防滑鏟處治斜坡軟弱地基路堤工作機理探討

吳玉,蔣鑫,姜春亮,朱奇炯,邱延峻

( 1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031;

2.西南交通大學 道路工程四川省重點實驗室，四川 成都 610031;

3.西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031;

4.上海鐵路局杭州工務段,浙江 杭州 310009)

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防滑鏟處治斜坡軟弱地基路堤工作機理探討

吳玉1,2,3,蔣鑫1,2,3,姜春亮1,2,3,朱奇炯4,邱延峻1,2,3

( 1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031;

2.西南交通大學 道路工程四川省重點實驗室，四川 成都 610031;

3.西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031;

4.上海鐵路局杭州工務段,浙江 杭州 310009)

摘要:為探討防滑鏟處治斜坡軟弱地基路堤的工作機理，基于剛體極限平衡法軟件Slide，建立防滑鏟處治斜坡軟弱地基路堤的計算模型，對比有無防滑鏟時可能滑動帶、最危險滑動面的區別，獲得穩定安全系數與地層坡度、防滑鏟深度的動態變化關系，結合敏感度分析，明確土體材料參數對路堤穩定性的影響程度，并提出聯合其他措施共同處治、回填材料應以重度控制為準等優化設計途徑。

關鍵詞：道路工程；斜坡軟弱地基路堤；防滑鏟；剛體極限平衡法；敏感度分析；優化設計

足夠的穩定性無疑是斜坡地基路堤設計的前提[1]。為提高斜坡路堤穩定性，可在路堤坡腳應力集中處地基內開挖設置倒梯形溝槽，然后回填天然碎礫石或級配碎石，謂之防滑鏟，亦稱坡腳鏟子或鏟子等。此種處治措施已成功運用于工程實踐中，如阿爾及利亞東西高速公路[2-3]、皖南山區某高速公路[4]和山西某公路[5]等，但技術規范卻未見防滑鏟相關描述，其理論研究已遠滯后于工程實踐。李剛等[2]討論了泥灰巖不良地基斜坡填方工程防滑鏟的應用，該類巖石主要是指泥灰巖或泥灰質頁巖等，遇水易軟化，強度會急劇降低, 而且具有一定的膨脹性。作為斜坡地基路堤的特例，我國西南山區斜坡軟弱地基路堤頻見[6-8]。斜坡軟弱地基包括山區丘間槽谷坡洪積軟弱土地基、非沉積型斜坡軟弱地基、湖泊相軟土邊緣地基和斜坡松散堆積體地基等[9]，類型多樣，成因復雜，其工程特性與泥灰巖斜坡地層十分類似[10]，能否將防滑鏟應用于斜坡軟弱地基路堤的處治，需要引起工程師的高度關注。既有文獻均認為，防滑鏟的功能主要是通過局部置換實現防滑和排水，后者主要是通過回填滲透系數大的天然碎礫石或級配碎石，并輔以土工布包裹反濾、設置內含PVC管的縱向盲溝等措施予以控制[2，4，11]，前者多被認為因相對地基土體防滑鏟回填料抗剪強度更高，從而實現穩定安全性的提高[2，4]，其防滑工作機理仍需深入研究。為此，本文擬選用加拿大開發的基于剛體極限平衡法軟件Slide[12]，建立防滑鏟處治斜坡軟弱地基路堤的穩定性分析模型，對比有無防滑鏟時可能滑動帶、最危險滑動面的區別，獲得穩定安全系數與地層坡度、防滑鏟深度等的動態變化關系，進而結合敏感度分析，探討路堤、斜坡軟弱層和防滑鏟回填材料的各核心參數對安全性的影響程度，并提出防滑鏟處治對策的優化設計途徑。

1防滑鏟對穩定安全性的影響

1.1Slide計算模型構建

建立如圖1 所示的防滑鏟處治斜坡軟弱地基路堤計算模型，其中路堤頂面寬度為7.5 m，路堤中心線填高為8 m，斜坡軟弱層厚11 m，于路堤下坡腳斜坡軟弱層內設置邊坡坡比為1∶1，底寬6 m的倒梯形防滑鏟，重點討論斜坡軟弱層坡比1∶n和防滑鏟深度h變化對斜坡軟弱地基路堤穩定性的影響。路堤下坡腳落于防滑鏟頂部中間位置，防滑鏟深度以其左側壁與斜坡軟弱層頂面的交點至防滑鏟底部的垂直距離為準。土體材料采用Mohr-Coulomb強度模型，參考文獻[13]及工程經驗，材料參數如表1所示。

單位：m圖1　防滑鏟處治斜坡軟弱地基路堤模型示意圖Fig.1 Model of embankment over sloped weak ground reinforced by slide-resistant shovel

