公路加筋路堤失穩分析及相應處治措施

周金霞

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

0 引言

高速公路建設對國家科研發展起著巨大推動作用，隨著發展步伐的加快，高速公路建設越來越多的項目要在山區、丘陵區修筑，高邊坡、軟基等難度較大的工程問題也頻頻遇到。而加筋土路堤因占地面積少、材料消耗低、施工工期短、可承受較大的變形、抗震性能良好等優點逐漸被山區高速公路工程接受。（加筋土是一種在土中加入加筋材料而形成的復合土。在土中加入加筋材料可以提高土的強度，增強土體的穩定性。因此，凡在土中加入加筋材料而使整個土工系統的力學性能得到改善和提高的土工加固方法均稱為土工加筋技術，形成的結構亦稱之為加筋土結構。）同時也帶來路基失穩新的問題，加筋路堤失穩包括內部穩定破壞與外部穩定破壞兩種模式[1]。外部穩定破壞包括平面滑動破壞、深層滑動破壞、局部承載破壞（側向擠出破壞）及過量沉降4種形式，如圖1～圖4所示，本文通過對加筋土路堤穩定計算[2]及結合工程地質條件分析得出此段路堤失穩的原因，且給出處置措施及處治結果。

圖1 平面滑動破壞

圖2 深層滑動破壞

圖3 局部承載破壞（側向擠出破壞）

圖4 過量沉降

1 工程地質條件及評價

1.1 地形、地貌

項目位于黃土丘陵區，微地貌為黃土梁、塬、沖溝及陡坎，整體地形北高南低變化較大，地勢較高。

1.2 地層時代、成因及巖性特征

經地質調查及鉆探資料揭示，勘察區地層主要由第四系全新統人工填土（Q4me）及中更新統沖洪積物（Q2al+pl）粉土、粉質黏土組成。Q4me人工填土為雜填土，雜色，結構疏松，土質不均，多含碎石、磚塊等建筑垃圾。ZK2中3.9 m以上為建筑垃圾構成，結構松散，稍濕狀態，粒徑2～6 cm。Q2al+pl地層以粉土為主，局部沉積粉質黏土，呈堅密狀分布。粉土，褐黃色，中密結構，稍濕狀態，含菌絲及鈣質結核，其特征：結構疏松，具大孔隙，親水性強，隨著含水量的增加，易軟化，強度顯著下降，固結性差。粉質黏土，褐黃—紅褐色，堅硬狀態，含菌絲及鈣質結核。勘察期間未見地表水，鉆探深度范圍內亦未發現地下水。

場地位于呂梁—太行斷塊之呂梁塊隆的次級構造單元離石—中陽菱形復向斜，是歷史地震活動相對較弱的地區。自有記錄以來，僅在1829年4月發生5.25級地震1次，危害程度較輕。

2 經計算及地質條件分析得出破壞原因

2.1 加筋路堤計算

路基加筋土工合成材料設計計算抗拉強度Ta。

填料及地基抗剪強度參數c、φ值，加筋土材料與土接觸的界面阻力系數fGS均應由試驗獲得。界面摩擦系數為0.9。

筋材料的豎向層間距為100 cm，大于一層填土最小壓實厚度。同時設置輔筋，輔筋層間距200 cm，長度4.0 m，路堤計算簡圖見圖5。

圖5 路堤計算簡圖

本項目采用通用規范方法，具體為圓弧穩定分析方法中簡化Bishop法[3]，計算目標為安全系數計算，滑裂面形狀為圓弧滑動法，同時不考慮地震。土條重切向分力與滑動方向反向時當下滑力對待，穩定計算目標是自動搜索最危險滑裂面。條分法的土條寬度為1 m，搜索時的圓心步長為1 m，搜索時的半徑步長為0.5 m。

