(shí)：

當(dāng)土條i滑弧位于路堤中時(shí)：

其中：

通過上述公式，對(duì)瑞典條分法確定的滑動(dòng)面進(jìn)行檢算，求得安全系數(shù)為1.485，較瑞典條分法安全系數(shù)大7.8%，符合規(guī)范要求，計(jì)算合理。

（4）安全系數(shù)分析

結(jié)合本工程特點(diǎn)，采用簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算時(shí)按固結(jié)度U=1考慮，采用兩種計(jì)算方法求得的最不利滑動(dòng)面的兩個(gè)安全系數(shù)與檢算過程中所取得的兩個(gè)個(gè)安全系數(shù)分別如下：

由瑞典條分法取得的 1.377、1.42與簡(jiǎn)化Bishop法取得的1.434、1.485，結(jié)果相近且最大相差7.8%，符合規(guī)范說明的6.5%左右，取得的安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的1.35，路堤堤身穩(wěn)定性滿足要求。

3.2.2 路堤沿斜坡地基滑動(dòng)穩(wěn)定性分析

地面橫坡都與1:2.5時(shí)，應(yīng)預(yù)防路堤沿地面陡坡下滑。下滑情況一般分為路堤沿基底接觸面及路堤連同基底下的山坡覆蓋層沿基巖面下滑兩種情況。本工程不存在地基覆蓋層，故僅需分析驗(yàn)算路堤沿基底接觸面滑動(dòng)的情況。

根據(jù)《規(guī)范》：路堤沿斜坡地基滑動(dòng)穩(wěn)定性分析采用不平衡推力法進(jìn)行分析計(jì)算，穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式如下：

經(jīng)計(jì)算，安全系數(shù)較大，分析原因主要是現(xiàn)狀地基為中風(fēng)化巖層、路堤基底摩阻力大、抗滑能力強(qiáng)；現(xiàn)狀地基坡線至路堤邊緣處已基本結(jié)束，路堤邊坡投影長(zhǎng)度范圍內(nèi)現(xiàn)狀坡線基本水平，故最后一塊滑體抗滑力較大，故路堤沿現(xiàn)狀斜坡地基不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)。

4 增強(qiáng)高填陡坡路堤穩(wěn)定性的措施

提高陡坡及高填方路堤的穩(wěn)定主要有以下幾種措施。一是改善基底狀況，增加滑動(dòng)面的摩擦力或減小下滑力；二是改變填料及斷面形式，如采用大顆粒填料活放緩坡腳處的邊坡以增加抗滑力；三是在坡腳處設(shè)置支擋構(gòu)筑物。

4.1 填料選擇

路基填料對(duì)路基的穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性作用，所以在工程施工之前須對(duì)路基填料做嚴(yán)格的試驗(yàn)，包括各種填土，土工材料等。在施工中路堤一般都是選用粗粒土級(jí)別較好的（如砂礫土）來做為填料的。

結(jié)合工程區(qū)域?yàn)榈蜕角鹆甑貐^(qū)，存在大量石方，可利用石方填筑坑底路堤，同時(shí)坑底無用地限制，可采用10～15 m的反壓護(hù)坡道平臺(tái)，對(duì)增強(qiáng)底部路堤穩(wěn)定性，減少沉降變形有利，并在填石路堤坡腳處設(shè)置塊石砌筑擋墻以收縮坡腳，穩(wěn)定路堤?？紤]原地面為巖層，可在原狀地面處采用挖臺(tái)階處理，以改善路堤的整體穩(wěn)定性。

4.2 路基填料c、φ值與安全系數(shù)的關(guān)系

根據(jù)對(duì)區(qū)域勘察情況及道路施工情況的調(diào)查分析，區(qū)域取土存在較大的差異。同時(shí)，路堤填料c、φ值對(duì)路堤穩(wěn)定性計(jì)算存在較大影響，為此，利用前述模型，分別調(diào)整c、φ值，以求解同一模型的安全系數(shù)（見表2），并對(duì)勘察報(bào)告中提供的填料性質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證，以明確路基填料c、φ值變化對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響關(guān)系，對(duì)施工期間的路基填料的選擇起指導(dǎo)作用。