Table 1 Material parameters of embankment over sloped weak ground reinforced by slide-resistant shovel

土層類別材料參數黏聚力/kPa內摩擦角/(°)重度/(kN·m-3)路堤252520.5防滑鏟54024斜坡軟弱層121219下臥剛硬層242520.5

采用簡化Bishop條分法，垂直條分土條數目為25。最危險滑動面的搜索方式采用網格搜索，即在計算開始之前自行確定矩形網格的尺寸和密度(本模型采用20×20的搜索網格)，每一個網格節點即為搜索圓弧的圓心。Slide軟件根據設立的邊坡界限自動確定有效圓弧滑面的最小和最大半徑，將兩者之間的半徑間隔等分為m份(本模型中m=10)，則每個圓心對應m+1個可能滑動面，分別計算出各滑動面的安全系數，取其中的最小值為該圓心所對應的安全系數。以此類推，計算出每個圓心對應的安全系數，再在其中取最小值作為整個結構的最小安全系數，該系數所對應的可能滑動面即為最危險滑動面。計算時，應適當調整搜索網格的位置，以確保計算得到的最小安全系數所對應的圓弧滑動面的圓心大致處于搜索網格的中心。

1.2可能滑動帶及最危險滑動面變化

圖2分別給出了斜坡軟弱層坡比1∶n=1∶10，有無防滑鏟時穩定安全系數相對最小的400個有效滑動面，這些有效滑動面的分布區域形成了路堤的可能滑動帶，其中有防滑鏟時其深度h=4 m。宏觀看來，無防滑鏟處治時，可能滑動帶靠近路堤下坡腳，且從防滑鏟擬處治區域通過；而有防滑鏟處治時，可能滑動帶遠離路堤下坡腳，且整體下移，從防滑鏟下部通過。圖3以有無防滑鏟時可能滑動帶中的最危險滑動面形態為例，開展具體代表性比較。由圖可見，因對稱性喪失，有無防滑鏟處治時斜坡軟弱地基路堤的最危險滑動面均向路堤下坡腳方向傾斜，表現為通過路堤本體與斜坡軟弱層的圓弧狀，未下切入下臥剛硬層。但二者分布區域有所差異，無處治措施時最危險滑動面上端與路堤頂面相交，下端與防滑鏟擬設位置處斜坡軟弱層頂面相交，且從防滑鏟擬設位置中部通過；而有防滑鏟處治時，最危險滑動面上端右移，與路堤右側邊坡坡面相交，下端則左移，與防滑鏟外側斜坡軟弱層頂面相交，且滑動面位置整體下移，從防滑鏟下部通過。圖3還表明，經防滑鏟處治后，斜坡軟弱地基路堤穩定安全系數由無處治措施時的1.157增加到1.260。

單位：m圖2　有無防滑鏟處治時可能滑動帶形態比較Fig.2 Comparison of the potential slip band with slide-resistant shovel and without one

單位：m圖3　有無防滑鏟處治時最危險滑動面形態比較Fig.3 Comparison of the critical slip surface with slide-resistant shovel and without one

1.3不同斜坡軟弱層坡比下防滑鏟深度對穩定安全系數的影響

保持材料參數如表1不變化，根據圖1所示建立的模型，圖4給出了斜坡軟弱層坡比1∶n分別為1∶2.5，1∶5，1∶7.5，1∶10和1∶12.5，防滑鏟深度h分別為0，2，3，4，5和6 m的情況下，穩定安全系數Fs的變化情況。

由圖4可知：在斜坡軟弱層坡比一定的情況下，穩定安全系數隨著防滑鏟深度的增加而提高，在本文所選斜坡軟弱層坡比計算條件下，除1∶2.5之外，其余斜坡坡比下的穩定安全系數隨防滑鏟深度的增加近似呈線性增大，防滑鏟深度為6 m時的穩定安全系數比未設防滑鏟時增大6.9%～23.7%，防滑鏟深度對斜坡軟弱地基路堤穩定性影響顯著。在防滑鏟深度一定的情況下，隨著斜坡軟弱層坡比減小，穩定安全系數得以提高，但提高幅度相應減弱。同一防滑鏟深度的情況下，斜坡軟弱層坡比為1∶12.5時的路堤穩定安全系數為斜坡軟弱層坡比為1∶2.5時的1.73～2.00倍。斜坡軟弱層坡比對路堤穩定性影響顯著。選取穩定安全系數Fs=1.0作為判斷斜坡軟弱地基路堤是否失穩的標準，可知，斜坡軟弱層坡比較大，為1:2.5時，即便防滑鏟深度達到6 m，防滑鏟底部邊緣已接近于下臥剛硬層頂部時，穩定安全系數仍遠小于1.0，說明在斜坡軟弱層坡比較大情況下，防滑鏟單一處治措施對提高斜坡軟弱地基路堤穩定性效果有限。在斜坡軟弱層坡比居中，為1∶5時，穩定安全系數Fs=1.0的水平直線與穩定安全系數變化曲線相交于防滑鏟深度為3.5 m處，說明在斜坡軟弱層坡比居中時，防滑鏟深度對斜坡軟弱地基路堤安全穩定性存在一個臨界值，該值可為實際工程中兼顧安全性和經濟性提供參考。在斜坡軟弱層較緩，坡比不大于1∶7.5時，穩定安全系數隨著防滑鏟深度的加大而提高且都大于1.0，實際工程中可根據工程安全儲備比例確定防滑鏟深度。