計算結果為最不利滑動面滑動圓心坐標在(0.240，28.253)m，滑動半徑等于28.254 m，滑動安全系數Fsu為1.292，筋材總拉力Ts作用的力臂，m；D等于28.254。

采用上述結果進一步計算得：

式中：Wi為土條i的重力，kN/m;Qi為作用于i土條豎直方向的外力，kN/m，如車輛荷載等;R為滑弧半徑，m；αi為土條i底滑面與水平面的傾角，（°）。

得知筋材總拉力Ts：

式中：Fs為要求達到的穩定安全系數；Fsu為未加筋時路堤圓弧滑動破壞的穩定系數；D為筋材總拉力Ts作用的力臂，m；Md為滑動力矩，kN。

第j層筋材所受拉力Tj為：

式中：Tz為 1 個區域布置時，Tz=Tsmax；Rc為加筋覆蓋率，土工格柵Rc=1；Hz為加筋區域高度，m；Sv為加筋區域筋材豎向間距，m；Ta為筋材設計計算抗拉強度，kN/m。

堤身穩定性、地基與堤身整體穩定性系數為Fc：

各層錨固長度Le為：

式中：fGS為抗拔出阻力系數1.11；α為考慮筋材與土相互作用的非線性分布效應系數，土工格柵0.8；δ'V為筋土交界面的有效正應力；Rc為加筋覆蓋率，對土工格柵和土工織物為1；Fe為筋材抗拔出的穩定安全系數，對粒料土為1.5，對黏性土為2.0。

最終得出加筋土路堤的穩定系數：

經上述計算可知本段加筋土擋墻不會發生內部穩定破壞。

2.2 地質條件分析

本段路堤地質條件簡圖見圖6。

圖6 路堤地質條件簡圖

將本段路堤地質條件簡圖與圖3相比較得出本段加筋土擋墻失穩破壞形式為局部承載破壞（側向擠出破壞）。

3 處治方案及處治結果監測

3.1 處治方案

經過對抗滑樁與填土反壓2個方案計算，并結合拆遷占地等相應情況分析對比，最終選擇填土反壓處治方案，方案模型見圖7。

圖7 填土反壓處治方案模型圖

3.2 處治結果監控量測

在公路工程中，監控量測已成為不可替代的輔助措施。其不只能為科學研究提供第一手現場資料，而且也為施工與反饋設計提供了寶貴的參考信息，為工程安全、迅捷的建設提供有效的保障作用[4]。

本項目監控量測的最終目的就是為了及時掌握路堤邊坡動態變化，依據工程特點布設10處觀測點布設要求為：a）測站點位置在路基影響范圍外圍穩定地段布設；b）測站點、測點設置應設立混凝土樁，防止測樁遭受自然或人為因素破壞；c）監測頻率1天1次；d）測量儀器選擇為儀器可靠性和穩定性好、儀器有能與路基地基變形相適應的足夠的量測精度，儀器的靈敏度高，儀器具有與環境相適應的性能；e）測量誤差：點位誤差要求不超過±5.4 mm，水準測量每公里中誤差不超過±3.0 mm。

檢測數據結果處理見圖8，由數據顯示可知邊坡經填土反壓處治后各個測點在15 d內趨于穩定，變化速率逐漸趨于0.0 m/日。且經過一年的連續觀測邊坡未發生失穩的跡象，由此可知設計施工方案可行且合理。

圖8 觀測數據結果處理圖

4 結論

a）減少山區公路路堤失穩的主要措施是要充分做好前期地質調查工作，調查工作做得越詳細、越具體，在設計中才越有針對性，從而避免許多設計上的差錯。

b)當路基出現失穩滑塌之后應快速查找原因，對癥下藥，及時做出應對措施和準確的施工方案。同時在施工上應嚴格按設計要求進行施工和監控，將損失降至最低。

c）加筋土路堤破壞形式有別于普通路堤，設計時應充分考慮兩者的差異性，做好充分的準備工作，盡量避免后期變更。