通過計(jì)算求得的安全系數(shù)不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)內(nèi)摩擦角φ值不變的情況下，路堤的安全系數(shù)近似按8%的線性增大；當(dāng)粘聚力c不變的情況下，路堤的安全系數(shù)在內(nèi)摩擦角小于40°時(shí)，按約22%的線性增大，大于40°時(shí)，基本可認(rèn)為已屬于風(fēng)化巖，對(duì)線性關(guān)系的適應(yīng)性不是太適用，但從上述計(jì)算可以證明，路基填料的φ值相對(duì)于c值對(duì)安全系數(shù)的影響更大，故改善填料的內(nèi)摩擦角相對(duì)可以更好的達(dá)到提高路堤穩(wěn)定性的目的，這也與工程實(shí)際（如填石路堤較填土路基更加穩(wěn)定）相符合。

4.3 設(shè)置支擋構(gòu)筑物

路堤坡腳處設(shè)置支擋構(gòu)筑物如擋土墻及防滑鏟等。由于支擋構(gòu)筑物的設(shè)置將導(dǎo)致圓弧滑動(dòng)面向填方體或向地基深層移動(dòng)。向上移動(dòng)時(shí)，由于填方材料本身的抗剪強(qiáng)度參數(shù)一般大于地基，所以，穩(wěn)定系數(shù)必然較高；向下移動(dòng)時(shí)，本工程的地基為中風(fēng)化基巖，不存在軟弱土層，地基承載力好、抗剪強(qiáng)度高，抗滑力較大，穩(wěn)定系數(shù)相應(yīng)增大；少數(shù)情況下，滑動(dòng)圓弧面從防護(hù)設(shè)施位置通過，則由于構(gòu)筑物或防滑鏟的高抗剪強(qiáng)度，替換了原來的土，也使穩(wěn)定系數(shù)得到提高。如采用防滑鏟，宜采用透水性天然碎礫石材料，除起到坡腳置換作用外，還起到排水的作用，以保證填方坡腳的強(qiáng)度不因地下水的作用而下降。

表2 不同c、φ值下安全系數(shù)分布

4.4 其他措施

路基的穩(wěn)定性除路基自身填料、地基邊坡坡率以及地基土的特性外，與路基的填筑速度、路基的斷面形式、地基土的水文特性及固結(jié)度密切相關(guān)。上述部分影響因素中可通過技術(shù)手段進(jìn)行調(diào)整，在此基礎(chǔ)上，則需要設(shè)計(jì)人員對(duì)采取相應(yīng)技術(shù)措施以增強(qiáng)路基的穩(wěn)定性。

增強(qiáng)路堤穩(wěn)定性除上述措施外，還可以從以下方面進(jìn)行處治：如加強(qiáng)填方體與斜坡的銜接，改善基底狀況（陡坡處自然地面挖臺(tái)階處理）、完善排水、做好覆蓋層（土體或風(fēng)化巖體的處理）、降低填方高度、分層鋪設(shè)土工格柵、設(shè)置反壓護(hù)坡道等。

對(duì)于特殊路基，上述措施不能滿足的情況下，綜合工程投資，可采用抗滑樁等復(fù)合地基或采用輕質(zhì)材料（如EPS或粉煤灰等）減輕堤身自重以增強(qiáng)路堤的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

通過工程實(shí)踐，結(jié)合道路設(shè)計(jì)過程中遇到的工程難題，在路基設(shè)計(jì)過程中根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料，因地制宜采取有效的技術(shù)措施以確保路基穩(wěn)定，注意路基的填料設(shè)計(jì)，應(yīng)作為路基設(shè)計(jì)的基本原則之一。

本文是對(duì)陡坡、高填路堤的穩(wěn)定性分析及設(shè)計(jì)思路探討，提出石方填筑、設(shè)置反壓護(hù)坡道及設(shè)置土工格柵燈技術(shù)措施，能有效提高陡坡、高填路堤的穩(wěn)定性。通過上述措施，在滿足工程建設(shè)要求的基礎(chǔ)上，總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并對(duì)類似工程提供相應(yīng)的參考與建議，供設(shè)計(jì)人員借鑒。