圖4　穩定安全系數與地層坡度和防滑鏟深度的動態變化關系Fig.4 Dynamic relationship between factor of safety and the stratum slope and the slide-resistant shovel depth

2防滑鏟回填材料參數對穩定性影響的敏感度

從剛體極限平衡法分析角度看，要求輸入土體重度、黏聚力和內摩擦角3個核心參數，如采用防滑鏟處治，意味著斜坡軟弱層相應位置被局部置換為重度偏大、黏聚力偏小、內摩擦角偏大的石料，這3個變量的改變可能對路堤穩定性產生或積極、或消極的影響，且影響程度尚不明確。同時，由于路堤填料來源不同(如路塹挖方、隧道棄碴等)且受壓實度的影響較大，而斜坡軟弱地基類型多樣、成因復雜，性質各有差異，因此，基于Slide軟件內嵌的敏感度分析功能，探討路堤、斜坡軟弱層和防滑鏟回填材料的參數對穩定性影響的敏感度。仍如圖1示意，取斜坡軟弱層坡比1∶n=1∶10，防滑鏟深度h=4 m，建立計算模型。為開展敏感度分析，需要輸入材料參數的均值、相對最小值、相對最大值，具體如表2所列。

表2　土層材料敏感度分析參數

圖5(a)給出了穩定安全系數與路堤、斜坡軟弱層和防滑鏟共9個材料參數的關系。考慮到參數的量綱不同，各參數的變化范圍用0～100的百分比區間來表示，其中0和100分別表示每個參數取值的下限和上限，Slide將其在值域內分為50個區間，計算出50個穩定安全系數。當其中一個參數變化時，其他參數取均值且保持不變。

(a)全部參數;(b)部分參數圖5　不確定參數對安全系數的敏感性分析結果Fig.5 Sensitivity analysis results of uncertain factors for safety factor

由圖5(a)可知，路堤重度、斜坡軟弱層重度與穩定安全系數負相關，即這2個參數增大，穩定安全系數減小，路堤穩定性降低；路堤黏聚力、路堤內摩擦角、斜坡軟弱層黏聚力、斜坡軟弱層內摩擦角、防滑鏟重度與穩定安全系數正相關，即這些參數增大，穩定安全系數提高，路堤穩定性增強；防滑鏟黏聚力、防滑鏟內摩擦角與穩定安全系數相關度很低，即隨著2個參數的單獨變化，穩定安全系數幾乎沒有改變。

通過穩定安全系數Fs=1.0的水平直線與斜坡軟弱層內摩擦角敏感度曲線交于(27%，1.0)，其它參數的敏感度曲線均位于Fs=1.0的水平直線上方，且未與其相交，這說明除斜坡軟弱層內摩擦角外，其余參數在單獨變化時，穩定安全穩定系數均大于1.0，而斜坡軟弱層內摩擦角在單獨變化時，路堤可能出現失穩與穩定2種狀態：即當其小于27%(即φ<22.24°)時，路堤失穩，當其大于27%(即φ>22.24°)時，路堤穩定。

由于圖5(a)中各參數的敏感度不同，作圖時穩定安全系數梯度較大，導致部分敏感度相對較低的參數敏感度曲線顯示不明顯，因此，將圖5(a)中部分參數敏感度曲線等比例放大，結果見圖5(b)。從圖5(b)可知，路堤黏聚力、路堤內摩擦角、路堤重度和防滑鏟重度與穩定安全系數的敏感性曲線斜率較大，即這幾個參數對路堤穩定安全系數的影響程度較大；斜坡軟弱層重度與穩定安全系數的敏感性曲線斜率較小，即該參數對路堤穩定安全系數影響較小；防滑鏟黏聚力、防滑鏟內摩擦角與穩定安全系數的敏感性曲線非常平緩，即這2個參數對穩定安全系數影響很小。

3防滑鏟處治對策的優化設計

3.1防滑鏟與其他處治措施聯合使用

1.3節表明，在某些條件較不利時，如地層坡度偏陡，僅使用防滑鏟處治措施不能達到斜坡軟弱地基路堤穩定安全性的基本要求。此時，可將防滑鏟與其它處治措施聯合使用。如在防滑鏟處治達到一定深度后仍不見相對硬層或經驗算路堤穩定性不滿足要求時，可在防滑鏟底增設混凝土凸榫以提高斜坡路堤穩定性[3]。其它可采用的處治措施還包括：調整路堤邊坡形式由單一坡面至多級平臺坡面、放緩邊坡坡比[2，14]；地表開挖臺階[2-3，11]；在路堤內部鋪設土工格柵等形成加筋路堤[2-3，11，15]；在軟弱層至剛硬層內設置打入樁[9]；在路堤下坡腳設置反壓護道[2，14](如圖6(a)所示)、抗滑樁[8，14]或坡腳擋土墻[5](如圖6(b)所示)等。將這些處治措施與防滑鏟結合使用，可綜合提高斜坡軟弱地基路堤穩定安全性。

(a)防滑鏟+反壓護道;(b)防滑鏟+坡腳擋墻圖6　防滑鏟與其它處治措施聯合使用示意圖Fig.6 United application with slide-resistant shovel and other measurements

3.2防滑鏟回填材料的合理選取

由于在斜坡軟弱地基路堤穩定安全性處治時，斜坡軟弱層土體材料相對固定，不便直接處治調整，需將材料選取重心移至路堤與防滑鏟。根據前文敏感度分析結果，整體說來，路堤填料參數對穩定安全性的影響程度大于防滑鏟，因此，在提高斜坡軟弱地基路堤穩定安全性的處治措施中，應優先考慮路堤對安全性的影響，應盡量選擇黏聚力和內摩擦角偏大、重度偏小的填料以提高路堤穩定安全性。而防滑鏟回填材料的選擇應以重度為準，選用重度偏大的天然碎礫石或級配碎石，回填材料的黏聚力和內摩擦角對路堤穩定性影響甚微，可適當放寬其控制標準，同時，在保證排水能力不降低的前提下，注意回填材料的良好壓實。相對而言，天然碎礫石成本較低，但受料源、運輸等條件限制，且級配不良不易壓實，級配碎石可通過級配設計控制，級配適當，更易達到壓實要求，但工程造價高，兩者可根據實際工程情況進行選用。

4結論

1)防滑鏟可用于增強斜坡軟弱地基路堤穩定安全性。在防滑鏟深度一定的情況下，隨著斜坡軟弱層坡比減小，穩定安全系數提高幅度減弱；在斜坡軟弱層坡比一定的情況下，路堤安全穩定系數隨防滑鏟深度增加而提高。

2)防滑鏟深度的確定受到地層坡度的制約，可根據斜坡軟弱地基路堤臨界穩定安全系數1.0，兼顧工程安全性和經濟性，確定防滑鏟深度；在地層坡度偏陡時，不宜單一采用防滑鏟處治，建議實際工程中，將防滑鏟與坡腳擋土墻、反壓護道等處治措施聯合使用。

3)材料方面，宜優先重視路堤填料的選擇，而防滑鏟回填材料的選擇應以重度控制為準，可適當放寬其黏聚力和內摩擦角等抗剪強度指標的范圍。

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(編輯蔣學東)

Working mechanism of slide-resistant shovel used in embankment over sloped weak ground

WU Yu1,2,3, JIANG Xin1,2,3，JIANG Chunliang1,2,3，ZHU Qijiong4, QIU Yanjun1,2,3

(1.School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

2. Highway Engineering of Key Laboratory of Sichuan Province, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China

3. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

4. Hangzhou Railway Section, Shanghai Railway Administration, Hangzhou 310009, China)

Abstract:In order to obtain the working mechanism of embankment over sloped weak ground reinforced by slide-resistant shovel, the corresponding model was established based on Slide software developed by rigid body limit equilibrium method. Potential slip bands and the critical slip surfaces with and without slide-resistant shovel were compared. The dynamic relationship between factor of safety and the stratum slope, the slide-resistant shovel depth were obtained. Sensitivity analysis was conducted to obtain the effect of variability in the values of soil material parameters. Design optimization approach was put forward, for example, slide-resistant shovel works with other measurements simultaneously and backfill materials should be subject to unit weight, and so on.

Key words:road engineering; embankment over sloped weak ground; slide-resistant shovel; rigid body limit equilibrium method; sensitivity analysis; design optimization

中圖分類號：U416.1

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)02-0269-07

通訊作者：蔣鑫(1976-)，男，湖南永州人，副教授，博士，從事道路路基路面工程教學科研；E-mail：xjiangol@163.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51378440);國家重點基礎研究發展規劃(973計劃)項目(2013CB036204);中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(SWJTU12CX067)

收稿日期：2015-05-21